JP7054556B2 - 神経変性疾患の予防又は治療用組成物 - Google Patents
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Description
従来において、HSP-SPG4に対する治療法としては、小胞体ストレスを軽減させて細胞死を抑制するような治療法しかなく、直接的な治療法がない。
上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、microRNA(miRNA;miR)-33をノックアウトしたヒトiPS細胞を用いて、発現量が増加する遺伝子をデータベースにて探索した結果、SPAST遺伝子を抽出した。上述のように、SPAST遺伝子は、HSP-SPG4の原因遺伝子であることが既に知られていた。
一方、HSP-SPG4患者由来細胞を用いてiPS細胞を樹立し、神経細胞へと分化誘導した。HSP-SPG4患者由来細胞において、SPAST遺伝子にコードされるタンパク質(SPASTIN)に変異(エキソン9)があるという既知の事象を確認した。また、HSP-SPG4患者由来細胞を神経細胞に分化誘導させたところ、神経突起が短く、枝分かれが少ないことが分かった。さらに、HSP-SPG4患者由来細胞から分化誘導させた神経細胞において、合成DNAオリゴヌクレオチドでmiR-33aを抑制したところ、SPASTINが増加し、HSP-SPG4による神経細胞軸索の短縮が改善し、このようにmiR-33aを抑制することで、HSP-SPG4を直接的に治療できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下を包含する。
(1)miR-33aの機能を阻害する物質を有効成分として含有する、miR-33a機能阻害剤。
(2)miR-33aの機能を阻害する物質を有効成分として含有する、神経変性疾患の予防又は治療用組成物。
(3)神経変性疾患がHSP-SPG4である、(2)記載の予防又は治療用組成物。
(4)miR-33aの機能を阻害する物質が、miR-33aの機能を阻害する核酸である、(1)~(3)のいずれか1記載のmiR-33a機能阻害剤又は神経変性疾患の予防若しくは治療用組成物。
(5)miR-33aの機能を阻害する核酸が、miR-33aにハイブリダイズし、且つ該miR-33aの機能を阻害するアンチセンスオリゴヌクレオチドである、(4)記載のmiR-33a機能阻害剤又は神経変性疾患の予防若しくは治療用組成物。
(6)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号1記載の塩基配列の相補鎖又はその12塩基以上の連続した塩基配列から成る、(5)記載のmiR-33a機能阻害剤又は神経変性疾患の予防若しくは治療用組成物。
(7)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号24記載の塩基配列から成り、且つ該塩基配列における各ヌクレオチド間結合がホスホロチオエート結合である、(6)記載のmiR-33a機能阻害剤又は神経変性疾患の予防若しくは治療用組成物。
(8)miR-33aの機能を阻害する物質を対象に投与することを含む、神経変性疾患の予防又は治療方法。
(9)神経変性疾患がHSP-SPG4である、(8)記載の方法。
(10)miR-33aの機能を阻害する物質が、miR-33aの機能を阻害する核酸である、(8)または(9)記載の方法。
(11)miR-33aの機能を阻害する核酸が、miR-33aにハイブリダイズし、且つ該miR-33aの機能を阻害するアンチセンスオリゴヌクレオチドである、(10)記載の方法。
(12)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号1記載の塩基配列の相補鎖又はその12塩基以上の連続した塩基配列から成る、(11)記載の方法。
(13)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号24記載の塩基配列から成り、且つ該塩基配列における各ヌクレオチド間結合がホスホロチオエート結合である、(12)記載の方法。
(14)神経変性疾患を予防又は治療するための医薬の製造における、miR-33aの機能を阻害する物質の使用。
(15)神経変性疾患がHSP-SPG4である、(14)記載の使用。
(16)miR-33aの機能を阻害する物質が、miR-33aの機能を阻害する核酸である、(14)または(15)記載の使用。
(17)miR-33aの機能を阻害する核酸が、miR-33aにハイブリダイズし、且つ該miR-33aの機能を阻害するアンチセンスオリゴヌクレオチドである、(16)記載の使用。
(18)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号1記載の塩基配列の相補鎖又はその12塩基以上の連続した塩基配列から成る、(17)記載の使用。
(19)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号24記載の塩基配列から成り、且つ該塩基配列における各ヌクレオチド間結合がホスホロチオエート結合である、(18)記載の使用。
(20)神経変性疾患の予防又は治療における使用のための、miR-33aの機能を阻害する物質。
(21)神経変性疾患がHSP-SPG4である、(20)記載の物質。
(22)miR-33aの機能を阻害する物質が、miR-33aの機能を阻害する核酸である、(20)または(21)記載の物質。
(23)miR-33aの機能を阻害する核酸が、miR-33aにハイブリダイズし、且つ該miR-33aの機能を阻害するアンチセンスオリゴヌクレオチドである、(22)記載の物質。
(24)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号1記載の塩基配列の相補鎖又はその12塩基以上の連続した塩基配列から成る、(23)記載の物質。
(25)アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号24記載の塩基配列から成り、且つ該塩基配列における各ヌクレオチド間結合がホスホロチオエート結合である、(24)記載の物質。
本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2018-119251号の開示内容を包含する。
本発明に係るmiR-33a機能阻害剤は、miR-33aの機能を阻害する物質を有効成分として含有するものである。本発明に係るmiR-33a機能阻害剤によれば、HSP-SPG4の原因遺伝子であるSPAST遺伝子から転写されたmRNAの3’-UTRに存在するmiR-33の結合部位へのmiR-33aの結合を抑制することで、SPAST遺伝子によりコードされるSPASTINタンパク質の発現を増加させ、HSP-SPG4の症状(例えば、神経細胞軸索の短縮)を改善することができる。換言すれば、本発明に係るmiR-33a機能阻害剤は、HSP-SPG4等の神経変性疾患の予防又は治療用組成物ということができる。以下では、本発明に係るmiR-33a機能阻害剤及び神経変性疾患の予防又は治療用組成物を併せて「本発明に係る薬剤」という場合がある。
ここで、miR-33aの機能とは、SPAST遺伝子から転写されたmRNAの3’-UTRに存在するmiR-33の結合部位に結合し、当該mRNAからタンパク質への翻訳を阻害するか、又は当該mRNAの分解を誘導することによって、SPAST遺伝子の発現を抑制することを意味する。
また、本発明に係る薬剤により予防又は治療することができる神経変性疾患は、miR-33aを原因とする神経変性疾患であれば特に限定されないが、HSP-SPG4であることが好ましい。
本発明に係る薬剤の有効成分であるmiR-33aの機能を阻害する物質は、miR-33aの機能を阻害することが可能であればどのような物質であっても、特に限定されないが、miR-33aの機能を阻害する核酸であることが好ましい。
また、miR-33aの機能を阻害する核酸は、miR-33aにハイブリダイズし、且つ該miR-33aの機能を阻害する核酸であれば特に限定されないが、miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドであることが好ましい。miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、miR-33aと当該アンチセンスオリゴヌクレオチドが有するmiR-33aの少なくとも部分配列に相補的な鎖とがハイブリダイズすることによって、miR-33aのレベルを抑制するか又はmiR-33aの機能を阻害する。
miRNA(miR)は、20~25塩基長の一本鎖のノンコーディングRNAである。miRNAは、まず、DNAから、miRNAとその相補鎖とを含みヘアピンループ構造を取ることが可能な一本鎖のpri-miRNAとして転写される。次いで、pri-miRNAは、核内にあるDroshaと呼ばれる酵素によって一部が切断されpre-miRNAとなって核外に輸送される。その後、pre-miRNAはさらにDicerによって切断されて、成熟miRNAとなる。
miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、ヒト成熟miR-33aの塩基配列(配列番号1)に基づいて公知の手法により化学的に合成することができる。miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、配列番号1記載のヒト成熟miR-33aの塩基配列の相補鎖若しくはその部分配列(例えば、シード配列を含む12~20塩基等の12塩基以上の連続した塩基配列)を含むか又は当該相補鎖若しくはその部分配列から成ることが好ましい。
また、miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、例えば配列番号1記載のヒト成熟miR-33aの塩基配列の1~21番目、好ましくは2~13番目の塩基配列にハイブリダイズすることができる塩基配列を含み得る。
さらに、miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、配列番号1記載のヒト成熟miR-33aの塩基配列の少なくとも一部と完全に相補的な塩基配列を含むことは必ずしも必要ではなく、少なくとも70%、好ましくは少なくとも80%、より好ましくは少なくとも90%、さらにより好ましくは少なくとも95%相補的な塩基配列を含んでいればよい。
miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、miR-33aにストリンジェントな条件下でハイブリダイズする塩基配列を含み、該miR-33aの機能を阻害する核酸であってもよい。「ストリンジェントな条件」とは、例えば6×SSC(1×SSCの組成:0.15MのNaCl、0.015Mのクエン酸ナトリウム、pH7.0)、0.5%SDS、5×デンハルト、100μg/mLの変性サケ精子DNA及び50%(v/v)ホルムアミドを含む溶液中、室温にて12時間インキュベートし、更に0.5×SSCで50℃以上の温度で洗浄する条件をいう。さらに、よりストリンジェントな条件(例えば、45℃又は60℃にて12時間インキュベートすること、0.2×SSC又は0.1×SSCで洗浄すること、洗浄に際し60℃又は65℃以上の温度条件で洗浄すること等)も含む。
アンチセンスオリゴヌクレオチドは、DNAであってもRNAであってもよく、又はDNA/RNAキメラであってもよい。
アンチセンスオリゴヌクレオチドを構成するヌクレオチド分子は、天然型のDNA又はRNAであってもよい。当該ヌクレオチド分子は、安定性(化学的安定性及び/又は酵素に対する安定性)又は比活性(RNAとの親和性)を向上させるために、種々の化学修飾を含むことができる。例えば、ヌクレアーゼ等の加水分解酵素による分解を防ぐために、アンチセンスオリゴヌクレオチドを構成する各ヌクレオチドのリン酸残基(ホスフェート)を、例えばホスホロチオエート、メチルホスホネート及びホスホロジチオネート等の化学修飾リン酸残基に置換することができる。各ヌクレオチドの糖(リボース)の2’位の水酸基を、-OR(R=CH3(2’-O-Me)、CH2CH2OCH3(2’-O-MOE)、CH2CH2NHC(NH)NH2、CH2CONHCH3、CH2CH2CN等)に置換してもよい。さらに、塩基部分(ピリミジン、プリン)に化学修飾を施してもよい。当該化学修飾としては、例えばピリミジン塩基の5位へのメチル基若しくはカチオン性官能基の導入、又は、2位のカルボニル基のチオカルボニルへの置換等が挙げられる。
RNAの糖部のコンフォーメーションは、C2’-endo(S型)とC3’-endo(N型)の2つが支配的であり、一本鎖RNAではこの両者の平衡として存在するが、二本鎖を形成するとN型に固定される。従って、miR-33aに対して強い結合能を付与するために、BNA(Bridged Nucleic Acid)が好ましく使用される。BNAは、2’酸素と4’炭素とを架橋することによって、糖部のコンフォーメーションをN型に固定したRNA誘導体である。BNAとしては、例えば2’酸素と4’炭素がメチレンによって架橋された2’,4’-BNA(LNA(Locked Nucleic Acid)とも称される)、及び2’酸素と4’炭素がエチレンにより架橋されたENAが挙げられる。
例えば、miR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドにおいて、2’,4’-BNA(LNA)が配列番号1記載のヒト成熟miR-33aの塩基配列の相補鎖の5’側から3’側方向に9、11、13、15、17及び/又は19番目の位置に配置される。
具体的なmiR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、以下の実施例で使用された「LNA-アンチ-miR-33」(配列番号24)である。当該LNA-アンチ-miR-33は、配列番号1記載のヒト成熟miR-33aの塩基配列における2~13番目の塩基配列の相補鎖に相当する核酸であって、LNAが配列番号1記載のヒト成熟miR-33aの塩基配列の相補鎖の5’側から3’側方向に9、11、13、15、17及び19番目の位置に配置され、且つ各ヌクレオチド間結合がホスホロチオエート結合である、核酸である。
本発明に係る薬剤は、経口的又は非経口的(例えば、静脈内、皮下若しくは筋肉内注射、局所的、経直腸的、経皮的、脊髄内的又は経鼻的)に投与することができる。経口投与のための剤形としては、例えば、錠剤、カプセル剤、丸剤、顆粒剤、散剤、液剤、懸濁剤等が挙げられる。非経口投与のための剤形としては、例えば、注射用水性剤、注射用油性剤、軟膏剤、クリーム剤、ローション剤、エアロゾル剤、坐剤、貼付剤等が挙げられる。これらの製剤は、従来公知の技術を用いて調製され、製薬上許容される担体又は添加剤を含有することができる。
本発明に係る薬剤を投与する対象としては、例えばヒト、チンパンジー、アカゲザル、イヌ、ウシ等の哺乳動物が挙げられる。本発明に係る薬剤は、ヒトに対して好適に用いられる。
本発明に係る薬剤は、投与の目的、投与方法、投与対象の状況(性別、年齢、体重、病状等)によって異なるが、例えば有効成分がmiR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドであり、且つヒトに対して投与される場合、1日当たり120~240μg/kg体重のmiR-33aに対するアンチセンスオリゴヌクレオチドが、投与されるように用いられる。
また、本発明は、上述の本発明に係る薬剤に準じて、
miR-33aの機能を阻害する物質を対象に投与することを含む、HSP-SPG4等の神経変性疾患の予防又は治療方法;
HSP-SPG4等の神経変性疾患を予防又は治療するための医薬の製造における、miR-33aの機能を阻害する物質の使用;
HSP-SPG4等の神経変性疾患の予防又は治療における使用のための、miR-33aの機能を阻害する物質;
に関する。
〔ヒト人工多能性幹細胞(iPSC)におけるCRISPR-Cas9ゲノム編集を用いたSPG4遺伝性痙性対麻痺の治療標的としてのmiR-33aの同定〕
1.序論
マイクロRNA(miRNA)は、特定のmRNAに結合し、翻訳を阻害するか、又はmRNA分解を促進する小さな非タンパク質コーディングRNAである。miRNAは、様々な細胞の状況において、細胞型、組織及び種特異的な標的制御を示す。従って、適切な細胞型、組織及び種においてmiRNA機能を研究することが重要である。以前に、本発明者等は、miR-33がmiR-33欠損マウスの使用によって脂質恒常性を制御することを示した。しかしながら、ヒトにおけるmiR-33の生理学的機能は、適切なモデルの欠如のために依然として未知であった。
miR-33は、miR-33a及びmiR-33bの2つのアイソフォームを有する。miR-33a及びmiR-33bは、成熟形態においてわずか2ヌクレオチドだけ異なるが、それらのシード配列においては同一である。miR-33aは進化を通じて高度に保存されているが、miR-33bは大型哺乳動物のSREBF1遺伝子にのみ存在し、齧歯類はmiR-33bを欠いている。
ヒトにおけるmiR-33a/bの新規標的遺伝子を調査するために、本発明者等は、CRISPR-Cas9技術により、miR-33単一(miR-33a又はmiR-33b)及び二重(miR-33a及びmiR-33b)ノックアウトヒトiPSCを作製し、それらのトランスクリプトームを分析した。
本実施例では、SPASTがヒトにおけるmiR-33の新規標的遺伝子であることを明らかにした。実際には、SPAST 3’-UTRのmiR-33結合部位は、マウスではなく中~大型哺乳動物で保存されており、マウスのSPASTに対するmiR-33a及びmiR-33bの役割を明らかにすることは不可能である。SPASTは、SPASTINと呼ばれる微小管切断タンパク質をコードし、SPAST(以前は「SPG4」として知られていた)遺伝子の変異は、遺伝性痙性対麻痺(HSP-SPG4)の最も一般的な原因である。本発明者等は、miR-33aが、SPG4患者のiPSC由来皮質ニューロンにおいてSPAST発現を調節し、病理学的表現型に影響を与えることを示した。さらに、ロックド核酸-アンチ-miR(LNA)を介した、ヒトニューロンにおけるmiR-33の主要な形態であるmiR-33aの阻害は、HSP-SPG4患者ニューロンにおいて病理学的表現型を改善した。このように、miR-33aは、HSP-SPG4の治療のための治療標的であり得る。
2.結果
2-1.miR-33ノックアウトヒトiPSCの作製
ヒト細胞におけるmiR-33の役割を調べるために、本発明者等はヒトiPSCからmiR-33単一ノックアウト(KO)及びmiR-33二重KO細胞を作製した。
一対のCRISPRガイドRNA(gRNA)発現ベクターを構築し(表1)、それらを、二本鎖切断を導入するためにD10A Cas9 ニッカーゼ(Cas9n)と共にコントロールiPSC(「201B7」と命名)に共エレクトロポレーションした。
成熟miR-33配列欠失及びloxP配列挿入等のindelsの予測されたサイズは、DNA配列決定によって同定された(図1b、図2a)。KO iPSCにおけるmiR-33a/b発現の完全な消失は、RT-PCR分析(図2b)によって確認されたが、PCRベースのmiRNA測定のためにわずかなシグナルが残っていた。SREBF2及びSREBF1のイントロンによってコードされるmiR-33a及び/又はmiR-33bの欠失は、それらの宿主遺伝子のタンパク質レベル及びスプライシングに影響しなかった(図2c及びd)。
さらに、本発明者等は、miR-33の欠失がそれらの宿主遺伝子の活性化を干渉することなく確立されたかどうかを確認しようと試みた。HMG-CoA阻害剤であるNK104は、SREBF2の転写を活性化し、また、LXRアゴニストであるT090137は、SREBF1発現を増強する。これらの薬理学的刺激により、コントロール及びKO iPSCにおけるSREBF2及びSREBF1 mRNAは有意に増加し、コントロールiPSCにおけるmiR-33a/bの発現レベルは並行して増加した。各KO iPSCにおけるmiR-33a及び/又はmiR-33bの発現レベルは、それらの宿主遺伝子の刺激によっても検出されなかったので、miR-33a及び/又はmiR-33bの完全な喪失は、miR-33単一及び二重KO iPSCにおいて達成された(図1c及びd)。
染色体Qバンド分析は、確立されたiPS系統が正常な核型を有することを示した(図1e)。
2-2.miR-33はヒトにおいてSPAST発現を調節する
miR-33のヒト細胞への効果を分析するために、miR-33単一、二重KO及びコントロールiPSC(201B7)を用いてマイクロアレイ分析を行った。マイクロアレイデータは、コントロールに対して、miR-33a KOにおいて93個のアップレギュレート遺伝子及び191個のダウンレギュレート遺伝子、miR-33b KOにおいて99個のアップレギュレート遺伝子及び110個のダウンレギュレート遺伝子、miR-33二重KO iPSCにおいて49個のアップレギュレート遺伝子及び127個のダウンレギュレート遺伝子を検出した(倍数変化>2)(図3a)。
公的データベースTargetScan(http://www.targetscan.org)を使用して、miR-33単一、二重KO iPSCの全てにおいてアップレギュレートされた遺伝子の中でmiR-33標的遺伝子について検索した。図3bに示すように、SPASTがこの方法によって同定されたただ1つの遺伝子であった。
次に、RT-PCR及びウェスタンブロッティング分析によってSPAST及びSPASTIN発現レベルを検証した(図3c及びd)。SPASTにおける2つの翻訳開始コドンの存在により、2つのSPASTINアイソフォーム(「M1」と呼ばれる完全長アイソフォーム、及び「M87」と呼ばれるわずかに短いアイソフォーム)が合成される。M87は、ニューロン及び非ニューロン組織の両方においてより豊富である。
SPAST 3’-UTRは、中~大型哺乳動物においてmiR-33の潜在的結合部位を有する。しかしながら、マウスには標的部位が存在しない(図3e)。SPAST 3’-UTRの推定miR-33標的配列が翻訳抑制を媒介できるかどうかを試験するために、SPAST転写物の3’-UTRをルシフェラーゼ発現プラスミドに挿入し(psiCHECK-2-SPAST 3’-UTR)、HEK293T細胞にトランスフェクトした。CMV駆動miR-33a及びmiR-33bによれば、コントロールベクター(miR-コントロール)と比較してルシフェラーゼ活性が低下した(図3f)。3’-UTRの潜在的結合部位における突然変異は、miR-33の効果を無効にした(図3g)。
2-3.SPASTIN活性の消失は、遺伝性痙性対麻痺SPG4(HSP-SPG4)の特徴的な表現型である
SPAST遺伝子の突然変異(2p22.3に位置する)は、HSPの最も一般的な原因である。ほとんどの場合、常染色体優性のHSP-SPG4は、下肢の痙攣及び衰弱に起因する歩行障害を伴うプロトタイプのHSPであると考えられている。
ヒトのSPAST遺伝子の調節におけるmiR-33の効果を考慮して、本発明者等は、miR-33の阻害が1つの正常なSPAST対立遺伝子の活性化を促進し、続いて病理学的表現型を減少させると仮説を立てた。この仮説に取り組むために、SPG4患者1人と健常対照者からiPSC(「hc1-A」及び「hc3-A」と称する)を作製した。当該患者は、スプライス部位を変化させるSPAST遺伝子のイントロン9に位置するヘテロ接合G>A置換を有し(IVS9+1 G→A)、エキソン9のスキッピングを引き起こす。エキソン9は、当該遺伝子のAAAカセットコード領域内にある(図4aの系統)。HSP患者のこのIVS9+1 G→A変異は、以前に記載されていた。この領域を配列決定して、SPG4由来iPSCがSPAST遺伝子の当該変異を維持していることを確認した(図4b、図5a-b)。染色体Qバンド分析は、SPG4由来のこのiPSCが正常な核型を有することを示した(図5c)。
細胞表現型を調べるために、本発明者等は、以前に記載された無血清凝集浮遊培養(SFEBq)法によってSPG4及びコントロールiPSCを皮質ニューロンに分化させた。SPG4は常染色体優性突然変異によって引き起こされるので、SPG4患者は、1つの対立遺伝子が機能しない場合、SPASTIN活性の約50%を有する可能性が高い。以前の研究では、スプライス部位変異を有するSPG4患者由来のニューロンは、コントロールと比較して約50%のSPASTINタンパク質レベルの減少を示すことが明らかにされている。これと一致して、コントロールと比較してSPAST mRNA及びSPASTINタンパク質レベルの両方が有意に低下した(図4c及びd)。
最後に、SPG4由来の神経突起の形態を調べた。免疫蛍光染色により、SPG4由来の皮質ニューロンにおいて全神経突起の長さ及び分岐点の数が減少することが明らかとなった(図4e)。
2-4.miR-33は、SPAST 3’UTR調節を介してiPSC由来の皮質ニューロンの神経突起の長さを減少させる
以前の研究は、SPASTINレベルの低下が観察された疾患の表現型と直接関連していることを示し、SPASTINを過剰発現するSPG4由来のニューロンが神経突起伸長欠損を救済できることが示されている。miR-33がSPAST発現を直接調節し、SPG4由来ニューロンの神経表現型に影響するかどうかを調べるために、本発明者等は、レンチウイルス構築物をSPG4由来ニューロンに同時トランスフェクトした。
シナプシンIニューロンドライバーの存在下で緑色蛍光タンパク質(GFP)-内部リボソーム進入部位(IRES)-潜在的結合部位を含む3’-UTRを伴う/伴わないSPAST(ベクター1及びベクター2)を過剰発現させた。コントロールとしてGFP過剰発現SPG4ニューロンを用いた(図6a)。
以前の報告と一致して、SPASTINを過剰発現するSPG4由来のニューロンは、GFPコントロールと比較して神経突起の長さを回復させた。ベクター1又はベクター2のいずれかの過剰発現による同時トランスフェクトCMV駆動miRコントロールは、SPG4由来ニューロンにおける神経突起の長さの回復をもたらした。しかしながら、CMV駆動miR-33aのベクター2との同時トランスフェクションは、ベクター1で観察されなかった神経突起の長さを減少させた(図6b、図7a-b)。
2-5.ロックド核酸-アンチ-miRを介したmiR-33aの阻害は神経突起の長さを改善する
本発明者等は、miR-33が、SPAST 3’-UTRを標的とすることによって、SPG4由来ニューロンにおいて神経表現型を調節することを示した。miR-33の阻害がSPG4の潜在的治療標的であるかどうかを調べるために、SPG4-iPSCをLNA-アンチ-miR-33a(LNA-miR-33a)又はコントロール(LNA-コントロール)でトランスフェクトした。miR-33aを選択した理由としては、miR-33aの絶対的レベルが、未分化状態及び神経分化の両方においてmiR-33bよりも豊富であったためである(図8a)。
LNA-アンチ-miR-33aのノックダウン効率を確認するために、miR-33aの発現レベルを、トランスフェクションの48時間後にRT-PCRによって評価した。iPSC由来ニューロンにおいて、miR-33aのノックダウンが約40%であった(図8b)。
miR-33aのダウンレギュレーションは、miR-33aの直接下流標的として知られているABCA1のアップレギュレーションと関連していた(図8c)。
本発明者等は、SPG4由来ニューロンの神経突起の長さがLNA-miR-33aのトランスフェクションの48時間後に有意に回復したことを観察し、このことはSPG4の治療のためのmiR-33a阻害の治療可能性を示唆するものである(図9a及びb)。
さらに、宿主遺伝子のmRNA発現及びタンパク質レベルと並行して、コントロールと比較して、本発明者等のSPG4由来ニューロンにおいて、miR-33aの発現の増強が観察された(図10a-c)。miR-33a上昇の原因を同定するために、shRNA構築物のレンチウイルス感染を用いてSpast-knockdown Neuro 2a系統を樹立した。それぞれSpast RNAi系統1及び2におけるSpast mRNA発現の約50%がノックダウンした(図10d)。RT-PCRの結果によれば、コントロールと比較してspastinが減少したニューロン細胞が、宿主遺伝子Srebf2と並行してmiR-33aの発現レベルを増加させる傾向があることが明らかになった(図10e)。このように、本発明者等のSPG4由来ニューロンにおけるmiR-33aの発現の増強は、SPASTIN減少の直接的な効果であり得る。
3.考察
以前の報告では、マウスにおけるmiR-33の役割が、脂質代謝の調節因子としての証拠と共に探求されてきた。しかしながら、ヒトにおいては、適切なモデルを欠いていたため、依然として不明確であった。
本実施例において、本発明者等は、CRISPR-Cas9によってmiR-33単一(miR-33a又はmiR-33b)及び二重(miR-33a及びmiR-33b)ノックアウトiPSCを作製し、これらのKO iPSCにおける成熟miR-33生合成の完全な欠失を示した。さらに、SPASTがヒトにおけるmiR-33の新規標的遺伝子であることを同定した。遺伝性痙性対麻痺の原因遺伝子の1つであるSPASTは、miR-33によって直接的に調節された。LNAによるmiR-33aの阻害は、SPG4由来皮質ニューロンの病理学的表現型を部分的に減少させた。合成RNAオリゴによるmiR-33aの阻害が1つの正常なSPAST対立遺伝子の活性化を促進し、続いて病理学的表現型を減少させることが推測される。
miRNAの特異的で安定したノックアウトは、miRNAの機能を研究する上で不可欠である。miRNAの遺伝子ノックアウトは、miRNAの機能喪失の研究に関する最も信頼できる技術である。近年、CRISPR-Cas9技術が多様なモデルの機能遺伝子の研究に応用されている。さらに、幾つかの刊行物は、CRISPR-Cas9技術がpre-miRNAの末端ループ又は5’領域を標的とすることによってmiRNA発現を抑制し得ることを報告した。本実施例では、宿主遺伝子の発現に影響を与えずに、CRISPR-Cas9によってmiR-33単一及び二重ノックアウトiPSCを作製した。
神経変性疾患は、主に遺伝子の発現レベルの変化を伴うタンパク質症と考えられている。以前の研究では、SPG4由来ニューロンは、ヒトECS由来ニューロンをsiRNAによってSPASTINを枯渇させた場合に観察された表現型に類似する、より短く、且つより分岐の少ない一次神経突起の数がより少ないことが示された。さらに、SPG4由来ニューロンにおけるSPASTINの過剰発現は、それらの病理学的表現型を回復させ、このことは、SPG4表現型がSPASTIN投与量に依存することを示唆している。HSP-SPG4患者に見られる突然変異の圧倒的大部分は、突然変異SPAST対立遺伝子から生成されたSPASTINの微小管作用活性を無効にし、理論的には数が少ないがより安定した微小管の蓄積が生じ26、発生において神経系異常を引き起こすことである。
本実施例では、本発明者等は、miR-33の阻害が1つの正常な対立遺伝子の転写の促進を介してSPASTINレベルを増加させることができ、続いて病理学的表現型を減少させると仮説を立てた。この仮説に対処するために、1人のSPG4患者と対照者からiPSCを生成した。以前の研究と一致して、本発明者等のSPAST IVS9+1 G→A変異を有するSPG4由来ニューロンが神経突起の長さ及び分枝の障害を示すことが観察された。さらに、結合部位を含む3’UTRを有するか又は有しないSPASTのいずれかの過剰発現を伴う同時トランスフェクトされたCMV駆動miRコントロールが、SPG4由来ニューロンにおける神経突起の長さ及び正常分枝を回復させるのに十分であることを観察した。一方、3’UTRを有するSPASTを伴う同時トランスフェクトされたCMV駆動miR-33aは、3’UTRを有しないSPASTの場合には観察されなかった神経突起表現型の回復を損なった。本発明者等のデータは、miR-33aがSPAST発現を直接調節し、SPG4由来ニューロンの神経表現型に影響を及ぼすことを示した。
幾つかのsiRNA、アンチセンスオリゴヌクレオチド(ASO)及びLNAは、現在、様々な疾患の臨床試験において研究中である。本実施例では、miR-33aのLNAに基づく薬理学的阻害が、SPG4由来皮質ニューロンにおいて神経突起の長さを回復させることが示された。miRNA発現プロファイリング研究は、当初癌分野で行われ、特定のmiRNA(miR-33を含む)が、腫瘍抑制機能又は腫瘍形成能を有するとして同定されている。最近、miRNAプロファイル研究により、アルツハイマー病(AD)及びパーキンソン病(PD)等の神経変性疾患において示差的に発現されるmiRNAが同定された。本発明者等は、本発明者等のSPG4由来ニューロンにおけるmiR-33aの発現の増強を観察し、これはmiR-33aのLNAに基づく阻害の実質的効果を説明し得る。HSPは、SPASTIN(SPG4)、ATLASTIN-1(SPG3)及びREEP1(SPG31)タンパク質をコードする遺伝子の変異によって引き起こされる。これまでの報告では、これらのタンパク質が互いに結合して、細胞全体に管状小胞体ネットワークを形成し、脂質液滴の形成及び拡大にも関与していることが示された。さらに、HSP遺伝子の劣性形態は、DDHD1及びDDHD2等の脂肪酸代謝に関与する遺伝子発現の変化に関連付けられている。これらのデータ及びSpast-knockdown Neuro 2a系統を用いた本発明者等の実験は、HSPの脂質代謝の変化が、本発明者等のSPG4由来ニューロンにおいてmiR-33aを上昇させる可能性があることを示唆した。
まとめると、本発明者等は、遺伝性痙性対麻痺(HSP-SPG4)の原因遺伝子の1つであるSPASTが、ヒトにおいてmiR-33の新規標的遺伝子であることを同定した。LNAによるmiR-33aの阻害は、SPG4由来皮質ニューロンの神経突起長の減少等の病理学的表現型を正常化した。本発明者等のデータは、miR-33aがSPG4の治療のための潜在的な治療法であり得ることを示した。
4.方法
4-1.iPSCの生成と細胞培養
以前に報告されているように(Okita,K.et al.Stem Cells.31,458-466(2013))、OCT3/4、Sox2、Klf4、L-Myc、Lin28及びドミナントネガティブp53、又はOCT3/4、Sox2、Klf4、L-Myc、Lin28及びp53-shRNAのためのエピソームベクターを用いて、末梢血単核細胞(PBMC)又はTリンパ球からSPG4患者のiPSCを作製し、4ng/mlの塩基性繊維芽細胞増殖因子(FGF;Wako Chemicals,Osaka,Japan)及びペニシリン/ストレプトマイシンを補充したヒトiPSC培地(霊長類胚性幹細胞培地;ReproCELL,Yokohama,Japan)を用いてSNLフィーダー層上で培養した。
4-2.遺伝子ターゲティングのためのプラスミドの構築
CRISPR-Cas9nプラスミドについては、ガイドRNAを、CRISPR Design(http://crispr.mit.edu/)を用いて設計した。ガイドRNAオリゴヌクレオチド(表1)を、pHL-Ha-ccdBプラスミドに挿入した。供与体プラスミドを構築するために、選択カセット及びPCRによって増幅されたゲノム配列5’及び3’の断片を挿入することによってpBluescript SK(+)を改変した。各相同アームを、In-Fusion HDクローニングキット(Clontech,Mountain View,CA)を用いて5’及び3’相同性アームとして結合させた。
4-3.遺伝子ターゲティングによるiPSCのゲノム編集
CRISPR-Cas9nのトランスフェクションについては、NEPA21エレクトロポレーター(Nepa Gene,Chiba,Japan)を用いて、それぞれ3μgの2つのgRNAプラスミド、5μgのCas9n(D10A Cas9)プラスミド及び10μgのドナープラスミドで、1×106個のiPSCをエレクトロポレーションした。トランスフェクションした細胞を、フィーダー細胞上にプレーティングし、10μMのY-27632を補充したヒトES培地で1日間培養した。トランスフェクションの3日後、ネオマイシン及び/又はピューロマイシン選択を適用し、10日間続けた。耐性コロニーを取り出し、ゲノムDNA抽出及びPCRスクリーニングのために拡大した。選択カセットを除去するために、エレクトロポレーションによりCreリコンビナーゼを発現するプラスミド(pCXW-Cre-Puro)で細胞を一過的にトランスフェクションし、ピューロマイシン耐性コロニーを選択した。選択カセット切除並びにmiR-33a及び/又はmiR-33bの二重対立遺伝子欠失は、ゲノムPCRスクリーニング及びサンガー配列決定分析によって確認した。
4-4.皮質ニューロン分化の誘導
ヒトiPSCを単一細胞に解離させ、100%エタノール中の2%Pluronic(Sigma-Aldrich,St.Louis,MO)で予めコーティングした浮遊培養用のU底96ウェルプレート(Greiner Bio-One,Frick-enhausen,Germany)において迅速に再凝集させた。胚様体(EB)の凝集体を、神経誘導段階(0~8日目)において5%DFK培地(Dulbecco’s modified Eagle’s medium/Ham’s F12(Sigma-Aldrich)、5%KSR(Gibco,Waltham,MA)、NEAA(Invitrogen)、L-グルタミン(Sigma-Aldrich)、0.1M 2-メルカプトエタノール(Invitrogen);2μM ドルソモルフィン及び10μM SB431542(Wako Chemicals)を含む又は有さない)中で培養した。誘導後、EBをマトリゲル(Becton Dickinson)コーティング6ウェル培養プレート上に移し、1×N2supplement(Invitrogen)、2μM ドルソモルフィン及び10μM SB431542を補充して、パターニング段階(8~24日目)において培養した。パターニング段階後、遊走した神経前駆細胞を、Accutase(Innovative Cell Technologies,Inc.)を用いてプレート底から分離して、ビタミンAを含まない1xB27(Invitrogen/Gibco)、1xGlutamax(Invitrogen/Gibco)、10ng/ml BDNF、10ng/ml GDNF及び10ng/ml NT-3を補充したNeurobasal medium FULL,Neurobasal medium(Invitrogen/Gibco)中、マトリゲルでコーティングした12ウェル若しくは24ウェル培養プレート又はカバースリップ上で、神経成熟段階において培養し、次いで、実験まで培養した。
4-5.ウェスタンブロッティング
ウェスタンブロッティングは、既述の標準的な方法を用いて行った40。サンプルを、100mM Tris-HCl,pH7.4、75mM NaCl及び1% Triton X-100(Nacalai Tesque)から成る溶解バッファーで溶解した。溶解バッファーに、使用直前に完全ミニプロテアーゼインヒビター(Roche)、ALLN(25μg ml-1)、0.5mM NaF及び10mM Na3VO4を補充した。タンパク質濃度は、ビシンコニン酸(BCA)タンパク質アッセイキット(Bio-Rad)を用いて測定した。全てのサンプル(タンパク質10μg)を溶解バッファーに懸濁し、NuPAGE 4-12%Bis-Tris(Invitrogen)ゲルを用いて分画し、Protranニトロセルローストランスファーメンブレン(Whatman)に転写した。メンブレンを、5%脱脂乳を含む1×リン酸緩衝食塩水(PBS)を用いて1時間ブロッキングし、SPASTINに対する一次抗体(S7074,Sigma-Aldrich)、ABCA1に対する一次抗体(NB400-105,Novus Biologicals)、SREBP-1に対する一次抗体(2A4、Santa Cruz)、SREBP-2に対する一次抗体(Cayman)、TF2Bに対する一次抗体(EP4588,Abcam)、βアクチンに対する一次抗体(C4,Santa Cruz)と共に4℃で一晩インキュベートした。PBS-0.05%Tween20(0.05%T-PBS)中での洗浄ステップの後、メンブレンを二次抗体(抗ウサギ又は抗マウスIgG HRP結合;1:2,000)と共に室温で1時間インキュベートした。次いで、メンブレンを0.05%T-PBSで洗浄し、LAS-4000システム(GE Healthcare Life Science)を用いて、ECLウェスタンブロット検出試薬(GE Healthcare)で検出した。
4-6.RNA抽出及びqPT-PCR
TriPure Isolation Reagent(Roche)を用いて全RNAを単離精製し、Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit(Roche)を用いて製造業者の説明書に従って、100ngの全RNAからcDNAを合成した。定量的RT-PCRのために、SYBR Green PCR Master Mix(Applied Biosystems)を用いて、特定の遺伝子を40サイクルで増幅した。発現は、ハウスキーピング遺伝子である18SリボソームRNAに対して正規化した。遺伝子特異的プライマーを表2に示す。
全RNAを、TriPure Isolation Reagent(Roche)を用いて単離した。miR-33を、TaqMan MicroRNAアッセイ(Applied Biosystems)プロトコルに従って測定し、生成物をサーマルサイクラー(ABI Prism7900HT配列検出システム)を用いて分析した。サンプルを、U6 snRNA発現によって標準化した。また、miR-33a及びmiR-33bのオリゴヌクレオチド16pM、4pM、1pM、250fM、62.5fM及び15.625fMを測定し、検量線を作成した。サンプルの吸光度値を計算して濃度を算出した。
4-8.デュアルルシフェラーゼアッセイ
SPASTの3’-UTRの完全長PCR断片をヒトiPSC cDNAから増幅し、psi-CHECK2-let-7 8Xベクター(addgene)にサブクローニングした。WT又は変異体3’-UTRルシフェラーゼレポーター遺伝子を作製するために、以下のSPAST 3’-UTRの断片をpsi-CHECK2-let-7 8Xベクターに挿入した:
ルシフェラーゼ活性は、以前に記載のように測定した41。
4-9.SPASTIN及びGFPの過剰発現
SPASTの全長3’-UTRを有するか又は有しないヒトSPASTをヒトiPSCからクローニングし、pCMV-IRES-GFPベクターに挿入し、次いでCMVプロモーターを、比較的ニューロン特異的なシナプシンIプロモーターと置換した。製造者のプロトコル(Invitrogen)に従って、293FT細胞中にレンチウイルスストックを産生した。要するに、トランスフェクションの48時間後にウイルス含有培地を回収し、0.45μmフィルターで濾過した。細胞に、SPAST、3’-UTRを有するSPAST又は空のGFPコントロールレンチウイルスを感染させた。神経細胞培養物をDNA形質導入後10日間分化させた。感染細胞はGFPで強調された。
4-10.LNA-アンチ-miR-33による細胞トランスフェクション
製造者の説明書に従って、Lipofectamine RNAiMAX(Invitrogen)を用いて、10nM LNA-アンチ-miR-33又はLNA-コントロールで細胞をトランスフェクトした。トランスフェクションの48時間後に、細胞を分析に使用した。
LNA-アンチ-miR-33は、以下の配列を有する核酸である:
また、LNA-コントロールは、以下の配列を有する核酸である:
(表記規則)N(L)=LNA,5(L)=LNA_mC(5-メチルシトシン),^=ホスホロチオエート結合。
4-11.免疫細胞化学
細胞を、室温で30分間4%パラホルムアルデヒド(pH7.4)において固定し、PBSでリンスした。細胞を、室温で10分間、0.2%Triton-X 100を含有するPBS中で透過処理し、続いてPBSでリンスした。非特異的結合を、Block Ace(DS pharmabiomedical)で室温で60分間ブロックした。細胞を、一次抗体と共に4℃で一晩インキュベートし、次いで適切な蛍光標識二次抗体で標識した。核を標識するためにDAPI(DOJINDO)を使用した。以下の一次抗体を免疫細胞化学で使用した:
βIIIチューブリン(1:1000,CST,5568S)。免疫細胞化学の陽性カウント率を評価するために、ArrayScanによる自動顕微鏡検査を用いて細胞を画像化し、HCSStudio 2.0細胞分析ソフトウェア(Thermo Fisher Scientific)を用いて、免疫染色構造を計数した。
4-12.統計分析
データは、平均±平均の標準誤差(SEM)として示される。統計的比較は、図の凡例に示すように、独立t検定又はSidak事後検定(3つ以上の群)を用いた一元配置分散分析(ANOVA)を用いて行った。<0.05のp値を統計学的に有意とみなし、GraphPad Prism 6(GraphPad Software,Inc.)を用いて統計分析を行った。
Claims (4)
- miR-33aにハイブリダイズし、且つ該miR-33aの機能を阻害する核酸を有効成分として含有する、遺伝性痙性対麻痺SPG4の予防又は治療用組成物。
- 前記核酸が、miR-33aにハイブリダイズし、且つ該miR-33aの機能を阻害するアンチセンスオリゴヌクレオチドである、請求項1記載の組成物。
- 前記アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号1記載の塩基配列の相補鎖又はその12塩基以上の連続した塩基配列から成る、請求項2記載の組成物。
- 前記アンチセンスオリゴヌクレオチドが、配列番号24記載の塩基配列から成り、且つ該塩基配列における各ヌクレオチド間結合がホスホロチオエート結合である、請求項3記載の組成物。
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Choy | The role of Npas4 in Neuroprotection and neurogenesis |
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