東京大学・廣川研究室との共同研究成果が論文になりました

J Cell Biol. 2023 Feb 6;222(2):e202208108. doi: 10.1083/jcb.202208108. Epub 2022 Dec 8.

KIF4 regulates neuronal morphology and seizure susceptibility via the PARP1 signaling pathway (KIF4はPARP1シグナル伝達経路を介してニューロンの形態とてんかん発作感受性を制御する)


Yuansong Wan 1, Momo Morikawa 1 2, Manatsu Morikawa 1, Suguru Iwata 1 2, Muhammad Imran Naseer 3, Adeel Gulzar Ahmed Chaudhary 3, Yosuke Tanaka 1, Nobutaka Hirokawa 1

  • 1Department of Cell Biology and Anatomy, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo, Tokyo, Japan.
  • 2Department of Anatomy and Neuroscience, Faculty of Medicine, University of Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki, Japan.
  • 3Center of Excellence in Genomic Medicine Research, King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi Arabia.

Abstract

Epilepsy is a common neurological disease worldwide, and one of its causes is genetic abnormalities. Here, we identified a point mutation in KIF4A, a member of kinesin superfamily molecular motors, in patients with neurological disorders such as epilepsy, developmental delay, and intellectual disability. KIF4 is involved in the poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) signaling pathway, and the mutation (R728Q) strengthened its affinity with PARP1 through elongation of the KIF4 coiled–coil domain. Behavioral tests showed that KIF4-mutant mice exhibited mild developmental delay with lower seizure threshold. Further experiments revealed that the KIF4 mutation caused aberrant morphology in dendrites and spines of hippocampal pyramidal neurons through PARP1-TrkB-KCC2 pathway. Furthermore, supplementing NAD, which activates PARP1, could modulate the TrkB-KCC2 pathway and rescue the seizure susceptibility phenotype of the mutant mice. Therefore, these findings indicate that KIF4 is engaged in a fundamental mechanism regulating seizure susceptibility and could be a potential target for epilepsy treatment.

てんかんは世界的に頻度の高い神経疾患であり、その原因の一つとして遺伝子異常が挙げられている。ここでは、てんかん、発達遅滞、知的障害などの神経疾患患者において、キネシンスーパーファミリーの分子モーターのメンバーであるKIF4Aの点変異を同定しました。KIF4はポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼ(PARP)シグナル伝達経路に関与しており、変異(R728Q)はKIF4のコイルドコイルドドメインの伸長によりPARP1との親和性が強化されていた。行動学的実験の結果、KIF4変異マウスは軽度の発達遅延を示し、発作の閾値が低いことがわかった。さらに、KIF4変異体はPARP1-TrkB-KCC2経路を介して海馬の錐体細胞の樹状突起とスパインの形態異常を引き起こすことを実験的に明らかにした。さらに、PARP1を活性化するNADを補充することで、TrkB-KCC2経路を調節し、変異マウスの発作感受性表現型を回復させることができた。したがって、これらの知見は、KIF4が発作感受性を制御する基本的なメカニズムに関与していることを示し、てんかん治療のターゲットとなる可能性があることを示した。

Subjects:

Cell signalingNeuroscience

PARP

ポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼ(PARP).PARPは,核DNAに生じた一本鎖切断端を認識してDNAに結合する.核DNAに結合したPARPは活性化され,ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)を基質としてPARP自身やDNA修復関連タンパク質にADP-リボースを付加し,ポリ-ADP-リボシル化を引き起こす.通常,ポリ-ADP-リボシル化はDNA修復反応を活性化するが,過度のPARPの活性化はNADとATPの枯渇,さらにミトコンドリアに局在するアポトーシス誘導因子(AIF)の切断を誘導する.切断されて細胞質に放出されたAIFはミトコンドリアに局在していたエンドヌクレアーゼGとともに核に移行し,核DNAの断片化(〜50 kb程度)を引き起こし,細胞死を誘導する.(実験医学online)

Discussion

本研究では、KIF4変異(R728Q)が高次脳機能に顕著な影響を与えることを明らかにした。Kif4Mut/Yマウスは発作を起こしやすい表現型を示し、脳波記録では不規則なスパイクとスローウェーブの複合パターンが観察された。さらに、KIF4変異はPARP1との相互作用を強化し、細胞生存、ニューロン分岐、樹状突起スパインの形態に影響を与えることが示された。さらに、KIF4変異体では、TrkB-KCC2シグナル伝達経路の制御異常が生じ、細胞内の塩化物ホメオスタシスが損なわれていることを明らかにした。また、薬物治療によりPARP1を活性化すると、in vitroおよびin vivoの表現型が回復することから、KIF4とPARP1がてんかんの予防に重要であることが示された(図9 E)。

KIF4のコイルドコイルドドメインの変異は、そのカーゴタンパク質であるPARP1との結合親和性を強化し、その活性を抑制することを明らかにした(図9 E)。この変異は、TrkB-KCC2軸、神経細胞の分岐、樹状突起スパインの形態、細胞内の塩化物ホメオスタシスも変化させ(図9 E)、それによって同じ変異を持つ様々な患者の症状を発症させる。本研究は、新規治療薬の開発に役立つ抗てんかん薬標的の可能性を提供するものである。

The genomic background of patients and the Kif4-mutant mice exhibit a high embryonic mortality rate and developmental delay. (A) The pedigree chart of a Kif4 mutation-carrying family. Note that III-1, IV-1, and IV-2 (Kif4aWT/Mut) exhibited no symptoms, whereas IV-3 (Kif4aMut/Y) showed global developmental delay, severe intellectual disability, and intractable seizure. (B) Illustration of the mouse KIF4 protein with its point mutation identified from the patients. LCR, low complexity region; CC, coiled coil; CXC, tesmin/TSO1-like CXC domain. (C) Coiled–coil prediction of the mouse KIF4 peptide from amino acid 524–732. Note that the Mut-KIF4 has a higher coil probability, as indicated with the asterisks. (D) Mouse mating strategy and the mortality rate. The embryonic mortality rate of Kif4 mutation-carrying mice (Mut, 26%) is significantly higher than that of wild-type mice (WT, 7%) Data are presented as mean ± SEM (n = 12 mating mouse pairs). ***P < 0.001 (Student’s t tests). (E) The composition of the offspring genotypes from the Kif4-mutant background exhibited a lower Kif4Mut/Y pup population (n = 6 mating mouse pairs). (F) The photograph of Kif4WT/Y and Kif4Mut/Y mice at E16.5 and the statistical analysis results of embryo size. Data are presented as mean ± SEM (n = 8 mouse pairs). ****P < 0.0001 (Student’s t tests). (G) The postnatal weight comparison between Kif4WT/Y and Kif4Mut/Y mice from P3 to P14. Data are presented as mean ± SEM (n = 12 mouse pairs). *P < 0.05, **P < 0.01 (two-way ANOVA). (H) The assessment of Kif4WT/Y and Kif4Mut/Y mouse developmental milestones. Note that Surface Righting, Auditory, Open field, and Air Righting exhibited statistical significance. Data are presented as mean ± SEM (n = 12 mouse pairs). *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001 (two-way ANOVA). (I) HE staining of sagittal mouse brain sections from the indicated genotypes at E16.5 and the corresponding statistical analysis of the hippocampal cell density. The red stars in the left panels indicate the hippocampus regions that are magnified in the right panels. Scale bars, 1000 μm (left panel) and 100 μm (right panel). Data are presented as mean ± SEM (n = 12 hippocampi from 6 mouse pairs). ****P < 0.0001 (Student’s t tests).
The in vivo PARP1 activity regulates epileptic behavior (A-D) and graphical model summarizing the molecular mechanism of the KIF4 mutation-induced epilepsy (E). (A–D) The results of the PTZ kindling test. The chart representing the seizure stage classification (A) of the individual scores from mice with indicated genotypes and treatments, before and after the PTZ injection. Statistical analysis results of the cumulative number of maximum (B) and all (C) seizure stage, and the ratio of the occurrence of stage 4 (D). Data are presented as mean ± SEM (n = 10 mouse pairs). ****P < 0.0001 (two-way ANOVA). (E) Schematic model of the involvement of KIF4 in epileptogenesis. (a) The WT-KIF4 moderately binds to PARP1, and the cell exhibits a baseline level of PAR in the nucleus. (a′) Mut-KIF4 excessively binds to PARP1, and the cell exhibits a dramatically inhibited PARP1 activity. (b and b′) The suppressed PARP1 activity can alter the TrkB-KCC2 expression in the mutant group. Meanwhile, the aberrant protein expression triggers a higher intracellular chloride concentration. (c–d′) Subsequently, the hyper-branched dendrites and immature dendritic spines are dominantly observed in the mutant neuron.

東京大学プレスリリース

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