Cell. 2024 Jun 24:S0092-8674(24)00639-1. doi: 10.1016/j.cell.2024.05.058.

Microglial-derived C1q integrates into neuronal ribonucleoprotein complexes and impacts protein homeostasis in the aging brain (ミクログリア由来C1qは神経細胞リボ核タンパク質複合体に統合され、老化脳におけるタンパク質のホメオスタシスに影響を及ぼす)

Nicole Scott-Hewitt ¹, Matthew Mahoney ², Youtong Huang ³, Nils Korte ³, T Yvanka de Soysa ³, Daniel K Wilton ³, Emily Knorr ², Kevin Mastro ³, Allison Chang ², Allison Zhang ², David Melville ², Monica Schenone ⁴, Christina Hartigan ⁴, Beth Stevens ⁵

F.M. Kirby Neurobiology Center, Boston Children’s Hospital, Boston, MA 02115, USA; The Stanley Center for Psychiatric Research, Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, MA 02142, USA. Electronic address: nicole.scott-hewitt@childrens.harvard.edu.

医学類3年のSさんが、論文紹介してくださいました！

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Highlights

• •Microglial C1q accumulates in neuronal ribonucleoprotein (RNP) complexes across aging
• •C1q protein undergoes RNA-mediated liquid-liquid phase separation
• •RNA is necessary for C1q interactions with neuronal RNP complexes in vivo
• •Adult C1qKO mice have elevated neuronal translation and altered brain proteostasis

Abstract

Neuroimmune interactions mediate intercellular communication and underlie critical brain functions. Microglia, CNS-resident macrophages, modulate the brain through direct physical interactions and the secretion of molecules. One such secreted factor, the complement protein C1q, contributes to complement-mediated synapse elimination in both developmental and disease models, yet brain C1q protein levels increase significantly throughout aging. Here, we report that C1q interacts with neuronal ribonucleoprotein (RNP) complexes in an age-dependent manner. Purified C1q protein undergoes RNA-dependent liquid-liquid phase separation (LLPS) in vitro, and the interaction of C1q with neuronal RNP complexes in vivo is dependent on RNA and endocytosis. Mice lacking C1q have age-specific alterations in neuronal protein synthesis in vivo and impaired fear memory extinction. Together, our findings reveal a biophysical property of C1q that underlies RNA- and age-dependent neuronal interactions and demonstrate a role of C1q in critical intracellular neuronal processes.

神経免疫相互作用は細胞間コミュニケーションを媒介し、重要な脳機能を支えている。中枢神経系に常在するマクロファージであるミクログリアは、直接的な物理的相互作用と分子の分泌を通じて脳を調節している。そのような分泌因子のひとつである補体タンパク質C1qは、発生・疾患モデルの両方において、補体を介したシナプス除去に寄与しているが、脳のC1qタンパク質レベルは加齢によって著しく増加する。今回我々は、C1qが年齢依存的に神経細胞リボ核タンパク質（RNP）複合体と相互作用することを報告した。精製C1qタンパク質はin vitroでRNA依存的液液相分離（LLPS）を起こし、in vivoでのC1qと神経細胞RNP複合体との相互作用はRNAとエンドサイトーシスに依存している。C1qを欠損したマウスでは、in vivoでの神経細胞タンパク質合成が年齢特異的に変化し、恐怖記憶の消失が障害された。これらの結果から、C1qの生物物理学的特性が、RNAおよび年齢依存的な神経細胞間相互作用の根底にあることが明らかになり、C1qが細胞内の重要な神経細胞プロセスにおいて重要な役割を果たしていることが示された。

Keywords: C1q; RNA granule; RNA-binding protein; complement; liquid-liquid phase separation; microglia; neuroimmune; neuronal translation; polysome; ribonucleoprotein complex.

概要 (Abstract)
本研究は、ミクログリアから分泌される補体タンパク質C1qが加齢に伴って神経細胞に取り込まれ、RNA媒介による神経リボヌクレオプロテイン(RNP)複合体との相互作用を行い、神経タンパク質の翻訳と恒常性に影響を与えることを明らかにしている。

背景 (Background)
C1qはミクログリアによって分泌される補体タンパク質であり、発達や病気モデルにおけるシナプスの除去に関与しますが、加齢に伴って脳内C1qタンパク質レベルが大幅に増加します。本研究は、C1qが加齢依存的に神経細胞内のRNP複合体と相互作用することを報告している。

結果

1. C1qとRNP複合体の加齢に伴う相互作用
   研究では、C1qタンパク質が加齢に伴い神経リボヌクレオプロテイン (RNP) 複合体に統合されることが示された。具体的には、C1qが若年から成人までの脳組織の粗シナプトソームから共免疫沈降（C1qIP）され、質量分析によりその相互作用するタンパク質が特定された。C1qの相互作用タンパク質は加齢に伴って変化し、若年時には細胞外領域のタンパク質と相互作用していたものが、成人期には主に細胞内活動に関連するタンパク質と相互作用するように変化した。
2. C1qのRNA依存性液-液相分離 (LLPS)
   C1qは、試験管内でRNA依存的に液-液相分離 (LLPS) を行うことが確認された。RNAは、C1qが神経RNP複合体と相互作用するために不可欠であり、C1qはRNA依存的に凝集し、ドロップレットを形成する。この現象はRNAを前処理することによって防止された。
3. C1q欠損マウスでの神経翻訳の変化
   成人期のC1q欠損マウス (C1qKO) では、脳のタンパク質合成が増加し、恐怖記憶の消去に障害があることが確認された。特に、puromycinを使用したin vivoでの翻訳量測定では、1歳のC1qKOマウスでpuromycinの取り込みが有意に増加しており、これはC1qの欠損が神経翻訳の増加を引き起こすことを示している。
4. 脳全体のタンパク質恒常性の変化
   プロテオミクス解析により、C1qKOマウスの脳ではミトコンドリア関連のタンパク質が増加しており、C1qが神経のタンパク質恒常性とエネルギー代謝に影響を与える可能性が示唆された。これに対し、野生型(WT)マウスでは、セプチン複合体関連タンパク質が豊富に見られ、神経の構造やシナプス機能に関与している可能性が考えられる。

議論 (Discussion)

1. C1qの新しい細胞内機能
   研究は、C1qが従来の補体系の一部としての機能だけでなく、神経細胞内でRNAを介してリボヌクレオプロテイン (RNP) 複合体に統合される新しい細胞内機能を持つことを明らかにした。これにより、C1qが神経細胞の翻訳とタンパク質恒常性に影響を与え、老化に伴う神経機能の変化を引き起こす可能性が示されている。
2. 液-液相分離 (LLPS) の重要性
   C1qがRNA依存的にLLPSを行い、この現象が神経RNP複合体との相互作用を支えていることが示された。LLPSは細胞内の多くの生物学的過程に関与し、タンパク質とRNAの局所的な濃縮や分離を助けるメカニズムであると考えられる。C1qがこのような相分離を介して神経細胞内で重要な役割を果たしている可能性が示唆される。
3. 老化に伴う神経機能への影響
   C1qが神経細胞のタンパク質翻訳に対する抑制的な役割を果たしている可能性があり、C1q欠損が神経細胞における翻訳活動の増加を引き起こし、これが神経可塑性や記憶機能に影響を与えると考えられる。特に、恐怖記憶の消去障害は、このようなC1qの役割の一端を示していると考えられる。
4. 老化や神経変性疾患におけるC1qの役割
   C1qの異常な機能が、アルツハイマー病などの神経変性疾患におけるストレス顆粒の形成やタンパク質凝集に関与している可能性がある。さらに、C1qが病的タンパク質と相互作用し、それらの毒性から神経を保護する一方で、長期的にはタンパク質恒常性の破綻を引き起こし、シナプス機能の障害を招く可能性があると議論される。

この研究は、C1qが老化脳における神経細胞内で果たす役割を深く理解するための新たな視点を提供し、老化や神経変性疾患の治療標的としてのC1qの可能性を示している。