Cell Reports Volume 43, Issue 3, 26 March 2024, 113964

Nuclear microRNA-mediated transcriptional control determines adult microglial homeostasis and brain function (核内マイクロRNAによる転写制御が成体ミクログリアの恒常性と脳機能を決定する)

Zhu Li ¹, Kexin Mao ², Lin Liu ¹, Shengyun Xu ¹, Min Zeng ¹, Yu Fu ¹, Jintao Huang ¹, Tingting Li ¹, Guoan Gao ¹, Zhao-Qian Teng ³, Qinmiao Sun ⁴, Dahua Chen ⁵, Ying Cheng ⁶

Institute of Biomedical Research, Yunnan University, Kunming 650500, China.

Abstract

Microglia are versatile regulators in brain development and disorders. Emerging evidence links microRNA (miRNA)-mediated regulation to microglial function; however, the exact underlying mechanism remains largely unknown. Here, we uncover the enrichment of miR-137, a neuropsychiatric-disorder-associated miRNA, in the microglial nucleus, and reveal its unexpected nuclear functions in maintaining the microglial global transcriptomic state, phagocytosis, and inflammatory response. Mechanistically, microglial Mir137 deletion increases chromatin accessibility, which contains binding motifs for the microglial master transcription factor Pu.1. Through biochemical and bioinformatics analyses, we propose that miR-137 modulates Pu.1-mediated gene expression by suppressing Pu.1 binding to chromatin. Importantly, we find that increased Pu.1 binding upregulates the target gene Jdp2 (Jun dimerization protein 2) and that knockdown of Jdp2 significantly suppresses the impaired phagocytosis and pro-inflammatory response in Mir137 knockout microglia. Collectively, our study provides evidence supporting the notion that nuclear miR-137 acts as a transcriptional modulator and that this microglia-specific function is essential for maintaining normal adult brain function.

ミクログリアは、脳の発達や疾患において多方面にわたる制御因子である。マイクロRNA（miRNA）を介した制御とミクログリア機能との関連を示す新たな証拠も出てきているが、その正確なメカニズムは未だ不明である。今回われわれは、神経精神疾患に関連するmiRNAであるmiR-137がミクログリア核に濃縮されていることを明らかにし、ミクログリアのグローバルなトランスクリプトーム状態の維持、貪食、炎症反応におけるその予想外の核機能を明らかにした。生化学的解析とバイオインフォマティクス解析により、miR-137はPu.1のクロマチンへの結合を抑制することで、Pu.1が介在する遺伝子発現を調節することが示唆された。重要なことは、Pu.1結合の増加が標的遺伝子Jdp2（Jun dimerization protein 2）をアップレギュレートすること、そしてJdp2をノックダウンすると、Mir137ノックアウトミクログリアにおける貪食障害と炎症反応が有意に抑制されることである。以上のことから、本研究は、核内miR-137が転写調節因子として働き、このミクログリア特異的な機能が正常な成体脳機能の維持に必須であるという考えを支持する証拠を提供するものである。

Keywords: CP: Molecular biology; CP: Neuroscience; Jdp2; Pu.1; chromatin; miR-137; microglia; neurodevelopment; nuclear miRNA; transcription.

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Abstract: 本研究では、miR-137がミクログリアの核内で豊富に存在し、非典型的な転写調節機能を持つことが明らかになった。miR-137の欠失は、ミクログリアのクロマチンアクセシビリティおよびトランスクリプトーム状態を変化させる。また、転写因子Pu.1と相互作用し、そのDNA結合活性を弱めることでPu.1による遺伝子発現を抑制する。これにより、成体ミクログリアの恒常性および正常な脳機能の維持に寄与することが示された。

Background: マイクロRNA（miRNA）は、哺乳類の細胞で核に濃縮されていることが報告されており、核機能に直接的な影響を与える可能性がある。しかし、これまでmiRNAが核でどのように機能しているかはほとんど解明されていなかった。miR-137は精神疾患、特に自閉スペクトラム症（ASD）および統合失調症に関連があり、ニューロンおよびグリア細胞において重要な役割を果たすことが知られている。

Methods: miR-137のミクログリア特異的ノックアウトマウス（cKO）を作製し、その後7日間のタモキシフェン処理によってmiR-137の欠失を誘導した。これにより、ミクログリアのトランスクリプトーム解析、クロマチンアクセシビリティの評価、Pu.1の転写調節およびJdp2の発現解析などを実施した。

Results

1. miR-137の核内濃縮: miR-137はミクログリアの核内に顕著に存在しており、他の脳細胞（ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイト）に比べて特異的に濃縮されている。この発見から、miR-137がミクログリアで特定の核内機能を果たしている可能性が示唆される。
2. miR-137欠失によるミクログリアのクロマチンアクセシビリティ増加: miR-137の欠失（cKOマウス）によって、ミクログリアのクロマチンアクセシビリティが広範囲で増加することが明らかになった。特に、クロマチンアクセシビリティの増加した領域には、転写因子Pu.1の結合モチーフが豊富に存在していることが確認された。この結果は、miR-137が転写調節を介してミクログリアの遺伝子発現を制御している可能性を示している。
3. miR-137とPu.1の相互作用: 生化学およびバイオインフォマティクス解析の結果、miR-137が転写因子Pu.1と相互作用し、そのDNAへの結合を抑制することが明らかになった。miR-137の欠失により、Pu.1の結合が増加し、Pu.1によって調節される遺伝子の発現が上昇することが示された。
4. Jdp2の発現調節: Pu.1のターゲット遺伝子であるJdp2（Jun dimerization protein 2）は、miR-137の欠失によってその発現が増加することが確認された。さらに、Jdp2をノックダウンすることで、miR-137欠失によるミクログリアの貪食能の低下および炎症反応の増加が改善されることが示された。このことから、Jdp2がmiR-137-Pu.1軸の重要な標的であると考えられる。
5. miR-137欠失によるミクログリアの機能異常: miR-137欠失マウスでは、ミクログリアの貪食能が低下し、炎症関連因子の増加が観察される。また、ニューロンの傷害およびシナプスの形態変化が促進され、神経機能に悪影響を与える可能性が示唆される。

Discussion

1. 核内miR-137の転写制御機能: 本研究は、miR-137がミクログリアの核内でPu.1との相互作用を介して転写調節機能を持ち、ミクログリアの遺伝子発現と恒常性を維持する重要な役割を果たしていることを初めて示したものである。これは、miRNAの細胞質における既知の機能（ポストトランスクリプショナルサイレンシング：PTGS）とは異なる新たな機能であり、核内miRNAの新しい役割を示唆している。
2. Pu.1とJdp2の調節軸: miR-137はPu.1のDNA結合活性を阻害することで、Pu.1による遺伝子発現を制御している。その標的遺伝子であるJdp2の発現がmiR-137欠失により上昇し、Jdp2のノックダウンによりミクログリアの機能異常が改善されることから、Jdp2がミクログリア機能の調節に重要であると考えられる。
3. ミクログリアの恒常性維持への影響: miR-137の欠失は、ミクログリアを恒常的な状態から免疫応答状態へと変化させることが明らかになった。この変化は、炎症反応の促進、貪食能の低下、そしてニューロンの損傷などを引き起こし、脳機能に大きな影響を与えると考えられる。
4. miR-137の臨床的意義: miR-137は、精神疾患（統合失調症や自閉スペクトラム症）と関連しており、その欠失や異常がミクログリア機能に影響を与えることから、miR-137がこれらの疾患の病態に関与している可能性がある。これにより、miR-137やその調節軸（Pu.1-Jdp2）を標的とした新たな治療戦略の可能性が示唆される。

本研究はマウスモデルを用いたものであり、ヒトの脳におけるmiR-137の正確な機能や臨床的意義についてはさらなる研究が必要である。また、miR-137による転写制御の詳細なメカニズム解明や他の標的遺伝子の探索も今後の課題である。

ミクログリアは中枢神経系の主要な免疫細胞であり、その機能は脳の恒常性維持に不可欠である。miRNAはミクログリアの様々な側面を調節していることが明らかになっている。

主な知見を簡潔にまとめると：

活性化と炎症応答： 特定のmiRNAがミクログリアの活性化と炎症性サイトカインの産生を制御している。

貪食作用： いくつかのmiRNAがミクログリアの貪食能力に影響を与え、老廃物や異常タンパク質の除去を調節している。

形態変化： miRNAはミクログリアの形態変化にも関与し、その運動性や突起の伸展を制御している。

発達と成熟： 特定のmiRNAがミクログリアの発達と成熟過程を調節していることが示されている。

神経保護と修復： 一部のmiRNAは神経保護因子の産生を制御し、脳の修復プロセスに関与している。

疾患との関連： ミクログリアのmiRNA発現異常が、神経変性疾患や精神疾患の病態に関与している可能性が示唆されている。

本日は、医学類M3のSさんが研究進捗報告を、同じくM3のHさんが論文紹介してくださいました。