LONRF2 is a protein quality control ubiquitin ligase whose deficiency causes late-onset neurological deficits

タンパク質のミスフォールディングは、アルツハイマー病、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症（ALS）、前頭側頭葉変性症（FTLD）など、加齢に伴う多くの神経変性疾患の主要な病理学的特徴です。タンパク質品質管理（PQC）システムは、ミスフォールドしたタンパク質が細胞にダメージを与える前に除去するために進化してきたと考えられています。今回、共同研究の成果としてLONRF2が老化ニューロンによって誘導されるPQCユビキチンリガーゼであることを同定し、『Nature Aging』誌に報告しました（貢献内容：ヒト疾患iPS細胞モデルを用いた検証）。

ニューロンは基本的に、ターンオーバーを経ずに個体の生涯を通して機能するため、有毒な副産物を検出して除去するための特別な防御機構が働いていると考えられる。しかし、老化ニューロンがタンパク質の凝集体を標的とし除去する、特殊な因子やメカニズムについては、ほとんど知られていませんでした。まず、RNA配列決定を用いて、ヒト線維芽細胞株においてLONRF2遺伝子が老化に伴って発現上昇していることを見出しました。マウス組織の定量的PCRとシングルセル解析から、Lonrf2は成熟ニューロンで主に発現していることが明らかとなりました。さらにin vitro実験では、Lonrf2が、ALSやFTLDなどの病態でニューロン内に凝集することが知られているミスフォールディングしたTDP43やhnRNP M1タンパク質に結合し、ユビキチン化することが示されました。Lonrf2遺伝子をノックアウトすると、老化マウスで運動ニューロンの変性と小脳失調が見られました。さらに、人工多能性幹細胞（iPS細胞）由来の運動ニューロンにおけるLONRF2の機能喪失は、細胞の生存率の低下、神経突起の短縮、TDP43とG3BP1（TDP43によって制御され、ストレス顆粒の形成に必要なタンパク質）の蓄積を引き起こしました。さらに、アデノ随伴ウイルス（AAV）-LONRF2コンストラクトを用いて複数のALS患者iPS細胞由来運動ニューロンでLONRF2の発現を誘導すると、神経変性のサロゲートマーカーである神経突起の長さが回復し、LONRF2がヒトにおいても神経保護的に働く事を証明しました。

Abstract: Protein misfolding is a major factor of neurodegenerative diseases. Post-mitotic neurons are highly susceptible to protein aggregates that are not diluted by mitosis. Therefore, post-mitotic cells may have a specific protein quality control system. Here, we show that LONRF2 is a bona fide protein quality control ubiquitin ligase induced in post-mitotic senescent cells. Under unperturbed conditions, LONRF2 is predominantly expressed in neurons. LONRF2 binds and ubiquitylates abnormally structured TDP-43 and hnRNP M1 and artificially misfolded proteins. Lonrf2-/- mice exhibit age-dependent TDP-43-mediated motor neuron (MN) degeneration and cerebellar ataxia. Mouse induced pluripotent stem cell-derived MNs lacking LONRF2 showed reduced survival, shortening of neurites and accumulation of pTDP-43 and G3BP1 after long-term culture. The shortening of neurites in MNs from patients with amyotrophic lateral sclerosis is rescued by ectopic expression of LONRF2. Our findings reveal that LONRF2 is a protein quality control ligase whose loss may contribute to MN degeneration and motor deficits.

Author: Li D, Johmura Y, Morimoto S, Doi M, Nakanishi K, Ozawa M, Tsunekawa Y, Inoue-Yamauchi A, Naruse H, Matsukawa T, Takeshita Y, Suzuki N, Aoki M, Nishiyama A, Zeng X, Konishi C, Suzuki N, Nishiyama A, Harris AS, Morita M, Yamaguchi K, Furukawa Y, Nakai K, Tsuji S, Yamazaki S, Yamanashi Y, Shimada S, Okada T, Okano H, Toda T, Nakanishi M.

Journal: Nature Aging 2023. doi: 10.1038/s43587-023-00464-4.