活性型ギンギペインの持続的発現を伴うポルフィロモナス・ジンジバリス感染神経細胞におけるアルツハイマー病様神経変性

Alzheimer's Disease-Like Neurodegeneration in Porphyromonas gingivalis Infected Neurons with Persistent Expression of Active Gingipains.

抄録

背景:

ポルフィロモナス・ジンジバリス（P. gingivalis）とそのジンジパイン病原因子は、アルツハイマー病（AD）の病原性エフェクターとして同定されている。最近の研究では、死後AD脳の90％以上にジンジパインが存在し、ジンジパインは神経細胞の細胞質に局在していることが示された。しかしながら、P. gingivalisによる神経細胞への感染はこれまで報告されていない。

BACKGROUND: Porphyromonas gingivalis (P. gingivalis) and its gingipain virulence factors have been identified as pathogenic effectors in Alzheimer's disease (AD). In a recent study we demonstrated the presence of gingipains in over 90% of postmortem AD brains, with gingipains localizing to the cytoplasm of neurons. However, infection of neurons by P. gingivalis has not been previously reported.

目的:

ヒト誘導性多能性幹細胞（iPSC）由来の神経細胞にP. gingivalisを24、48、72時間感染させた後、in vitroで神経細胞内P. gingivalisおよびギンギパインの発現を証明すること。

OBJECTIVE: To demonstrate intraneuronal P. gingivalis and gingipain expression in vitro after infecting neurons derived from human inducible pluripotent stem cells (iPSC) with P. gingivalis for 24, 48, and 72 h.

方法:

感染は、透過型電子顕微鏡、共焦点顕微鏡、および細菌コロニー形成単位アッセイによって特徴づけられた。ギンギパインの発現は免疫蛍光法およびRT-qPCRでモニターし、プロテアーゼ活性は活性ベースのプローブでモニターした。神経変性エンドポイントは免疫蛍光法、ウェスタンブロット法、ELISA法で評価した。

METHODS: Infection was characterized by transmission electron microscopy, confocal microscopy, and bacterial colony forming unit assays. Gingipain expression was monitored by immunofluorescence and RT-qPCR, and protease activity monitored with activity-based probes. Neurodegenerative endpoints were assessed by immunofluorescence, western blot, and ELISA.

結果:

神経細胞は初期感染を生き延びたが、時間依存的に感染による細胞死を示した。P. gingivalisは細胞質内またはリソソーム内に遊離していた。感染した神経細胞は、自食作用のある液胞や多胞体が蓄積していた。タウ蛋白質は強く分解され、T231でのリン酸化が増加した。時間の経過とともに、シナプス前ブートンの密度は減少した。

RESULTS: Neurons survived the initial infection and showed time dependent, infection induced cell death. P. gingivalis was found free in the cytoplasm or in lysosomes. Infected neurons displayed an accumulation of autophagic vacuoles and multivesicular bodies. Tau protein was strongly degraded, and phosphorylation increased at T231. Over time, the density of presynaptic boutons was decreased.

結論:

P. gingivalisは成熟ニューロンに侵入し、持続することができる。感染したニューロンは、自食作用のある液胞や多胞体の蓄積、細胞骨格の崩壊、リン酸化タウ/タウ比の増加、シナプスの消失など、AD様の神経病理学的徴候を示す。P.ジンジバリスによるiPSC由来の成熟ニューロンの感染は、ADに至る細胞メカニズムを研究し、新たな治療アプローチの可能性を検討するための新しいモデル系を提供する。

CONCLUSION: P. gingivalis can invade and persist in mature neurons. Infected neurons display signs of AD-like neuropathology including the accumulation of autophagic vacuoles and multivesicular bodies, cytoskeleton disruption, an increase in phospho-tau/tau ratio, and synapse loss. Infection of iPSC-derived mature neurons by P. gingivalis provides a novel model system to study the cellular mechanisms leading to AD and to investigate the potential of new therapeutic approaches.