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松仁会医学誌42（2） ：97∼109, 2003 アルツハイマー病の分子病態 −メタロバイオロジー的視点を含む最近の進歩− 伏木信次 京都府立医科大学大学院医学研究科 分子病態病理学 要旨：アルツハイマー病は近年増加の一途をたどっている痴呆をきたす神経変性疾 患である．家族性アルツハイマー病の分子遺伝学的研究からアミロイド前駆体蛋白， プレセニリン１ならびに２という三種類の遺伝子の変異が同定されたが，アルツハ イマー病の大部分を占める孤発性アルツハイマー病に関してはこれまでのところ疾 患遺伝子は不明である．しかし，多角的かつ実験的なアプローチによってアルツハ イマー病の分子病態はかなり詳細なレベルに至るまで論じることが可能になり，今 や「アミロイド仮説」を支持するデータが揃いつつある．「アミロイド仮説」とは， アミロイド前駆体蛋白の段階的蛋白分解の結果生成され細胞外に恒常的に放出され るAβが何らかの条件によって不溶化し，細胞外で集積・凝集すると神経細胞を傷害 し，アルツハイマー病発症を導くという考え方である．本稿ではアミロイド仮説を 中心にすえて，アルツハイマー病の分子病態に関する最新知見を整理するとともに， 孤発性アルツハイマー病研究のホットな領域である遺伝的危険因子解析にも触れる． また一方でメタロバイオロジーの最新の研究成果を紹介しつつ，微量金属がアルツ ハイマー病の病態にどのように関わるかを論じる．さらに，これらのデータを踏ま えた今後の治療戦略として，Aβワクチン療法や金属キレート療法について紹介する． キーワード：ア ル ツ ハ イ マ ー 病 ， ア ミ ロ イ ド 仮 説 ， 微 量 金 属 ， ワ ク チ ン 療 法 ， キレート療法 はじめに は，ADがいかなる原因で，しかもどのようなメ カニズムで発症するかに関する基礎的研究が不可 アルツハイマー病（AD; Alzheimer's disease） 欠である． は高齢者における痴呆の主要な原因を構成する進 本稿では，ADの病理発生や分子病態に関する 行性の神経変性疾患であり，その罹患者数は年々 研究の最近の進歩を概説するとともに，特にメタ 増加の一途をたどっている．今や，動脈硬化性変 ロバイオロジーの視点から，私たちの研究室で取 化に起因する梗塞をベースとする血管性痴呆 組んでいる話題を取り上げ紹介し，今後の研究を （VD; Vascular dementia）を凌駕し，その数は日 展望したい． 本全体で200万人に近づきつつある．したがって その診断をできるだけ早くしかも正確に行うこと アルツハイマー病の神経病理学 と，有効な予防法や治療法を開発することが急務 となっている．そのことを可能ならしめるために 平成15年7月28日受付 連絡先：〒602-8566 京都市上京区河原町通広小路上ル 梶井町465 京都府立医科大学大学院医学研究科分子病態病理学（伏木信次） ADは，明らかな遺伝的背景を有する家族性AD （FAD; familial Alzheimer's disease）1)と，明確な 家系をベースとせずに発症する孤発性AD （sporadic Alzheimer's disease）に大別される．ま 98 伏 木 信 次 た発症年齢（65歳を境にして）によって二つに分 物として観察されるのみであるが，Bielschowsky けられる．一つは早期発症型AD（EOAD; early- 染色のような鍍銀染色を施すと，古典的老人斑は onset AD）2)，もう一つは晩期発症型AD（LOAD; 芯のアミロイドと周囲の変性神経突起から成って late-onset AD）である． いることがわかる（図1a,b,c）．免疫組織化学では， ADは，肉眼病理学的に中等度から高度の脳萎 芯はアミロイドβ蛋白に対して陽性となり（図 縮によって特徴付けられるが，大脳皮質や海馬の 1d），変性神経突起はニューロフィラメント，タ 萎縮を反映して，脳室は種々の程度に拡張する． ウ蛋白（図1e），ユビキチンに対する抗体で反応 脳萎縮をきたす部位は，記憶や言語，認知など， 陽性を示す． いわゆる高次機能を司る前頭葉，頭頂葉の連合野 や側頭葉，海馬領域である． それに対して神経原線維変化（図2）は主とし て神経細胞内にみられる変化で，鍍銀染色にて嗜 顕微鏡レベルでの病理学的変化として3つ挙げ 銀性を示す太い線維束が，細胞核周囲を取り囲む ることができる．一つは老人斑（SP; senile plaque）， 炎のようにあるいはとぐろを巻くような形で存在 二つ目は神経原線維変化（NFT; neurofibrillary する（図2a,b,c）．神経細胞が消失したあとに嗜銀 tangle），三つ目は神経細胞脱落である． 性構造物のみが観察されることがあり，それらは 老人斑（図1）ならびに脳血管壁に出現するア ghost tanglesと称する．神経原線維変化は，電子 ミロイドはともにβアミロイド（Aβ; amyloid β, β- 顕微鏡による観察から二本の対をなす線維がらせ amyloid）が細胞外に沈着したもので，βアミロ ん構造を形成している（これをPHF; paired helical イ ド は ア ミ ロ イ ド 前 駆 体 蛋 白 （ APP; amyloid filamentsと呼ぶ）ことが判明していて，らせんの precursor protein）から蛋白分解を受けて作られ ピッチは80nm，対をなす線維の最大直径部分は る．HE染色で老人斑はエオジン好性の斑状構造 22nmである．生化学的検索から微小管結合蛋白 図1 アルツハイマー病大脳新皮質にみられた老人斑． 図1 a.b.c.; 鍍銀染色，d; 抗Aβ抗体による蛍光免疫染色(FITC)，e. 抗リン酸化タウ蛋白抗体による免疫組織化学． アルツハイマー病の分子病態 図2 アルツハイマー病大脳新皮質にみられた神経原線維変化． 図2 a.b.c.; 鍍銀染色，d; 抗リン酸化タウ蛋白抗体による免疫組織化学． 99 タウの過剰なリン酸化が生じていることが判明し ているが，事実リン酸化タウ蛋白に対する抗体を 用いて免疫組織化学を行うと神経原線維変化が明 瞭に染色される（図2d） アルツハイマー病の分子病態 生理的な条件下でアミロイド前駆体蛋白（APP） の段階的蛋白分解の結果生成される Aβは恒常的 に細胞外に放出される．このAβが何らかの条件に よって不溶化し，細胞外で集積・凝集すると神経 細胞を傷害する過程が進行し，ADを発症すると いう考え方が「アミロイド仮説」3) の中核をなす （図3）． 図4に示すようにAPPは一回膜貫通型の膜蛋白 であり，蛋白分解を受けてAβが生成される上で重 要な切断点はβサイトとγサイトであり，その間に αサイトが位置する．それぞれの位置で切断する 蛋 白 分 解 酵 素 （ β-secretase, γ-secretase, α- 図3 アミロイド仮説を軸にしたアルツハイマー病の 発生病理（文献3に基づいて作成，一部改変） 100 伏 木 信 次 secretase ）が想定されている．通常APPはαsecretaseによる分解を受けたのち，可溶性の が増加する．Aβ配列内部に起こった変異で はAβ凝集性自体が変化する． APPsαとCTFα（carboxy-terminal fragment，C末端 FAD家系の解析から発見同定された遺伝子とし フラグメント）が作られるが，β-secretaseにより てはAPP以外に，プレセニリン1（PSEN1; 分解されるとAPP sβ とCTFβとなり，その後, γ- p r e s e n i l i n - 1 ） 4)， プ レ セ ニ リ ン 2 （ P S E N 2 ; secretaseによる分解を受けてAβが生成される． presenilin-2）がある．プレセニリンは多数回膜貫 APPの遺伝子変異を有する家系（すべてがFAD 通蛋白で，細胞内ループ部分でendoproteolysisを 家系ではなく，脳出血と脳アミロイドアンギオパ 受け，その結果生じたN末端フラグメントとC末 チーをきたす家系もこの中に含まれる）の解析か 端フラグメントが結合しヘテロ2量体を形成，さ ら，APP遺伝子変異のもたらす効果は次のように らにnicastrin，Aph-1，Pen-2蛋白などと複合体を まとめられる． 形成することによってγ-secretase活性を発揮する 1）Aβの産生量全体を増加させる：β-secretase と想定されている 5)（図5）．なお，FADで見出さ による切断の増加あるいはα-secretaseによ れたPS1およびPS2遺伝子変異は，Aβ1-42の産生を る切断の減少により起こる． 相対的あるいは絶対的に増加させる6)． 2）Aβ1-40とAβ1-42の中，より凝集性が高いとみな ところで，ADの二大病理所見とも称すべき神 されるAβ 1-42を増加させる:AβのC末端外側， 経原線維変化と老人斑がADの病態形成過程で果 γ-secretase切断部位近傍の変異によりAβ1-42 してどのような関係にあるのかに関してはまだ完 図4 Aβ生成の経路（遺伝子医学7:14, 2003より引用） 図4 BACE, β-site APP cleaving enzyme; ADAM, a disintegrin and metalloprotease; AICD, βAPP intracellular domain. 図5 γ-secretase複合体（Nature 423: 393, 2003より引用） アルツハイマー病の分子病態 101 全な解答が提出されているわけではない．しかし 発現が亢進する12)ことが知られていて，損傷を受 ながら，タウ蛋白遺伝子の変異によって発症する， けた細胞膜のリサイクリングやコレステロールな パーキンソニズムを伴う前頭側頭型痴呆 どの脂質を神経細胞へ輸送する機能をapoE が担 （Frontotemporal dementia with Parkinsonism）で っていると考えられる．その他の機能として， は，神経原線維変化が著明であるにもかかわらず apoEは抗酸化作用を有しており，のちに述べるア 老人斑はみられないこと 7)，またヒトAPP遺伝子 イソフォーム別の抗酸化作用の強さはE2＞E3＞ 変異とタウ蛋白遺伝子変異を二重に発現させたト E4と報告されている13)． ランスジェニックマウスでは，タウ蛋白遺伝子の ヒトAPOE遺伝子は第9染色体長腕（19q13.2） 変異のみを発現させたトランスジェニックマウス に位置し，4つのエクソンと3つのイントロンから と比べて神経原線維変化がより強く現れたこと 8) 構成され，約3.7kbのサイズである．その遺伝子 は，ADの病理形成過程で，タウ蛋白異常の結果 が産生する蛋白apoEには等電点電気泳動により区 として出現する神経原線維変化は老人斑を引き起 分される3つの主要アイソフォーム，すなわち こす必要条件ではなく，むしろAPPのプロセシン apoE2，apoE3，apoE4が存在する．このアイソフ グ異常としての老人斑が神経原線維変化よりも先 ォームの違いは112番目と158番目のアミノ酸の置 行する病変であることを示唆している9)． 換に起因する．すなわち，最も多いアイソフォー 他方，孤発性ADではFADと異なり，特定の疾 ムであるapoE3では112番目がシステイン，158番 患責任遺伝子は見出されていないため，環境因子 目がアルギニンであるのに対し，apoE4では112番 と遺伝因子の相関という観点からの研究に力が注 目のシステインがアルギニンに，apoE2では158番 がれている．そのような研究の流れの中で遺伝的 目のアルギニンがシステインにそれぞれ置換され 危険因子（リスクファクター）として広く認めら ている．したがってこれらに対応した遺伝子表記 れているものは，アポリポ蛋白E遺伝子（APOE， としてAPOE ε2，APOE ε3，APOE ε4を用いる． これは遺伝子としての表記）のε4アレルである． ちなみにAPOE ε1，APOE ε5，APOE ε7という多 現在，更なるAD感受性遺伝子を探索すべく高解 型も存在するが極めて稀である．このことを踏ま 像度のゲノムスクリーニングが進行中である10)． えると個々人の遺伝子型としては，次の6つの組 さて，アポリポ蛋白E（apoE; これは蛋白とし 合せがあり得ることになる．APOE ε2/ε2，APOE ての表記）はapoA，apoB，apoC，apoD，apoJな ε3/ε3，APOE ε4/ε4，APOE ε2/ε3，APOE ε3/ε4， どアポリポ蛋白群の一つであり，その中でapoEは APOE ε2/ε4である．これら遺伝子型の出現頻度に 主として肝細胞で産生され，全身諸臓器へのコレ は人種差が認められる．APOE ε2，APOE ε3， ステロールや脂肪酸の運搬に関与している．つま APOE ε4の白人における頻度は，8%，78%，14%で り，細胞外に排出されたapoE はリポ蛋白と複合 ある．アポEの対立遺伝子は共優性に発現するの 体 を 形 成 し た の ち ， 細 胞 表 面 の apoE 受 容 体 で，遺伝子型と同様の6種類の表現型が存在する （LDL受容体，VLDL受容体，LRP受容体）と結合 することによって細胞外の脂質を細胞内へ運び込 ことになる． APOE ε4アレルの頻度が家族性AD患者14)や孤発 む際のリガンドとして機能している．他方で， 性AD患者 15) で高いことが報告されているが，こ apoEは細胞からコレステロールやリン脂質などを のデータは人種を超えて等しくAD患者に認めら 引き抜く作用を有する．このように，apoEは脂質 れる傾向である16)．またε4の遺伝子数が増加する 代謝を制御する重要な分子として位置付けられ ほど，すなわちε4をホモ接合で有するとヘテロ接 る． 合に比べてADの発症年齢が早まり，しかも発症 中枢神経系でapoEを産生する細胞は，アストロ 率が増加することが，家族性 17) ならびに孤発性 サイトやミクログリアである．これらの細胞から AD18)何れにおいても報告されている．APOE ε4ア 分泌されたapoEは脳脊髄液中11)のリポ蛋白と結合 レルを有しない場合には発症リスクが20%である し，そののち神経細胞表面に存在するapoE 受容 が，APOE ε4アレルを2コピー持つ人では90%に上 体を介して神経細胞内に取り込まれる．中枢神経 昇する17)．しかし，ε4以外の遺伝子型を持つAD患 系損傷後にはアストロサイトにおいてそのmRNA 者が存在すること，またε4を持っていてもADを 102 伏 木 信 次 発症しない高齢者が存在することから，ε4の遺伝 こと 34) がその証拠であり，AD患者でみられる認 子型を持つこと，つまりAPOE ε4はAD発症の直接 知障害の程度が脳内の可溶性Aβ濃度と相関すると 的な原因ではなく，強力な遺伝的リスクファクタ いうデータ 35) もそれと矛盾しないように思われ ー（発症危険因子）として理解するのが妥当であ る．またプロテオミクスの手法を用いてごく初期 ろう．ちなみにAPOE ε2アレルを二つもつ人では のAD患者脳を調べた最近の報告 36)によると，Aβ AD発症年齢が遅くなると報告されている19)． oligomerのほとんどはAβ1-42でかつアミノ末端側が 変異APPトランスジェニックマウスをapoE遺伝 短くなったものであり，これら分子種がアミロイ 子欠損マウスとかけ合わせると，変異APP トラン ド線維形成初期において「種」として機能すると スジェニックマウスで頻出していたアミロイドプ 推察されている．FADでみられるAPP遺伝子変異 ラークが著しく減少すること20)，ヒトapoEの異な を導入したトランスジェニックマウスの海馬スラ るアイソフォームを導入した変異APPトランスジ イス培養系を用いた研究37)によると，神経細胞活 ェニックマウスではアイソフォーム特異的にアミ 動の高低によって培養液中に生成されるAβの量が ロイドプラーク（この表現は，ヒトAD脳で見ら 変動すること，しかもAβは興奮性シナプス活動を れる老人斑に対応する，動物でのアミロイド沈着 抑制することが判明した．すなわち，神経活動自 病変に対して用いる）形成やAβレベル，神経原線 体がβ-secretase活性を調節していること，神経活 維変化への影響がみられたこと21)は，apoEとAβ代 動が高まるとAβ産生は亢進するが，産生されすぎ 謝の密接な関連性を示している．また痴呆を伴わ ると神経活動を抑えることによってAβ産生を抑制 ない高齢者の側頭葉内面の老人斑出現状況を調べ するという，ネガティブフィードバック機構の存 ると，APOE ε4アレルを有する人では同アレルを 在が示唆されている． 持たない同じ年齢群と比べてAβ陽性老人斑の出現 頻度が高いことがわかり22)，このことはAPOE ε4 アレルにAβ沈着を加速させる効果があることを推 アルツハイマー病の分子病態に 基づく新たな治療 察させる． その他の注目すべき遺伝的危険因子として，エ さて，ADの分子病態の基盤がAβにあるとすれ ストロゲンレセプターα（ER α）遺伝子多型 23)， ば，Aβの沈着はいかにすれば防げるのか．目下， Methylene tetrahydrofolate reductase（MTHFR） 多くのAD研究者はAβを分子標的とした治療法の 遺伝子多型24)，APOE遺伝子プロモーター多型25-28)， 開発を目指している．その場合，①Aβの生成を抑 γ-secretase 複合体の構成要素であるnicastrin える，②Aβの沈着を防止する，③沈着したAβを （NCSTN）の遺伝子多型29)，interleukin-1A 遺伝子 分解する，という三つの相が理論的に想定される allele2多型30)，cell division cycle 2（cdc2または ので，各相に照準を合わせた治療法の開発に世界 p34）遺伝子多型 31) ，androgen receptor 遺伝子 中の研究者や企業がしのぎを削っている．その中 CAG repeat多型32)，等を挙げることができるが， その意義を確かなものにするためには，さらに多 数例における解析が待たれる． で最近，有望なものとして脚光を浴びている治療 法がワクチン療法である． Aβの除去を目指したワクチン療法とは，Aβを 現在の時点でADの発生病理仮説をまとめると ワクチンとして接種するものであるが，そもそも 図3のようになる2)．ところで，Aβのどの分子種が このような着想が得られたのは，トランスジェ 神経細胞に対する毒性を発揮するのかはかねてよ ニックマウスでの実験であった．すなわち，FAD り論議の的となっているが，最近注目されている でみられるAPP 遺伝子変異を導入したトランス oligomerで あ る 33) ． つ ま り Aβ ジェニックマウスをヒト型Aβ1−42で免疫して抗Aβ monomerや不溶性となったアミロイド線維ではな 抗体を産生させるとアミロイドプラークが消失す の は 可 溶 性 Aβ く，可溶性Aβ oligomerがAD脳やADトランスジェ るとともに学習記憶障害が改善したという報告 ニックマウスモデルにおいてシナプス伝達の障害 38,39, 40)であった．本法によってAβが除去されるメ を引き起こすという．実験的にラット海馬に可溶 カニズムとしては次の二つが想定されている．① 性Aβ oligomerを注入すると長期増強が抑制された 血液中の抗Aβ抗体の一部が脳内に入りアミロイド アルツハイマー病の分子病態 103 プラークにあるAβを認識し結合したのち，脳での さてAD脳からAβを抽出する際に亜鉛イオンと 抗原提示細胞であるミクログリアが動員され，ミ 銅イオンが同時に精製されてきた50)ことから，Aβ クログリアがアミロイドプラークを貪食する，② とこれら金属イオンが結合している可能性が示唆 血液中の抗Aβ抗体に脳実質からのAβクリアラン された．生化学的な解析から，Aβの銅イオンや鉄 スを高める作用がある41, 42)． イオンへの結合性にはAβ分子種による親和性の差 動物実験での上記のような成果を踏まえて，米 がみられ，Aβ1-40よりもAβ1-42への親和性が高いこ 国では1999年からヒトでの第I相試験が開始され， とが判明した51)．またADでみられる老人斑には， その後第II相試験に入ったが，髄膜脳炎の症状を 銅イオン，鉄イオン，亜鉛イオンが共存すること 示す患者が少数ながら出現したため2002年1月に が組織学的に証明されている52)．特筆すべきこと は急遽試験中止となった 43)．その中の死亡者1名 はAPPが銅イオンならびに亜鉛イオンと結合する の病理解剖によって得られた脳を検索した報告44) 部位を有していることであり，その結合部位の一 によれば，脳での細胞性免疫機序が活性化され， つはAβにある． 脳炎を発生していた．しかしながらワクチン療法 メタロバイオロジーの最新知見を踏まえて， を受けたAD患者の剖検脳において老人斑が明ら AD発症におけるAβと微量金属イオンの関係に関 かに消失していたことから，AD患者に対するワ しては次のような仮説が提唱されている53)．①加 クチン療法そのものの有効性はマウスのみならず 齢とともに増加する鉄イオンや銅イオンの細胞内 ヒトでも確認されたと言えよう．そこで，脳炎の 濃度を低下させるためにAPPならびにAβが過剰に ような副作用を避けるために現在検討されている 作られ細胞外に放出されるが，その結果金属イオ のが，ヒト型抗Aβ抗体による受動免疫療法である． ンとAβの結合が増加する，②金属イオンと結合し そ の 方 法 で は ， ヒ ト 型 抗 A β 抗 体 の （ F a b ' ）2 たAβは，酸素とコレステロール，ビタミンC，カ fragment を用いることによって細胞性免疫反応を テコラミンなどの還元剤を基質とする反応を触媒 抑えることをもくろんでいる．なおADトランス してH 2O 2を産生させる 50, 54)，③H 2O 2はAβを酸化 ジェニックマウスモデルを対象とする実験で抗Aβ させ，Aβの架橋がますます進む55)，④シナプス近 抗体による受動免疫療法が奏効することが報告さ 傍では亜鉛イオンとAβが結合し，酸化されたAβ れている41, 45)． と複合体を形成する，⑤酸化されたAβを貪食する ワクチン以外のAβ除去の方法としてはβ- ためにミクログリアが動員され，その際周囲に大 secretase阻害薬やγ-secretase阻害薬によってAβの 量のH2O2を撒き散らす，⑥H2O2は細胞内に入り， 産生を抑えることや，neprilysin46)や非ステロイド 細胞内に高レベルに存在する銅イオンや鉄イオン 系抗炎症薬（NSAIDs)47)によってAβを分解するこ とFenton反応を起こすことによって，ラジカルの とが検討されている． 中で最も細胞傷害性の強い水酸化ラジカルを産生 させ，その結果，核酸，蛋白，脂質が酸化され 神経変性疾患の病態と微量金属イオン る． ともあれ，Aβは金属イオンとの量比によってそ 近年，脳神経系における微量金属イオンの機能 の機能が変化すると想定されている．すなわち， に光があたるようになりつつある．なかでも亜鉛 Aβが金属イオンよりもはるかに多く存在する場合 イオン，銅イオン，鉄イオンはADで変化をきた には金属イオンを除去する方向に作用し，結果と す大脳新皮質領域で高レベルに存在すること，し して組織保護に働く55)が，金属イオンがAβよりも かも加齢とともに脳での鉄イオンや銅イオンのレ はるかに多く局所に分布する場合にはAβの凝集を ベルが上昇すること 47) から，ADの病態を理解す 促進し，その結果酸化ストレス亢進，細胞傷害が る上で興味がもたれている．また亜鉛イオンと銅 導かれることになる． イオンは神経伝達に際しシナプス小胞から伝達物 上に述べたAD発症に金属イオンが関与すると 質とともに放出され，そののち再びトランスポー いう仮説に則って考案された治療法がClioquinol ターの作用によってエネルギー依存的に細胞内に （CQ）の経口投与である．実験的にCQを ADトラ 取り込まれることがわかっている49)． ンスジェニックマウスモデルに経口投与するとア 104 伏 木 信 次 図6 ρ-0細胞（Sρ-0）と親株細胞（SILA）の酸化ストレスに対する反応（著者原図，文献62） 図6 A：H2O2添加濃度（横軸）が低くてもρ-0細胞では細胞死を起こす（縦軸は培地中のLDH量） 図6 C：鉄イオンのキレート剤DFXを投与すると親株では細胞死が抑制されるが，ρ-0細胞では抑制効果が出現しない ミロイドプラーク形成が抑制され，しかもマウス の活動性低下を抑えた57)．また実験的パーキンソ ン病モデルマウスへのCQ投与によって黒質の鉄 濃度が減少し神経細胞死が抑制されたと報告され ている 58)．CQはペニシラミンのような通常のキ レート剤とは異なり疎水性で脳血液関門を容易に 通過するので，全身の鉄イオンレベルを低下させ ることなく脳内の鉄イオンを減少させるという 59)． 現 在 米 国 で は A D 患 者 に 対 す る C Q 投 与 が Phase I60)からPhase IIの段階に移っている． ところで私たちの研究室では，ミトコンドリア 脳筋症のようなミトコンドリア遺伝子変異61)の結 果生じる脳の病態にヒントを得て，神経細胞の生 図7 ρ-0細胞（Sρ-0）と親株細胞（SILA） の細胞内鉄 濃度（著者原図，文献62） 存・機能維持におけるミトコンドリアの役割の重 要性に着目し，ミトコンドリアDNAを破壊・欠失 を確認した（図6A）．しかも注目すべきことに， した細胞を作成する実験に取組んだ62)．神経芽腫 ρ-0細胞では親株と比べ細胞内鉄濃度が4倍から5倍 細胞株にethidium bromide処理を行うことにより も高く（図7），鉄をキレートする薬剤投与を行う ミトコンドリアDNA欠失細胞（ρ-0細胞，と呼ぶ） と親株では酸化ストレスの結果生じる細胞死がキ を複数株樹立することに成功した．これらρ-0細胞 レート剤の用量依存的に抑制されるのに対し，ρ-0 はミトコンドリアDNAを完全に欠失しているこ 細胞の細胞死はキレート剤の用量を増しても全く と，またH2O2のような酸化ストレスに対して極め 抑制されないことが分かった（図6C）．鉄以外の て脆弱で，親株に比し容易に細胞死をきたすこと 微量金属である，アルミニウム，亜鉛，マンガン， 表1 微量金属が蛋白凝集に関与することが推定される神経変性疾患 蛋 白 金属イオン 組 織 疾 患 Aβ Cu, Fe, Zn 大脳新皮質 アルツハイマー病 SOD1 Cu, Zn欠乏 運動ニューロン 家族性筋萎縮性側索硬化症 α-synuclein Cu, Fe 基底核 パーキンソン病 アルツハイマー病の分子病態 105 図8 ρ-0細胞（Sρ-0）と親株細胞（SILA），正常血小板と融合させたρ-0細胞（すなわちcybrid）における細胞内微量金属 濃度（A,B），酸化ストレスに対する反応（C） （著者原図，文献62） 銅に関しても測定したところ，ρ-0細胞では親株に 小体型痴呆，パーキンソン病，ハンチントン病， 比し2倍から6倍程度増加していた（図8A,B）．ρ-0 筋萎縮性側索硬化症，脊髄小脳変性症など多数の 細胞内で生じたこのような金属の上昇は，正常な 疾患が神経変性疾患に属している．家族性あるい ミトコンドリアを有する血小板とρ-0細胞を融合さ は遺伝性の神経変性疾患に関しては，近年の分子 せた“cybrid”では親株にほぼ近いレベルにまで 遺伝学的研究の成果として責任遺伝子がほぼ判明 減少し，酸化ストレスに対する脆弱性も親株と同 し，それらは当該疾患の診断に積極的に用いられ 様にまで回復した（図8A,B,C）ことから，ミトコ るようになっている．しかしながら神経変性疾患 ンドリアによって細胞内金属イオンレベルが調節 を引き起こす遺伝子が同定されたとしても，その されている可能性が示唆された．私たちは，ミト ことによって当該疾患の病態が直ちに解明される コンドリアと酸化ストレスの関連を探ろうとして わけでも，有効な治療法が案出されるわけでもな このような実験に着手したが，実はそこに微量金 い．他方，標的とすべき責任遺伝子そのものが特 属が関与しているという意外な事実を発見するに 定されていない孤発性の神経変性疾患では，遺伝 至り，結果としてミトコンドリア，金属イオン， 子の側から病態や治療に迫ることはままならない 酸化ストレスという三者が，神経系細胞の生存を という状況にある． 維持する上で緊密に連関していることを示すこと 考えてみると，神経変性疾患の病態の共通項は ができた．ADやパーキンソン病の病態に金属が 神経細胞の死にある．神経細胞死に対して何らか 関与するという報告が先にも述べたように近年増 の治療的あるいは予防的介入はできないであろう 加していることを考慮すると，私たちの開発した か．現在猛烈なスピードで発展している再生医学 培養細胞系から得られたデータは示唆に富むもの の成果は神経変性疾患にも活用できるであろう である．ここで微量金属が，病態を特徴付ける蛋 か．たとえば幹細胞移植のような形で，脱落した 白凝集に関与することが推定されている神経変性 神経細胞を補充する治療法63)は現実に有効なもの 疾患を表1に示す． となるであろうか． しかし，脳という組織の特性，すなわち神経細 おわりに 胞が無数の精緻なネットワークを築き上げている という現実に思いを馳せるとき，神経細胞補充療 神経変性疾患とは，あるグループないしある系 法で期待し得る効果は残念ながら限定的なものに 統に属する神経細胞が細胞死を起こして脱落する ならざるを得ないように思われる．パーキンソン 進行性の疾患をいう．アルツハイマー病，レビー 病ですでに明らかとなっているように，移植され 106 伏 木 信 次 た神経細胞自体は十分機能を発揮しネットワーク の再現を期待させ得るけれども，失われた神経細 expressing mutant tau and APP. Science 293: 1487-1491, 2001. 胞ネットワークの中に保持されていたかつての 09）Hardy J, Duff K, Hardy KG et al: Genetic 「記憶」はもはや蘇ることはないと考えられるか dissection of Alzheimer's disease and related dementias: amyloid and its relationship to tau. らである． このような考え方が仮に妥当だとすれば，幹細 Nat Neurosci 1: 355-358, 1998. 胞や神経細胞の補充ではなく，むしろ細胞死の進 10）Blacker D, Bertram L, Saunders AJ et al: 行をいかにすれば有効に阻止できるかという研究 Results of a high-resolution genome screen of に神経変性疾患治療の活路を見出すことが望まし 437 Alzheimer's disease families. Hum Mol いように思われるのである．その意味で，微量金 Genet 12: 23-32, 2003. 属イオンの動態とその病態，さらにその知見の臨 11）Fukuyama R, Mizuno T, Fushiki S et al: Age- 床応用に関する研究64)は今後ますます重要性を帯 dependent decline in the apolipoprotein E level びてくるにちがいない． in cerebrospinal fluid from control subjects and its increase in cerebrospinal fluid from patients 文献 with Alzheimer's disease. Eur Neurol 43: 161169, 2000. 01）Tanzi RE, Bertram L: New frontiers in 12）Poirier J, Hess M, May PC et al: Astrocytic Alzheimer's disease genetics. Neuron 32: 181- apolipoprotein E mRNA and GFAP mRNA in 184, 2001. hippocampus after entorhinal cortex lesioning. 02）Janssen JC, Beck JA, Campbell TA et al: Early Brain Res Mol Brain Res. 11: 97-106, 1991. onset familial Alzheimer's disease: Mutation 13）Miyata M, Smith JD: Apolipoprotein E allele- frequency in 31 families. Neurology 60: 235- specific antioxidant activity and effects on 239, 2003. cytotoxicity by oxidative insults and beta- 03）Hardy J, Selkoe DJ: The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease: progress and problems on amyloid peptides. Nat Genet 14: 55-61, 1996. 14）Strittmatter WJ, Saunders AM, Schmechel D et the road to therapeutics. Science 297: 353-356, al: Apolipoprotein E: high-avidity binding to β- 2002. amyloid and increased frequency of type 4 04）Russo C, Schettini G, Saido TC et al: Presenilin-1 mutations in Alzheimer's disease. Nature 405: 531-532, 2000. 05）Taylor Kimberly W, LaVoie MJ, Ostaszewski allele in late-onset familial Alzheimer disease. Proc Natl Acad Sci USA 90: 1977-1981, 1993. 15）Poirier J, Davignon J, Bouthillier D et al: Apolipoprotein E polymorphism and BL et al: γ-secretase is a membrane protein Alzheimer's disease. Lancet 342: 697-699, 1993. complex comprised of presenilin, nicastrin, 16）Farrer LA, Cupples LA, Haines JL et al: Effects aph-1, and pen-2. Proc Natl Acad Sci USA 100: of age, sex, and ethnicity on the association 6382-6387, 2003. between apolipoprotein E genotype and 06）Borchelt DR, Thinakaran G, Eckman CB et al: Alzheimer disease. A meta-analysis. APOE and Familial Alzheimer's disease-linked presenilin Alzheimer Disease Meta Analysis Consortium. 1 variants elevate Abeta1-42/1-40 ratio in vitro JAMA 278: 1349-1356, 1997. and in vivo. Neuron 17:1005-1013, 1996. 17）Corder EH, Saunders AM, Strittmatter WJ: 07）Spillantini MG, Goedert M: Tau protein Gene dose of apolipoprotein E type 4 allele and pathology in neurodegenerative diseases. the risk of Alzheimer's disease in late onset Trends Neurosci 21: 428-433, 1998. families. Science 261: 921-923, 1993. 08）Lewis J, Dickson DW, Lin WL et al: Enhanced 18）Frisoni GB, Govoni S, Geroldi C: Gene dose of neurofibrillary degeneration in transgenic mice the epsilon 4 allele of apolipoprotein E and 107 アルツハイマー病の分子病態 disease progression in sporadic late-onset Alzheimer's disease. Ann Neurol 37: 596-604, 1995. apolipoprotein E ε4 allele. Acta Neuropathol 105: 25-29, 2003. 29）Dermaut B, Theuns J, Sleegers K et al: The 19）Talbot C, Lendon C, Craddock N: Protection gene encoding nicastrin, a major γ-secretase against Alzheimer's disease with apoE epsilon component, modifies risk for familial early- 2. Lancet 343: 1432-1433, 1994. onset Alzheimer disease in a Dutch population- 20）Bales KR, Verina T, Dodel RC et al: Lack of apolipoprotein E dramatically reduces amyloid beta-peptide deposition. Nat Genet 17: 263-234, 1997. based sample. Am J Hum Genet 70: 1568-1574, 2002. 30）Combarros O, Sanchez-Guerra M, Infante J et al: Gene dose-dependent association of 21）Fagan AM, Watson M, Parsadanian M et al: interleukin-1A[-889] allele 2 polymorphism Human and murine ApoE markedly alters A with Alzheimer's disease. J Neurol 249: 1242- beta metabolism before and after plaque formation in a mouse model of Alzheimer's disease. Neurobiol Dis 9: 305-318, 2002. 1245, 2002. 31）Johansson A, Hampel H, Faltraco F et al: Increased frequency of a new polymorphism in 22）Walker LC, Pahnke J, Madauss M et al: the cell division cycle 2 （cdc2） gene in Apolipoprotein E4 promotes the early patients with Alzheimer's disease and deposition of Aβ42 and then Aβ40 in the frontotemporal dementia. Neurosci Lett 340: elderly. Acta Neuropathol 100: 36-42, 2000. 69-73, 2003. 23）Ji Y, Urakami K, Wada-Isoe K et al: Estrogen 32）Lehmann DJ, Butler HT, Warden DR et al: receptor gene polymorphisms in patients with Association of the androgen receptor CAG Alzheimer's disease, vascular dementia and repeat polymorphism with Alzheimer's disease alcohol-associated dementia. Dement Geriatr in men. Neurosci Lett 340: 87-90, 2003. Cogn Disord 11: 119-122, 2000. 24）Wakutani Y, Kowa H, Kusumi M et al: Genetic 33）McLean CA, Cherny RA, Fraser FW et al: Soluble pool of Abeta amyloid as a determinant analysis of vascular factors in Alzheimer's of disease. Ann N Y Acad Sci 977: 232-238, 2002. Alzheimer's disease. Ann Neurol 46: 860-866, 25）Bullido MJ, Artiga MJ, Recuero M et al: A severity of neurodegeneration in 1999. polymorphism in the regulatory region of 34）Walsh DM, Klyubin I, Fadeeva JV et al: APOE associated with risk for Alzheimer's Naturally secreted oligomers of amyloid beta dementia. Nat Genet 18: 69-71, 1998. protein potently inhibit hippocampal long-term 26）Laws SM, Taddei K, Martins G et al: The - potentiation in vivo. Nature 416: 535-539, 2002. 491AA polymorphism in the APOE gene is 35）Naslund J, Haroutunian V, Mohs R et al: associated with increased plasma apoE levels Correlation between elevated levels of amyloid in Alzheimer's disease. Neuroreport 10: 879- beta-peptide in the brain and cognitive decline. 882, 1999. JAMA 283: 1571-1577, 2000. 27）Wang JC, Kwon JM, Shah P et al: Effect of 36）Sergeant N, Bombois S, Ghestem A et al: APOE genotype and promoter polymorphism Truncated beta-amyloid peptide species in pre- on risk of Alzheimer's disease. Neurology 55: clinical Alzheimer's disease as new targets for 1644-1649, 2000. the vaccination approach. J Neurochem 85: 28）Pahnke J, Walker LC, Schroeder E et al: 1581-1591, 2003. Cerebral β-amyloid deposition is augmented by 37）Kamenetz F, Tomita T, Hsieh H et al: APP the -491AA promoter polymorphism in non- processing and synaptic function. Neuron 37: demented elderly individuals bearing the 925-37, 2003. 108 伏 木 信 次 38）Schenk D, Barbour R, Dunn W et al: Overexpression of Alzheimer's disease Immunization with amyloid-beta attenuates amyloid-beta opposes the age-dependent Alzheimer-disease-like pathology in the elevations of brain copper and iron. J Biol PDAPP mouse. Nature 400: 173-177, 1999. Chem 277: 44670-44676, 2002. 39）Janus C, Pearson J, McLaurin J et al: A beta 49）Frederickson CJ, Bush AI: Synaptically peptide immunization reduces behavioural released zinc: physiological functions and impairment and plaques in a model of pathological effects. Biometals 14: 353-366, Alzheimer's disease. Nature 408: 979-982, 2000. 2001. 40）Morgan D, Diamond DM, Gottschall PE et al: 50）Opazo C, Huang X, Cherny RA et al: Aβ peptide vaccination prevents memory loss Metalloenzyme-like activity of Alzheimer's in an animal model of Alzheimer's disease. disease β-amyloid: Cu-dependent catalytic Nature 408: 982-985, 2000. conversion of dopamine, cholesterol and 41）DeMattos RB, Bales KR, Cummins DJ et al: Peripheral anti-A beta antibody alters CNS and biological reducing agents to neurotoxic H2O2. J Biol Chem 277: 40302-40308, 2002. plasma A beta clearance and decreases brain A 51）Atwood CS, Scarpa RC, Huang X et al: beta burden in a mouse model of Alzheimer's Characterization of copper interactions with disease. Proc Natl Acad Sci USA 98: 8850-8855, Alzheimer amyloid β peptides :identification of 2001. an attmolar-affinity copper binding site on 42）Schenk D: Amyloid-β immunotherapy for Alzheimer's disease: the end of the beginning. Nat Rev Neurosci 3: 824-828, 2002. 43）Nicoll JA, Wilkinson D, Holmes C et al: Neuropathology of human Alzheimer disease after immunization with amyloid-beta peptide: a case report. Nat Med 9: 448-452, 2003. amyloid β1-42. J Neurochem 75: 1219-1233, 2000. 52）Lovell MA, Robertson JD, Teesdale WJ et al: Copper, ion and zinc in Alzheimer's disease senile plaques. J Neurol Sci 158: 47-52, 1998. 53）Bush AI: The metallobiology of Alzheimer's disease. Trends Neurosci 26: 207-214, 2003. 44）Bacskai BJ, Kajdasz ST, McLellan ME et al: 54）Huang X, Atwood CS, Hartshorn MA et al: The Non-Fc-mediated mechanisms are involved in Aβ peptide of Alzheimer's disease directly clearance of amyloid-beta in vivo by produces hydrogen peroxide through metal immunotherapy. J Neurosci 22: 7873-7878, ion reduction. Biochemistry 38: 7609-7616, 2002. 1999. 45）Dodart JC, Bales KR, Gannon KS et al: 55）Head E, Garzon-Rodriguez W, Johnson JK et Immunization reverses memory deficits al: Oxidation of Aβ and plaque biogenesis in without reducing brain Abeta burden in Alzheimer's disease and Down syndrome. Alzheimer's disease model. Nat Neurosci 5: 452-457, 2002. Neurobiol Dis 8: 792-806, 2001. 56）Zou K, Gong JS, Yanagisawa K et al: A novel 46）Marr RA, Rockenstein E, Mukherjee A et al: function of monomeric amyloid β-protein Neprilysin gene transfer reduces human serving as an antioxidant molecule against amyloid pathology in transgenic mice. J metal-induced oxidative damage. J Neurosci Neurosci. 23: 1992-1996, 2003. 22: 4833-4841, 2002. 47）Weggen S, Eriksen JL, Das P et al: A subset of 57）Cherny RA, Atwood CS, Xilinas ME et al: NSAIDs lower amyloidogenic Abeta42 Treatment with a copper-zinc chelator independently of cyclooxygenase activity. markedly and rapidly inhibits beta-amyloid Nature 414: 212-216, 2001. accumulation 48）Maynard CJ, Cappai R, Volitakis I et al: in Alzheimer's disease transgenic mice. Neuron 30: 665-676, 2001. アルツハイマー病の分子病態 109 58）Kaur D, Yantiri F, Rajagopalan S et al: Genetic 62）Fukuyama R, Nakayama A, Fushiki S et al: A or pharmacological iron chelation prevents newly established neuronal rho-0 cell line MPTP-induced neurotoxicity in vivo: a novel highly susceptible to oxidative stress therapy for Parkinson's disease. Neuron 37: accumulates iron and other metals. Relevance 899-909, 2003. to the origin of metal ion deposits in brains 59）Yassin MS, Ekblom J, Xilinas M et al: Changes with neurodegenerative disorders. J Biol Chem in uptake of vitamin B（12） and trace metals in brains of mice treated with clioquinol. J 277: 41455-41462, 2002. 63）Tatebayashi Y, Lee MH, Li L et al: The dentate Neurol Sci 173: 40-44, 2000. gyrus neurogenesis: a therapeutic target for 60）Regland B, Lehmann W, Abedini I et al: Alzheimer's disease. Acta Neuropathol 105: Treatment of Alzheimer's disease with clioquinol. Dement Geriatr Cogn Disord 12: 225-232, 2003. 64）Gnjec A, Fonte JA, Atwood C et al: Transition 408-414, 2001. metal chelator therapy‐a potential treatment 61）Saiwaki T, Shiga K, Fushiki S et al: A unique junctional palindromic sequence in for Alzheimer's disease? Front Biosci 7: d1016d1023, 2002. mitochondrial DNA from a patient with progressive external ophthalmoplegia. Mol Pathol 53: 333-335, 2000. Molecular Pathogenesis in Alzheimer’ s Disease, with Special Reference to Recent Advances in Metallobiology. Shinji Fushiki Department of Pathology and Applied Neurobiology Kyoto Prefectural University of Medicine Graduate School of Medical Science It was first proposed more than 10 years ago that neurodegeneration in Alzheimer's disease (AD) may be caused by deposition of β-amyloid(Aβ) in senile plaques throughout brain tissue. According to the amyloid hypothesis, accumulation of Aβ in the brain is the primary influence driving AD pathogenesis. The rest of the disease process, including formation of neurofibrillary tangles, is assumed to result from an imbalance between Aβ production and Aβ clearance. In this review, I have summarized recent progress on AD research with regard to amyloid hypothesis, genetic risk factors, immunotherapy, and metallobiology. Treatment strategies based on Aβ biology as well as metallobiology are discussed. Key Words : Alzheimer's disease, Amyloid hypothesis, Matallobiology, Immunotherapy, Treatment with chilate agents