パーキンソン病の動物モデル

1. 臨床症状

運動症状 + 非運動症状

2. 病理

パーキンソン病ではドパミン神経に加えてカテコラミン神経（特に青斑核や交感神経節後繊維のノルアドレナリン作動神経は非運動症状の責任病巣である）も障害されている

病理像としてはLewy小体やLewy neurite(軸索にα-synが沈着したもの)が特徴的であり、これらはα-synの凝集体である

・ KOとTg

Transgenic (Tg): 外来の遺伝子を受精卵に注入して作成する。

→Gain of toxic function

常染色体優性遺伝性

Knock Out (KO): 元々持っている特定の遺伝子の働きを失わせる

→Loss of function

常染色体劣性遺伝性

Gain of toxic function + loss of functionでは変異を挿入したKnock In modelも作成される

Genetic Rat model

・ LRRK2 (PARK 8) AD

LRRK2: leucine-rich repeat kinase 2

リソソームのストレスを受けて、肥大化したリン酸化リソソームの膜上に移行しRab3というタンパク質群をリン酸化して膜上に止めることによりリソソームの形態や機能を調節する。

Gain of toxic function of LRRK2

→軸索伸長の異常

小胞輸送の異常

オートファジーやアポトーシスの亢進

Lewy body様異常構造物の蓄積

< Greggio E．ASN　Neuro; 1: e00002. 2009

典型的なPDと鑑別困難でやや若年。

Levodopaへの反応性は保たれる。

嗅覚障害、自律神経症状、dystoniaは稀

MIBG心筋シンチグラフィはLewy bodyの有無を反映し一定しない。

G2019S変異では8割程度にLewy病理→MIBG低下

日本の相模原家系ではI2020T変異でありレヴィ病理以外にタウ病理を有する

それ以外では4割程度にLewy病理が認められる

病理はlewy body(pure nigral or 皮質全般)やtauopathy, ユビキチン陽性封入体など多彩。

LRRK2-KO Rat

→no obvious phenotype

No LRRK2 transgenic rats show significant loss of nigral dopaminergic neurons

6-month-old rats overexpressing human G2019S LRRK2 had decreased ability to remain on top of a rotating rod

< Walker MD, Volta M, Cataldi S, et al. Behavioral deficits and striatal DA signaling in LRRK2 p.G2019S transgenic rats: a multimodal investigation including PET neuroimaging. J Parkinsons Dis 2014;4(3):483-498.

Age-dependent motor deficits on the rotarod test in BAC transgenic rats expressing human G2019S or R1441C mutant LRRK2, but not in rats expressing wild-type human LRRK2.

LRRK2 BAC transgenic rats suggested to have L-dopa-responsive nigrostriatal dysfunction without detectable cell death or protein aggregation.

< Sloan M, Alegre-Abarrategui J, Potgieter D, et al. LRRK2 BAC transgenic rats develop progressive, L-DOPA-responsive motor impairment, and deficits in dopamine circuit function. Hum Mol Genet 2016;25(5):951-963.

・ α-synuclein (PARK 1) AD

SNCAの点変異またはduplication

SNCA point mutation: 早期発症のPism, 認知症を伴うことが多い

SNCA duplication: 典型的なPism+自律神経障害が多い

30-40代で発症。10年で死亡。Pismは多彩。

Dementia +, lewy body +

α-シヌクレインは神経軸索末端に存在し、微小管の過剰形成をきたすことで小胞エンドサイトーシスが障害される

通常a-synuclein KO ratは重度のnigral dopaminergic neuronsのlossをきたさない。（マウスではα-synの凝集が認められる）

Bacterial artificial chromosome (BAC) rat overexpressing wild-type human a-synuclein

12 month: reduced striatal dopamine, locomotor deficits

18 month: loss of nigral TH neurons

Non-motor behavioral abnormalities including impaired odor discrimination, and changes in novelty-seeking behavior before onset of the progressive motor deficits

・ Parkin (PARK 2) AR

Familial PDで最も多い。

40-59代以下の若年発症が多いが7-76歳と多彩

歩行障害で発症することが多い

下肢dystonia, LID,深部腱反射亢進, sleep benefitが多い

dementia, 嗅覚障害, MIBGの低下は稀

少量のdopaで著効し、末期までdopa反応性は保たれる

病理ではlewy bodyは稀

Deletion, truncation, and missense mutations

→About one-third of reported Parkin mutations are point mutations

Parkin: E3 ubiquitin ligase

ミトコンドリアはエネルギー産生を行うが、活性酸素を放出する。損傷したミトコンドリアの蓄積は細胞障害を引き起こす。正常な細胞では損傷したミトコンドリアは除去される（マイトファジー）。その際、ミトコンドリア内に存在するアポトーシス抑制タンパクは小胞体に移動する。通常ミトコンドリアの品質（膜電位）が低下するとPINK1がユビキチンをリン酸化し、リン酸化ユビキチンがParkinを活性化する。Parkinが損傷ミトコンドリア上のタンパク質にユビキチンを付加し、ミトコンドリアの分解・除去を誘導する。Parkinに異常があると損傷したミトコンドリアが蓄積し神経細胞が変性するとされる。

< Nguyen TN, Padman BS, Lazarou M. Deciphering the molecular signals of PINK1/Parkin mitophagy. Trends Cell Biol 2016; 26(10):733-744.

< Pickrell AM, Youle RJ. The roles of PINK1, parkin, and mito- chondrial fidelity in Parkinson’s disease. Neuron 2015;85(2):257- 273.

欠失や重複、ミスセンスなど様々な変異が報告されているが、genotypeとphenotypeに関連はないとされる。ARなので基本的にはhomozygoteで発症するが、ヘテロ接合子の片側アレルにのみ変異を有する(single heterozygote state)でも発症することがある。その場合には高齢発症の左右左のあるパーキンソニズムで孤発性PDと鑑別が困難。

Parkin-KO rats show no significant behavioral deficits or age-dependent nigral dopaminergic neuron loss.

< Dave KD, De Silva S, Sheth NP, et al. Phenotypic characterization of recessive gene knockout rat models of Parkinson’s disease. Neurobiol Dis 2014;70:190-203.

Pathology of Parkin KO rat

Parkin-KO rats also lack Lewy bodies or any other pathology immunoreactive to a-synuclein

< Doherty KM, Hardy J. Parkin disease and the Lewy body conun- drum. Mov Disord 2013;28(6):702-704.

・ PINK 1(PARK 6)

AR 人ではアジアに多い

PARK2と臨床症状が似ており鑑別は困難

下肢ジストニアやsleep benefit, DTR亢進の頻度は低いとされる

>PINK1 KO Rats

Loss of function in the mitochondrial kinase PTEN-induced kinase 1(PINK1)

PINK1 missense, nonsense and frameshift, large deletion

PINK1: sensor of mitochondria with low membrane potential and as an activator of Parkin to promote sequestration and degradation of defective mitochondria.

ミトコンドリア膜電位のセンサー、Parkinの活性化

<Narendra DP, Jin SM, Tanaka A, et al. PINK1 is selectively stabi- lized on impaired mitochondria to activate Parkin. PLoS Biol 2010;8(1): e1000298.

<Matsuda N, Sato S, Shiba K, et al. PINK1 stabilized by mitochon- drial depolarization recruits Parkin to damaged mitochondria and activates latent Parkin for mitophagy. J Cell Biol 2010; 189(2): 211-221.

PINK1 KO Rat

2 month: age-dependent vocalization deficits

4 month: Locomotor behavior deficits, reduced hind limb grip strength, and significantly increased foot slips and traversal time on a tapered balance beam apparatus.

6-8 month: age-dependent loss of nigral dopaminergic neurons

< Dave KD, De Silva S, Sheth NP, et al. Phenotypic characterization of recessive gene knockout rat models of Parkinson’s disease. Neurobiol Dis 2014;70:190-203.

Villeneuve LM, Purnell PR, Boska MD, Fox HS. Early expression of Parkinson’s disease-related mitochondrial abnormalities in PINK1 knockout rats. Mol Neurobiol 2016;53(1):171-186.

Grant LM, Kelm-Nelson CA, Hilby BL, et al. Evidence for early and progressive ultrasonic vocalization and oromotor deficits in a PINK1 gene knockout rat model of Parkinson’s disease. J Neurosci Res 2015;93(11):1713-1727.

Pathology of PINK1 KO Rat

Proteinase K-resistant a-synuclein aggregates in various brain regions.

< Grant LM, Kelm-Nelson CA, Hilby BL, et al. Evidence for early and progressive ultrasonic vocalization and oromotor deficits in a PINK1 gene knockout rat model of Parkinson’s disease. J Neurosci Res 2015;93(11):1713-1727.

・ DJ-1 (PARK 7)

Homozygous deletion and point mutations

DJ-1: Sensing or protecting against oxidative stress

< Baulac S, Lu H, Strahle J, et al. Increased DJ-1 expression under oxidative stress and in Alzheimer’s disease brains. Mol Neurode- gener 2009;4:12.

Lev N, Ickowicz D, Melamed E, Offen D. Oxidative insults induce DJ-1 upregulation and redistribution: Implications for neu- roprotection. Neurotoxicology 2008;29(3):397-405.

DJ-1 KO Rat

Mild locomotor behavioral deficits

Pathology of DJ-1 KO mice

6-8 month: Age-dependent nigral dopaminergic neuron loss