FARS2欠損症は、ミトコンドリアのホメオスタシスとミトコンドリア品質管理システムを破壊することによって心筋症を引き起こす。
アブストラクト
背景:肥大型心筋症(HCM)は一般的な遺伝性心疾患である。HCMはサルコメアタンパク質のバイオメカニクスに関与する遺伝子の多くの変異と関連することが報告されているが、部分的HCM患者では病因遺伝子は同定されていない。ミトコンドリアアミノアシルtRNA合成酵素の一種であるFARS2(ミトコンドリアフェニルアラニルtRNA合成酵素)はミトコンドリアの翻訳機構に関与している。いくつかのFARS2変異体が神経障害を引き起こすことが示唆されているが、他の臓器を含むFARS2関連疾患は報告されていない。我々は、心筋症における潜在的な新規病因遺伝子として同定し、ミトコンドリアの恒常性と心筋症の表現型に対するその影響を調べた。
方法:全ゲノム配列決定、サンガー配列決定、分子ドッキング解析、細胞モデル解析を用いて、HCM患者におけるFARS2変異体を同定した。FARS2コンディショナル変異マウス(p.R415L)またはノックアウトマウス、FARS2ノックダウンゼブラフィッシュ、およびFARS2ノックダウン新生ラット心室筋細胞を用いて、in vivoおよびin vitroでFARS2欠損モデルを構築した。FARS2の影響とミトコンドリア恒常性におけるその役割は、その後RNA配列決定とミトコンドリア機能解析を用いて評価された。さらなる検証のために、患者の心筋組織を用いた。
結果:HCM患者において7つの未報告の変異が同定された。心臓特異的欠損マウスは、心肥大、左室拡張、心筋およびミトコンドリアの機能障害を伴う進行性心不全を示し、寿命が短かった。心臓特異的ヘテロ接合体マウスは4週齢で心肥大傾向を示し、心筋機能障害を伴っていた。さらに、FARS2をノックダウンしたゼブラフィッシュは心膜浮腫と心不全を示した。FARS2の欠損は、ミトコンドリアtRNAのアミノアシル化を直接阻害し、ミトコンドリアタンパク質の合成を阻害することによって、ミトコンドリアの恒常性を損ない、最終的には、ミトコンドリアのハイパーフラグメンテーションを促進し、ミトコンドリア関連のオートファジーを破壊することによって、ミトコンドリアの品質管理システムの不均衡に寄与した。アデノ随伴ウイルス9または特異的阻害剤を用いてミトコンドリア品質管理システムに干渉させると、ミトコンドリアの恒常性を回復させることにより、FARS2欠損によって引き起こされる心機能障害およびミトコンドリア機能障害が軽減された。
結論:今回の発見は、心臓とミトコンドリアの恒常性維持におけるFARS2のこれまで認識されていなかった役割を明らかにした。この研究は、遺伝性心筋症の分子診断と予防、およびFARS2関連心筋症の治療法に関する新たな知見を提供する可能性がある。