嗅覚によるウイルスの検出がゼブラフィッシュの脳免疫と行動を形成する

哉百名


嗅覚によるウイルスの検出がゼブラフィッシュの脳免疫と行動を形成する

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.03.17.533129v2#review


Aurora Kraus, Benjamin Garcia, Jie Ma, Kristian J. Herrera, Hanna Zwaka, Roy Harpaz, Ryan Y. Wong, Florian Engert, View ORCID ProfileIrene Salinas
doi: https://doi.org/10.1101/2023.03.17.533129
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要旨
嗅覚ニューロン（OSN）は、ウイルスを含む病原体に常にさらされている。しかし、嗅覚経路を介した重篤な脳内感染が起こることは稀である。OSNはウイルスを検出すると、局所的な抗ウイルス免疫応答を調整し、脳へのウイルスの進行を阻止する。嗅覚末梢での効果的な免疫制御にもかかわらず、病原体をトリガーとする神経細胞シグナルは嗅球（OB）を介して中枢神経系に到達する。われわれは、嗅球が神経細胞でウイルスを検出することで、嗅球における神経免疫応答が開始され、病原体の侵入を防ぐことができると考えた。ゼブラフィッシュ（Danio rerio）をモデルとして、OBに投射しているOSNのウイルス特異的な神経細胞活性化を示し、OSNがウイルスによって電気的に活性化されることを示した。さらに、成魚と幼魚の両方で、ウイルス曝露後の行動変化が見られた。OSNがウイルスにさらされた後、OB内の単一細胞の転写をプロファイリングすることで、ミクログリアとニューロンの両方が保護状態に入ることがわかった。OBのミクログリアとマクロファージ集団は、鼻からのウイルス投与後数分で反応し、その後、神経分化因子の発現が減少し、神経細胞クラスターでは神経ペプチドシグナル伝達経路の遺伝子が濃縮された。抗菌薬として知られる下垂体アデニル酸シクラーゼ活性化ポリペプチド（pacap）は、特に神経細胞クラスターに濃縮されていた。我々は、PACAPがin vitroで抗ウイルス性であること、そしてウイルス処理1日後にOBでPACAP発現が増加することを確認した。本研究により、嗅覚末梢におけるウイルスとの遭遇が、神経細胞における抗菌プログラムを誘導し、宿主の行動を変化させることによって、脊椎動物の脳をどのように形成しているかが明らかになった。

利益相反声明
著者らは、競合する利益はないと宣言している。

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2023年3月30日掲載
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本論文の評価/議論 x

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TRiP

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イーライフ
査読者#3（公開査読）：

Kraus A.らによるこの論文は、ゼブラフィッシュモデルを用いて、嗅球（OB）ニューロンおよびミクログリアにおける抗ウイルス応答について述べたものである。この論文では、行動試験、神経細胞カルシウムイメージング、単一細胞トランスクリプトーム解析を用いている。重要なことは、IHNV感染後、OBニューロンがPacapの発現を増加させ、ニューロン細胞を保護し、抗ウイルス防御反応を仲介している可能性が高いことを発見したことである。全体として、この論文で示された知見は非常に興味深い。

主な長所は以下の通りである：
(1) 著者は、ゼブラフィッシュのOSNニューロンがIHNVウイルスを感知し、OBニューロンにウイルスシグナルを伝達することを初めて証明した。このゼブラフィッシュは、ウイルスとニューロンの相互作用を調べ、末梢の化学感覚系を介して中枢神経系のニューロンがどのようにウイルス感染するのか、そのメカニズムを理解するための新しいシステムとして利用できる。

(2)この論文は、ゼブラフィッシュOB sc-RNAシーケンスデータを初めて作成した。この論文で得られたsc-RNAシーケンスデータは、OBニューロンを研究する他のゼブラフィッシュ研究者にも役立つであろう。

大きな弱点
この論文で発表された実験結果はうまく統合されていない。例えば、行動表現型とニューロンカルシウム表現型との関連が不明確である。また、行動や神経細胞カルシウムのイメージング結果とscRNAシーケンスの結果がどのように関連しているのかも不明である。

詳細
eLife評価

この研究は、感染性造血壊死ウイルスに暴露されたゼブラフィッシュ嗅球の成体ミクログリアとニューロンにおける転写反応について有用な記述を提示している。この堅実な研究は、ウイルス感染に対する中枢神経系の応答についての理解を進めるとともに、今後の研究の仮説生成として利用できる、特定の細胞タイプにおける遺伝子発現変化の目録を提供する。成体および幼虫におけるウイルスに対する行動および神経応答を評価する実験は不十分であり、これらの研究手段を発表された文献および著者らの単一細胞RNA配列決定結果と結びつける、より明確な概念的枠組みが有益であろう。

詳細
査読者1（公開査読）：

Krausらは、単細胞RNA-Seq法を用いて、ゼブラフィッシュ成魚の脳における感染性造血壊死ウイルスへの一過性の曝露に対する転写応答を調べた。著者らは、ウイルス暴露後数分以内にミクログリアクラスターで免疫応答が起こり、ウイルス処理1日後には神経細胞集団でより長期的な変化が起こるという貴重な証拠を発見した。この研究の強みはRNA-Seqデータであり、これはゼブラフィッシュコミュニティの貴重なリソースとなるだろう。RNA-Seq研究からの発見は説得力があり、ウイルス暴露の1日後にPACAPと呼ばれる神経ペプチドが神経細胞集団に濃縮され、抗ウイルス活性を示すことがわかった。

著者らは、最初の行動実験に基づいて感染後1日という時点を選択しているが、その証拠はせいぜい控えめなものである。幼虫を用いた実験の方がより実証的であるが、RNA-Seq実験には成虫を用いている。成虫の行動表現型は、感染1日後の速度のわずかな低下である。著者らは、病気行動に関連する他のテストを実施することもできただろうし、オープンフィールド実験における運動量をより詳細に解析して特徴付けることもできただろう（例えば、幼虫実験では旋回角度に関してより多くの情報が得られた）。

もっと
査読者2（公開査読）：

Kraus, Auroraらは、伝染性造血壊死症ウイルス（IHNV）に曝露された後の嗅球の潜在的な免疫応答について、嗅上皮を介して調査した。具体的には、a)「OSN」（クリプト細胞）のウイルス特異的ニューロン活性化、b)ウイルス暴露後のゼブラフィッシュ成魚と幼魚の行動変化、c)下垂体アデニル酸シクラーゼ活性化ポリペプチド（PACAP）が、OSNがIHNVに暴露された後、嗅球の細胞の単一細胞トランスクリプトーム・プロファイリングによってアッセイされた際に濃縮されたことを示している。

この論文には原理的には長所があるが、原稿の弱点は、これらの長所が直接的に示されていないことと、原稿の参考文献が、疑問点と研究結果の理解に重要な多くの文献を省略していることである。さらに、提示されたデータは、原稿の主要な主張を完全に裏付けるには不十分である。特に

a) OSNのウイルス特異的ニューロン活性化：
どのようなニューロンか？著者は少しとらえどころがなく、ニューロンがクリプト細胞（Sepahiら：ニジマス）であることを明言していない。クリプト細胞は、脳への非常に特異的な軸索投射を持ち、その反応特性はよく特徴付けられていない（Korsching研究室の研究を参照）。クリプト細胞は哺乳類の嗅覚上皮には存在しない。さらに、彼らの以前の研究では、クリプト細胞は死滅している。では、（炎症性）ウイルス反応が脳を保護するために嗅球に伝達されると、彼らはどのように考えているのだろうか？
著者らは以前の研究で、脳内でウイルスを検出したことはないと述べているが、なぜそうなるのだろうか？INHVは経シナプス的に移動するのだろうか？
神経細胞活動は汎神経細胞マーカーを用いてモニターされたため、IHNVが誘発した活動における神経細胞活動（クリプト細胞）の役割を理解しようとする場合、これらのデータは限定的なものである。著者らは、一般化した炎症反応の可能性を注意深く除外することなく、IHNVが匂い物質であると仮定している。
b) ウイルス曝露後のゼブラフィッシュ成魚と幼魚の行動変化：
ウイルス感染動物の行動を調べる動機は何か？どの魚種でも、クリプト細胞の消失が行動に及ぼす影響を知っているのだろうか？著者らは、行動実験のためのより良い概念的枠組みを構築する必要がある。

c) 下垂体アデニル酸シクラーゼ活性化ポリペプチド（PACAP）は、OSNがIHNVに暴露された後、OB内の細胞の単一細胞トランスクリプトーム・プロファイリングでアッセイすると濃縮された。著者は限られたデータから多くの寛大な結論を導き出している。著者は、PACAP-38が魚類（VHSV：マス）において抗ウイルス活性を有することを示す、以下のような既発表論文の引用を忘れているようだ： Velasquez et al 2020, First in vivo evidence of pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide antiviral activity in teleost.
原稿に示されたPACAPの組織学的所見は説得力に欠ける。抗体はPACAPのヒト型に対するものであるため、いかなる標識も慎重に扱われるべきである（そしてPACAP-38-likeと呼ばれるべきである）。

要約：著者らは、どのニューロンが情報を伝達しているのかを正確に説明するモデル（おそらく図が役に立つだろう）をもっと発展させる必要がある。どのニューロンが影響を受けるのか（クリプト細胞）、行動のポイントは何か（ウイルスに感染したニューロンのタイプに関係する）、ゼブラフィッシュタンパク質に特異的な抗体がないことなど、いくつかの言及がとらえどころがなく、重要な問題を避けているため、このモデルは不安定な基盤の上に構築されているように見える。

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