広報活動

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2012年1月30日

独立行政法人 理化学研究所

抑制性シナプス形成に重要なタンパク質を発見

-脳機能における抑制性シナプスの役割解明に手掛かり-

ポイント

  • 膜タンパク質SLITRK3が抑制性シナプスの形成を誘導
  • SLITRK3欠損マウスはてんかんに似たけいれん発作を起こすことを確認
  • 神経細胞の過活動と関連した神経疾患の病態の理解や改善に期待

要旨

独立行政法人理化学研究所(野依良治理事長)は、神経系に発現する膜タンパク質SLITRKファミリー※1の1つである「SLITRK3※1」が、神経細胞の抑制性シナプス形成に重要な役割を持つことを発見しました。これは、理研脳科学総合研究センター(利根川 進センター長)行動発達障害研究チームの有賀 純チームリーダー、カナダブリッティシュコロンビア大学の高橋 秀人研究員、アンマリー クレイグ(Ann Marie Craig)教授らの研究グループによる成果です。

神経細胞は情報を伝達することに特化した特別な細胞で、動物の感覚や行動などを制御しています。神経細胞同士が情報を伝え合うときには、神経細胞間に形成されるシナプス※2と呼ばれる構造の中で、神経伝達物質の放出と受容が起きます。シナプスには、機能的に「興奮性シナプス」と「抑制性シナプス」に分けることができます。興奮性シナプスでは情報を受け取った細胞が電気的に興奮しやすくなり、抑制性シナプスでは興奮しにくくなります。近年の研究から興奮性シナプスと抑制性シナプスのバランスが正常な脳機能活動に重要であり、いくつかの神経疾患ではこのバランスが乱れていると考えられています。

研究グループは、主に脳神経系の神経回路形成に関与する細胞膜貫通型タンパク質SLITRKファミリーに着目し、培養細胞を用いてシナプス形成の活性を調べたところ、SLITRK3が興奮性シナプスには影響せず、抑制性シナプスの形成を促進することを見いだしました。さらに神経伝達物質を受け取るシナプス後部に存在するSLITRK3は、神経伝達物質を放出するシナプス前部にある膜タンパク質「PTPRD※3」と結合して、抑制性シナプスの形成を促進することが分かりました。一方、SLITRK3を欠損したマウスでは、海馬で抑制性シナプスの数が顕著に減少し、抑制性シナプス由来の電気活動も低下していることが明らかになりました。またSLITRK3欠損マウスでは脳波に異常も認められ、てんかんに似たけいれん発作が起きやすくなっていました。

今回の発見は、脳機能において抑制性シナプスが果たす役割に関する重要な知見であり、てんかんなどの神経細胞の過活動と関連した神経疾患の病態の理解や改善に貢献できると期待します。

本研究成果は、科学雑誌『Nature Neuroscience』に掲載されるに先立ちオンライン版(1月29日付け:日本時間1月30日)に掲載されます。

背景

神経細胞は情報を伝達することに特化した特別な細胞で、動物の感覚や行動などを制御しています。神経細胞同士が情報を伝え合うときには、神経細胞間に形成されるシナプスという構造が重要な役割を果たします。情報の伝達に神経伝達物質が使われるタイプのシナプスは、機能的に「興奮性シナプス」と「抑制性シナプス」に分けることができます。興奮性シナプスでは情報を受け取った細胞が電気的に興奮やすくなり、抑制性シナプスでは興奮しにくくなります。近年の研究から興奮性シナプスと抑制性シナプスのバランスが正常な脳機能活動に重要で、いくつかの神経疾患ではこのバランスが乱れていると考えられています。

最近の研究により、シナプスの形成に関わる分子について理解が進み、興奮性シナプスの形成メカニズムについては多くのことが分かってきました。しかし、抑制性シナプスの形成については、これに関わる分子が少数しか見つかっていないため、あまり理解が進んでいませんでした。

SLITRKファミリーは、2003年 理研脳科学総合研究センター 発生発達研究グループが発見、命名した神経系に発現する細胞膜貫通型タンパク質ファミリーです。6種類の細胞膜貫通型タンパク質からなるSLITRK1~SLITRK6が脳神経系や内耳などで産生されること、一部のものは高次脳機能の調節、神経回路の形成に重要な役割を持つことを報告しました。(2009年11月11日プレスリリース)

2009年と2011年に米国とカナダのグループがこのタンパク質ファミリーとヒトとの精神神経疾患への関与の可能性を報告し、疾患原因遺伝子の候補として注目を集めています。そこで研究グループは、SLITRKファミリーとシナプスの関わりに着目し、その機能や分子機構の解明に挑みました。

研究手法と成果

研究グループは、SLITRKファミリーとシナプス形成の関係性を調べるために6種類のSLITRKファミリータンパク質をそれぞれ発現させた非神経細胞とラットの海馬の神経細胞を混ぜ合わせて培養しました。すると、SLITRKファミリータンパク質を発現させた細胞に対して、海馬の神経細胞がシナプスに似た構造を作ることが明らかになりました。興奮性シナプスと抑制性シナプスそれぞれの局在が分かる特有な分子マーカーで調べると、SLITRK3タンパク質以外を発現させた非神経細胞は、興奮性と抑制性シナプス両方を同程度に誘導するのに対して、SLITRK3タンパク質を発現させた非神経細胞は、抑制性シナプスだけを強く誘導することが分かりました。 (図1)

また、培養した海馬の神経細胞では、SLITRK3タンパク質は抑制性シナプスのシナプス後部(神経伝達物質を受け取る側)に存在する足場タンパク質(ゲフィリン)※4と共在し、興奮性シナプスの後部に存在する足場タンパク質(PSD95)※4とは共在しないという結果を得ました。さらに海馬の培養細胞の中で、SLITRK3タンパク質の遺伝子発現を減少させると、ゲフィリン陽性の抑制性シナプスの数が減少するのに対して、PSD95陽性の興奮性シナプスの数には、明確な影響がありませんでした。つまり、SLITRK3タンパク質は抑制性シナプスを誘導し、シナプス後部にゲフィリンと共在していることが分かりました。

シナプス形成には、シナプスの前部と後部の間でいくつかの分子が結合され、分子複合体を形成することが必要です。そこで、これまでにシナプスの形成に関与することが知られているいくつかの分子について、SLITRK3と結合するかどうかを検討しました。その結果、膜タンパク質の一つであるPTPRDがSLITRK3と結合することを見いだしました。PTPRDはシナプス前部(神経伝達物質を放出する側)に分布しており、培養した海馬の神経細胞でPTPRDの遺伝子発現を減少させると、SLITRK3を発現させた非神経細胞と混合培養しても、抑制性シナプスが形成されにくくなりました。つまり、SLITRK3はPTPRDと結合して、抑制性シナプス前部の構造を誘導すると考えられます(図2)

実際に脳の中でSLITRK3が抑制性シナプス形成に関与するのか調べるために、SLITRK3欠損マウスを作製し、そのシナプスの異常を調べました。すると、海馬の錐体細胞※5の細胞体周囲で抑制性シナプス特有の分子マーカーの発現が減少していることを明らかにしました,(図3)。そこでSLITRK3欠損マウスの海馬の切片でシナプスの活動を調べると、抑制性シナプスの活動に由来する電気信号が減少するのに対して、興奮性シナプスの活動に由来する信号には変化が認められませんでした。つまり、SLITRK3欠損マウスの海馬の錐体細胞では、抑制性シナプスが減少することを確認しました。

SLITRK3欠損マウスは、時々てんかんの発作に似た異常行動(突然無動状態になる、頭部を規則的にゆする、前肢を硬直させるなど)を示します。また、脳波を調べると振幅の大きい異常波が頻繁に観察できました。これらの異常は、おそらく抑制性シナプスの機能が失われたために起きる神経細胞の過活動が原因であると推測できます。

今後の期待

今回、神経系に発現する膜タンパク質SLITRKファミリーのひとつのSLITRK3が、神経細胞の抑制性シナプスの形成に重要な役割を持つことを発見しました。今後、抑制性シナプスの脳機能における役割を詳細に解明するためにSLITRK3欠損マウスの神経回路の異常や行動の異常を検証します。特にSLITRK3を含めたSLITRKファミリーがもつ中枢神経系の興奮性・抑制性シナプスのバランスを制御する仕組みの解明は、基礎研究の観点から大変重要なテーマです。さらにSLITRK3を含む抑制性シナプスの形成・維持に関わる分子機構を解明できれば、てんかんや多動症など神経細胞の過活動と関連した神経疾患の病態の理解や改善に役立つと期待できます。

原論文情報

  • Hideto Takahashi, Kei-ichi Katayama, Kazuhiro Sohya, Hiroyuki Miyamoto, Tuhina Prasad, Yoshifumi Matsumoto, Maya Ota, Hiroki Yasuda, Tadaharu Tsumoto, Jun Aruga and Ann Marie Craig. “Selective control of inhibitory synapse development by Slitrk3-PTPdelta trans-synaptic interaction”. Nature Neuroscience, 2012, doi: 10.1038/nn.3040.

発表者

理化学研究所
脳科学総合研究センター 疾患メカニズムコア 行動発達障害研究チーム
チームリーダー 有賀 純(あるが じゅん)
Tel: 048-467-9791 / Fax: 048-467-9792

お問い合わせ先

脳科学研究推進部 企画課
Tel: 048-467-9757 / Fax: 048-462-4914

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補足説明

  1. SLITRKファミリー、SLITRK 3
    神経系に発現する新規の細胞膜貫通型タンパク質ファミリーとして、2003年理研脳科学総合研究センターの発生発達研究グループにより報告された。1回膜貫通型タンパク質で、アミノ末端側にはロイシンリッチリピートというタンパク質-タンパク質間の結合によく用いられるドメインが2個存在し、カルボキシ末端側には神経栄養因子受容体と部分的に類似のアミノ酸配列が存在する。SLITRK 3は脳全体で発現するが、特に海馬の錐体細胞層などで強いことが知られている。
  2. シナプス
    神経細胞間あるいは筋繊維、または神経細胞と他種細胞間に形成される、シグナル伝達などの神経活動に関わる接合部位とその構造のこと。化学シナプス(小胞シナプス)と電気シナプス(無小胞シナプス)、および両者が混在する混合シナプスに分類される。シグナルを伝える側の細胞をシナプス前部、伝えられる側の細胞をシナプス後部と呼ぶ。神経細胞の増殖の際に、特定の位置にある神経細胞が特定の細胞に軸索を伸ばし、シナプスを形成して神経回路を形成する。そのときに軸索を誘導する因子として神経栄養因子(ニューロトロフィン、NGFなど)が知られている。また、神経細胞群は初期に過剰な接続を形成した後、必要なものだけを残してシナプスを減らすと考えられている。
  3. PTPRD
    受容体型チロシンホスファターゼ。膜貫通型のタンパク質であり、通常2個のホスファターゼ関連ドメインを有している。細胞外はさまざまな分子間相互作用に関わる免疫グロブリン様ドメイン、フィブロネクチン3様ドメインが存在している。このグループのホスファターゼは、細胞外の情報を細胞内の伝達経路に伝える役割を担っていることが多い。PTPRD欠損マウスは空間学習機能に異常があり、海馬のシナプスの性質が変化していることが知られている。
  4. 足場タンパク質(ゲフィリン、PSD95)
    伝達物質が分子複合体を形成する足場となるタンパク質。ゲフィリン(GEPHYRIN)は、抑制性シナプスのシナプス後部に特有に存在するタンパク質で、PSD95は興奮性シナプスのシナプス後部に特有に存在する足場タンパク質であることが知られている。
  5. 錐体細胞
    海馬に存在する主要な興奮性の神経細胞。その細胞体は明瞭な層状構造を形成する。数多くの海馬の抑制性神経細胞が錐体細胞の様々な部位に抑制性シナプスを形成して、その活動を制御していることが知られている。

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培養細胞で見いだされたSLITRK3のシナプス形成活性

図1 培養細胞で見いだされたSLITRK3のシナプス形成活性

非神経系培養細胞(COS細胞:アフリカミドリザルの腎線維芽細胞を形質転換させた培養細胞)にSLITRKファミリータンパク質の遺伝子を導入して、発現させた。この細胞とラットの脳から取り出した海馬の神経細胞を混ぜ合わせて培養し、興奮性シナプス前部、抑制性シナプス前部に特有な分子マーカーに対する抗体を使った蛍光免疫染色を行ったところ、SLITRK3以外を発現させた非神経細胞には、興奮性と抑制性シナプス両方を同程度に誘導するのに対して、SLITRK3タンパク質を発現させた非神経細胞は、抑制性シナプスだけを強く誘導することが分かった。

SLITRK3とPTPRDの結合が抑制性シナプスの形成を促進する

図2 SLITRK3とPTPRDの結合が抑制性シナプスの形成を促進する

SLITRK3はシナプス後部に、PTPRDはシナプス前部に局在している。両者の結合が抑制性シナプスを構成する分子複合体の形成を促進するものと考えられる。

SLITRK3欠損マウスの海馬での抑制性シナプスの様子

図3  SLITRK3欠損マウスの海馬での抑制性シナプスの様子

SLITRK3欠損マウスの海馬の錐体細胞層(*印)で、抑制性シナプスに特有な分子マーカーに対する抗体を用いたところ、正常マウスに比べて蛍光色が少なくなっている。つまり、抑制性シナプスが顕著に減少していることを示している。

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