神経発達障害に関連する細胞接着分子がカルシウムイオンを介して神経細胞同士を適切につなぐ仕組みの解明

2018-09-28

2018/09/27 東京大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）,信州大学

ポイント

神経発達障害に関連する細胞接着分子ＬＲＲＴＭとニューレキシン（Ｎｒｘｎ）がカルシウムイオンを介して選択的に結合して神経細胞同士を適切につなぐ仕組みを解明しました。
Ｎｒｘｎ１βとＬＲＲＴＭ２が結合した状態の立体構造を決定し、Ｎｒｘｎ１βとＬＲＲＴＭ２とのカルシウムイオンを介した選択的な相互作用の詳細を明らかにしました。
本成果は、神経回路形成のメカニズムの解明や自閉症などの神経発達障害に関わる今後の研究に役立つ知見になると期待されます。

東京大学定量生命科学研究所（白髭克彦　所長）の深井周也　准教授らのグループは、細胞接着分子Ｎｒｘｎ１β^注１）とＬＲＲＴＭ２^注２）がカルシウムイオンを介して結合した複合体の立体構造を決定し、神経細胞同士を適切につなぐ仕組みを解明しました。

神経細胞間の接続部であるシナプス^注３）の形成と再編は、神経回路の形成や記憶学習の際に起きる重要なステップであり、その調節機構の破綻は自閉症などの神経発達障害の発症と密接に関連することが示唆されています。神経発達障害に関連する細胞接着分子であるＮｒｘｎとＬＲＲＴＭは、それぞれシナプス前終末と後終末（図１）に配置されて選択的に相互作用することで、興奮性シナプスの形成を誘導します。

深井准教授らの研究グループは、Ｎｒｘｎ１βとＬＲＲＴＭ２が結合した状態の立体構造をＸ線結晶構造解析^注４）で決定することによって、これらの分子がカルシウムイオンを介して選択的に相互作用する分子機構を明らかにしました。本成果は、神経回路形成のメカニズムの解明や自閉症などの神経発達障害に関わる今後の研究に役立つ知見になると期待されます。

本研究成果は２０１８年９月２７日付（英国時間）の英国科学雑誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」のオンライン版に掲載されます。

本研究成果は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）の戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「ライフサイエンスの革新を目指した構造生命科学と先端的基盤技術」研究領域（田中啓二　研究総括）における研究課題「シナプス形成を誘導する膜受容体複合体と下流シグナルの構造生命科学」（研究代表者：深井周也）の一環として行われました。

＜研究の背景＞

神経細胞間の接続部であるシナプスの形成と再編は、脳の発達に伴い神経回路が作られる際や記憶学習の際に起こる重要なステップであり、その調節機構の破綻は自閉症、知的障害などの神経発達障害の発症と深く関わることが示唆されています。シナプスを介して神経細胞間で信号の授受が行われますが、出力側をシナプス前終末、入力側をシナプス後終末と呼び、シナプス前終末と後終末の両方もしくは片方を分化誘導する能力を持つ細胞接着分子をシナプスオーガナイザーと呼びます（図１）。ＬＲＲＴＭはシナプス後終末側のシナプスオーガナイザー分子ファミリーであり、ヒトやマウスではＬＲＲＴＭ１からＬＲＲＭＴ４までの４種類が知られています。４種類のうちＬＲＲＴＭ１とＬＲＲＴＭ２は、シナプス前終末側のシナプスオーガナイザー分子ファミリーであるＮｒｘｎと結合して興奮性シナプスの形成を誘導することが明らかになっていましたが、ＬＲＲＴＭ３やＬＲＲＴＭ４がＮｒｘｎと結合してシナプス形成を誘導するかどうかは明確な結論が得られていませんでした。また、ＬＲＲＴＭは、Ｓ４と呼ばれる挿入部位のないＮｒｘｎ（–Ｓ４）とのみ結合することが分かっていましたが、その分子機構の詳細は不明でした。

＜研究の内容＞

本研究グループは、Ｎｒｘｎ１βがＬＲＲＴＭ２と結合した複合体の結晶を作製し、大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８（兵庫県佐用郡）やＰｈｏｔｏｎＦａｃｔｏｒｙ（茨城県つくば市）の高輝度Ｘ線を利用したＸ線結晶構造解析により、Ｎｒｘｎ１β–ＬＲＲＴＭ２複合体とＬＲＲＴＭ２単体の立体構造を決定しました。Ｎｒｘｎ１β–ＬＲＲＴＭ２複合体の立体構造により、Ｎｒｘｎ１βとＬＲＲＴＭ２との選択的な相互作用の詳細が明らかになりました（図２）。相互作用に関与する部位を変異させたタンパク質を作製して結合活性とシナプス誘導活性を測定することで、立体構造から明らかになった相互作用部位が機能的にも重要であることを裏付けました。Ｎｒｘｎ１βとの相互作用に関与するＬＲＲＴＭ２の部位はＬＲＲＴＭ１でも保存されており、ＬＲＲＴＭ１とＬＲＲＴＭ２がＮｒｘｎ１βの結合パートナーである事実と合致していましたが、ＬＲＲＴＭ３やＬＲＲＴＭ４では一部の部位が異なっており、Ｎｒｘｎ１βとの結合も確認できませんでした。他の研究グループの報告と合わせると、ＬＲＲＴＭ３やＬＲＲＴＭ４ではヘパラン硫酸プロテオグリカンが主要な結合パートナーであることが示唆されました。

＜社会的意義と今後の予定＞

本研究グループは、シナプスオーガナイザー分子同士の選択的相互作用の分子機構の解明を通じて、中枢シナプス形成の特異性を保証する基本原理を理解してきました。今回、新たな選択的相互作用メカニズムを明らかにしたことで、基本原理の理解がさらに進みました。ヒトにおいてＮｒｘｎやＬＲＲＴＭは自閉症などの神経発達障害と関連することが報告されており、今回の研究結果は、神経発達障害の病態解明や治療・創薬標的の提示に役立つことが期待されます。

＜参考図＞

図１　ＮｒｘｎとＬＲＲＴＭが関わるシナプスオーガナイザー間の選択的な相互作用

Ｎｒｘｎにはαとβの２種類があるが、ここではβだけを示してある。Ｓ４と呼ばれる挿入部位の有無（＋Ｓ４および–Ｓ４）の違いで相互作用する分子が選択される。

図２　今回の解析で明らかになったＮｒｘｎ１β–ＬＲＲＴＭ２複合体の立体構造

＜用語解説＞

注１）ニューレキシン（Ｎｅｕｒｅｘｉｎ、Ｎｒｘｎ）: 細胞接着タンパク質の１つ。神経細胞のシナプス形成を誘導する活性を持つ。一回膜貫通型の膜タンパク質で、細胞外領域が大きなα－Ｎｒｘｎと小さなβ－Ｎｒｘｎの２つの型が存在する。Ｎｒｘｎ１βはβ－Ｎｒｘｎの１つ。シナプス前終末に局在するＮｒｘｎがシナプス後終末に局在するＬＲＲＴＭやニューロリギン、Ｃｂｌｎ１－ＧｌｕＤ２と相互作用することで、シナプス形成が誘導される。
注２）ＬＲＲＴＭ: 細胞接着タンパク質の１つ。Ｎｒｘｎと相互作用することで興奮性のシナプス形成を誘導する活性を持つ。
注３）シナプス: 神経細胞の軸索（シナプス前終末）が他の神経細胞（シナプス後細胞）に入力する部位に形成される、神経細胞間の信号伝達を担う構造。シナプス前終末と後細胞の間に隙間があり、シナプス前終末からの神経伝達物質の放出を介して信号を伝える。
注４）Ｘ線結晶構造解析: 分子の三次元構造を高分解能で決定する手法の１つ。分子が規則正しく並んだ結晶にＸ線を照射すると回折という現象が起きる。回折データを解析することで、結晶を構成する分子の構造を原子レベルで決定することができる。

＜論文情報＞

タイトル:“Structural insights into modulation and selectivity of transsynaptic neurexin–LRRTM interaction”

著者名:Atsushi Yamagata, Sakurako Goto-Ito, Yusuke Sato, Tomoko Shiroshima, Asami Maeda, Masahiko Watanabe, Takashi Saitoh, Katsumi Maenaka, Tohru Terada, Tomoyuki Yoshida, Takeshi Uemura, and Shuya Fukai

ＤＯＩ:10.1038/s41467-018-06333-8