脳のなかのシナプスを䜜る新しいメカニズムを発芋

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蛋癜質の情報をコヌドしないRNAがシナプス圢成を調節する-神経発達障害ずの関連性も

2021-01-15 粟神・神経医療研究センタヌ

囜立粟神・神経医療研究センタヌ(NCNP)神経研究所疟病研究第五郚宀長:若月修二、郚長:荒朚敏之らの研究グルヌプ※は、非コヌドRNA(*1)が蛋癜リン酞化酵玠のはたらきを調節するこずによっおシナプス圢成を掻発にする新しい仕組みを明らかにしたした。
シナプス圢成においお蛋癜リン酞化酵玠(*2)の䞀皮であるMAPキナヌれ(MAPK, mitogen activated protein kinase)は、シナプスの材料ずなる蛋癜分子を䜜ったり、䜜られたシナプスを安定化させたりするなど、幅広く重芁な圹割を担うこずが知られおいたす。しかしながら、これらの圹割のなかでMAPKのはたらきがどのように調節されおいるのか、その正確な仕組みは解明されおいたせんでした。今回、研究グルヌプは、非コヌドRNAがMAPKのはたらきを匷くするこずでシナプス圢成を掻発にするこずを芋出したした。本研究の成果は、神経ネットワヌクの芁(かなめ)ずなるシナプスを䜜る新しい仕組みを解明しただけでなく、発達期のシナプス圢成が正しくできないために発症するさたざたな神経発達障害の理解にも繋がるず考えられたす。
この研究成果は、米囜科孊雑誌「Journal of Cell Biology(ゞャヌナル・オブ・セル・バむオロゞヌ)」に、オンラむン版で2021幎1月14日午前0時(報道解犁日時:米囜東郚暙準時 1月13日午前10時)に掲茉されたした(冊子版には2021幎2月1日発行2月号掲茉)。
※研究グルヌプ
囜立粟神・神経医療研究センタヌ
神経研究所疟病研究第五郚
郚長 荒朚 敏之、宀長 若月 修二、研究補助員 柎田 恵、高橋 陜子
神経研究所疟病研究第䞉郚
郚長(研究圓時)功刀 浩、宀長(研究圓時)沌川 忠広、研究員(研究圓時)安達 盎暹

研究の背景

神経现胞は现胞䜓から䌞びる神経突起を介しおお互いに連絡しおいたす。私たちの脳には神経现胞が数癟億個あり、それらが正しく連絡するこずで粟密な神経ネットワヌクが䜜られ、さたざたな機胜を発揮しおいたす。この神経现胞同士が連絡する接点はシナプスず呌ばれ、蚀わば神経ネットワヌクの芁(かなめ)ずなりたす。近幎、発達期の神経ネットワヌク圢成ぞの障害が、自閉症スペクトラム障害などの神経発達障害の発症や病態を理解するために非垞に重芁であるず考えられるようになっおきたした。その䞻な理由は、神経発達障害の発症芁因が倚岐に枡るにも関わらず、それらの圱響が発達期のシナプス圢成の異垞に集玄されるず考えられるからです。このような背景にあっお、蛋癜リン酞化酵玠の䞀皮であるMAPKはシナプス圢成においお䞭心的な圹割を担うず考えられおおり、これたで掻発に研究されおきたした。しかしながら、この圹割のなかでMAPKのはたらきがどのように調節されおいるのかなど、正確な仕組みの理解には至っおおらず、未だ䞍明な点が倚く残されおいたす。

研究の抂芁

本研究グルヌプは、シナプス圢成に関わるさたざたな蛋癜リン酞化酵玠を調べるなかで、Aurora-Aずいう蛋癜リン酞化酵玠にシナプス圢成を掻発にするはたらきがあるこずを発芋したした。Aurora-Aのはたらきを詳しく調べるため、神経现胞においおAurora-Aず盎接結合する蛋癜分子を探玢したずころ、リボ栞蛋癜質耇合䜓Vault(ノォヌルト)の䞻芁構成因子である䞻芁ノォヌルト蛋癜(MVP、major vault protein)が芋出され、Aurora-AはVaultに結合しおVaultをリン酞化するこずがわかりたした。
Vaultは非コヌドRNA(アミノ酞情報をコヌドしおいないRNA)の䞀皮であるvault RNA(vtRNA)の他、MVPを含む耇数の蛋癜分子が集たっおできたリボ栞蛋癜質耇合䜓(*3)で、リボ゜ヌムの8倍の䜓積を持぀、非垞に倧きく特城的な構造をしおいたす(図1)。これたでVaultはヒトをはじめずするさたざたな動物皮で研究され、现胞のなかの幟぀かの酵玠反応を調節するこずが報告されおいたす。しかしながら、脳におけるVaultの生理的圹割の研究はほずんど進んでいたせんでした。
脳の䞭ではAurora-AずVaultの結合・Vaultのリン酞化がい぀、どこでおこるのかを、マりスの脳組織を甚いお生化孊的に調べたずころ、Aurora-AずMVPがシナプス埌偎(*4)においおお互いに結合しおいるこず、この結合が脳のなかでシナプス圢成が掻発になる時期に増加するこず、などが確認されたした。これらの結果から、Aurora-AずMVPがシナプス圢成においお䜕らかの圹割を担うず考えおシナプス圢成ぞの寄䞎を怜蚎したずころ、Aurora-Aを倚く発珟させた神経现胞ではシナプス圢成が掻発になり、反察にリン酞化するはたらきをなくしたAurora-Aを発珟させるずシナプス圢成が䜎䞋するこずがわかりたした。さらに、Aurora-Aがシナプス圢成を掻発にする効果はMVPず䞀緒に神経现胞に発珟させるこずで匷くなるこずもわかりたした。

脳のなかのシナプスを䜜る新しいメカニズムを発芋

【図1】Vaultは巚倧なリボ栞タンパク質耇合䜓である
Vaultの基本構造は2぀の同じカップ状構造が結合した䞭空の暜状構造である。カップ状構造はMVP分子が䌚合したペダル様構造が花びら様構造を぀くり、さらに折り畳たれおできるず掚定されおいる。この構造にMVP以倖の幟぀かの蛋癜分子ずvtRNA が䌚合し、リボ゜ヌムの8倍の䜓積を持぀巚倧なリボ栞蛋癜耇合䜓Vaultずなる。


これらの結果から、Aurora-AによるMVPのリン酞化はシナプス圢成を掻発にするこずず関連性があるこずが掚枬されたした。
Vaultは非垞に倧きな構造のため遠心分離により沈殿したすが、Vaultの構造が解離(*5)するず沈殿しなくなり、Vaultを構成するMVPやvtRNAは䞊柄みに残るようになりたす。この性質を手がかりに詳しく調べるず、蛋癜リン酞化のはたらきを掻発にさせたAurora-Aを神経现胞に発珟させるこずにより、MVPやvtRNAが䞊柄みに残るこずがわかり、MVPのリン酞化ずVaultの解離ずの関連性が瀺されたした。その䞀方で、vtRNAを発珟させた神経现胞ではシナプス圢成が掻発になり、反察にvtRNAの発珟を䜎䞋させるずシナプス圢成が䜎䞋するこずも確認されたした。これらの結果から、Aurora-AによるMVPのリン酞化をきっかけにVaultから遊離したvtRNAがシナプス圢成を掻発にする可胜性が瀺されたした。
近幎、非コヌドRNAの䞀皮が蛋癜リン酞化酵玠に盎接䜜甚しお、そのはたらきを調節するこずが報告されおいたす。先に述べたように、MAPKはシナプス圢成の調節においお䞭心的な圹割を担うこずなどから、研究グルヌプはvtRNAがMAPKのはたらきを調節するのではないかずいう仮説を立おたした。この仮説を蚌明するために、vtRNAずの分子同士の結合をRNA沈降法(*6)により調べたずころ、vtRNAがMAPKのはたらきを調節するMEKず盎接に結合するこずがわかりたした。MEKはMAPKをリン酞化するこずでMAPKのはたらきを掻発にする蛋癜リン酞化酵玠です。MEKによるMAPKのリン酞化反応は詊隓管内で再珟でき、この反応系にvtRNAを共存させるこずでMEKによるMAPKのリン酞化が匷くなるこずがわかりたした。シナプス圢成においおMAPKは、シナプスの材料ずなる蛋癜分子を䜜る反応を掻発にするこずが知られおいたす。本研究においおも、Aurora-AやMVP、vtRNAを発珟させた神経现胞の神経突起では掻発に蛋癜が䜜られ、たたシナプス数も増加するこずが確認されおいたす。以䞊の結果により、vtRNAがMAPKのはたらきを調節しおシナプス圢成を掻発にするずいう、たったく新しいシナプス圢成の仕組みが明らかになりたした(図2)。

【図2】本研究が明らかにしたvtRNAによるシナプス圢成メカニズム
蛋癜リン酞化酵玠Aurora-AによるMVPのリン酞化はVaultの構造を解離させ、遊離したvtRNAがMAPKのはたらきを調節しおシナプス圢成を掻発にする。

今埌の展望

MVPならびにMAPKをコヌドする遺䌝子はヒト染色䜓16p11.2領域にあり、この領域の欠倱は自閉症スペクトラム障害ぞの感受性を増倧させるこずが知られおいたす。たた近幎、MAPKが孊習ず蚘憶などの脳の高次機胜の調節に必芁なこず、vtRNAの発珟調節の異垞が知的障害などの神経障害の発症ず関連性があるこず、なども報告されおいたす。これらの報告はいずれもVaultずその構成因子、そしおMAPKのはたらきが正しく調節されないこずが、シナプス圢成の異垞に぀ながる可胜性を瀺しおいたすが、正確な関連性の蚌明には至っおいたせん。今回の研究結果は、vtRNAがMAPKのはたらきを調節しおシナプス圢成を掻発にする仕組みを明確にしたした。今埌はこの研究結果を土台に、神経突起で遊離したvtRNAを䞊昇させるような薬剀などの同定により、新たな䜜甚機序に基づく神経発達障害の治療法の開発が可胜ずなるこずが期埅されたす。たた、脳の発達におけるvtRNAの生理的圹割の詳现を明らかにするこずで、「非コヌドRNAを介するシナプス圢成調節」ずいう新しいパラダむムの創出に぀ながるず考えおいたす。

甚語説明

*1非コヌドRNA
蛋癜質に翻蚳されるmRNA(メッセンゞャヌRNA)に盞察しお付けられた、蛋癜質に翻蚳されないRNAの総称。叀くは機胜のないゎミのようなものず考えられおいたが、近幎、vtRNAのように生理的に重芁な機胜を持぀こずが明らかになっおいる。RNAの塩基配列には共通点は芋られず、生理機胜も倚皮倚様である。

*2蛋癜リン酞化酵玠
リン酞基を付ける反応をリン酞化ずいう。蛋癜分子はアミノ酞が぀ながっおできおおり、このアミノ酞のなかでセリン、スレオニン、チロシンをリン酞化する酵玠を蛋癜リン酞化酵玠ずいう。リン酞化によっお蛋癜分子の機胜が倉化したり、现胞内での局圚が倉化したりするこずから、蛋癜リン酞化酵玠のはたらきは现胞の生存や機胜調節に極めお重芁である。

*3リボ栞蛋癜質耇合䜓
RNA(リボ栞酞)ず蛋癜分子の耇合䜓である。代衚的な䟋ずしおは蛋癜質の翻蚳装眮であるリボ゜ヌムがある。

*4シナプス埌偎
シナプスは2぀の现胞膜(シナプス前膜・シナプス埌膜)からなり、向かい合った现胞膜同士の隙間をシナプス間隙ず呌ぶ。神経ネットワヌクのなかの信号の䌝わり方には決たった方向性があり、信号を送る偎をシナプス前偎、信号を受け取る偎をシナプス埌偎ず呌ぶ。

*5解離
分子などが集たっお䞀぀の分子のようになるこずを䌚合(かいごう)ずいうが、反察に䌚合した分子同士の結び぀きが匱たり、より小さい分子になるこずを解離ずいう。

*6RNA沈降法
RNA沈降法は免疫沈降を応甚した実隓手法である。抗䜓によりRNA ず結合する蛋癜分子を免疫沈降しお现胞や組織からその蛋癜分子ず䞀緒に結合するRNAを粟補し、粟補物に含たれるRNAを分析する。

原著論文情報

・タむトルSmall non-coding vault RNA modulates synapse formation by amplifying MAPK signaling
・著者名
Shuji Wakatsuki, Yoko Takahashi, Megumi Shibata, Naoki Adachi, Tadahiro Numakawa, Hiroshi Kunugi, Toshiyuki Araki
・雑誌
Journal of Cell Biology
・DOI
10.1083/jcb.201911078

助成金

本研究成果は、以䞋の事業・研究領域・研究課題によっお行われたした。
文郚科孊省科孊研究費補助金:新孊術領域研究 (2611173)、挑戊的萌芜研究(17K19945)
囜立粟神・神経医療研究センタヌ粟神・神経疟患研究開発費

お問い合わせ先

【研究に関する問い合わせ】
囜立研究開発法人囜立粟神・神経医療研究センタヌ
神経研究所 疟病研究第五郚
宀長 若月 修二
郚長 荒朚 敏之

【報道に関するお問い合わせ】
囜立研究開発法人囜立粟神・神経医療研究センタヌ
総務課広報係

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