自閉症などの神経発達障害に関連するタンパク質が神経細胞同士を適切につなぐ仕組
み
１．発表者： 深井 周也（東京大学放射光連携研究機構 准教授） 山形 敦史（東京大学放射光連携研究機構 助教） 吉田 知之（富山大学大学院医学薬学研究部 准教授） ２．発表のポイント： ◆自閉症などの神経発達障害に関連するタンパク質同士が結合した状態の立体構造を決定し ました。 ◆決定した立体構造から神経細胞同士を適切につなぐ仕組み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。 ３．発表概要： 東京大学放射光連携研究機構（雨宮慶幸機構長）の深井周也准教授らの研究グループは、自 閉症などの神経発達障害に関連するタンパク質同士が結合した状態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。 神経細胞間のシナプス（注１）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極 めて重要なステップであり、その調節機構の破綻は様々な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。自閉症などの神経発達障害に関連するタンパク質であるPTPδ（注 ２）とIL1RAPL1/IL-1RAcP（注３）は、それぞれ軸索末端と樹状突起（注４）に発現し、選 択的に相互作用することで神経伝達物質の放出を行うシナプス前終末と神経伝達物質の受容を 行うシナプス後終末への分化誘導を促します。同研究グループの吉田知之准教授（富山大学） らは、この選択的相互作用がPTPδ のスプライシング（注５）で挿入される短いペプチド（ミ ニエクソンペプチド）により調節されることを見出し、ミニエクソンペプチドがシナプス標的 認識の暗号として機能することを提唱してきましたが、その仕組みの詳細は不明でした。 深井准教授らの研究グループは、PTPδ と IL1RAPL1 及び PTPδ と IL-1RAcP が結合した状 態の立体構造をX 線結晶構造解析の手法で決定することにより、それぞれの相互作用がミニエ クソンペプチドによって調節される仕組みを明らかにし、ミニエクソンペプチドがシナプス標 的認識の暗号として機能することを裏付けました。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。 ４．発表内容： 研究の背景 神経細胞間のシナプス（図１）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極めて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病と深く関わることが示唆されています。シナプス形成の一端はシナプ スオーガナイザーと呼ばれるシナプス前終末と後終末の構造を分化誘導する一部の細胞接着分 子が担うと考えられてきましたが、適切なシナプス標的を選別しながら非常に複雑な神経ネッ トワークを作り上げる原理はよくわかっていませんでした。同研究グループの吉田知之准教授 ら（富山大学）は、これまでにシナプス前終末に発現するシナプスオーガナイザーPTPδ がその細胞外領域の２カ所に挿入されるミニエクソンペプチドA 及び B 配列に依存して IL1RAPL1 もしくは IL-1RAcP と結合して近接する神経細胞間に興奮性シナプス形成を誘導す ることを見出していました。そのためスプライシングによって作り出されるPTPδ のミニエク ソンペプチドA 及び B 配列はシナプス標的認識の暗号として機能すると考えられました。 研究内容 深井准教授らの研究グループはPTPδ–IL1RAPL1 及び PTPδ–IL-1RAcP 複合体の立体構造 （図２）からPTPδ のミニエクソンペプチド A 及び B 配列のもつシナプス標的識別暗号を解読 するメカニズムを明らかにすることを試みました。それぞれの複合体の結晶を作成し、大型放 射光施設SPring-8（兵庫県佐用郡）の BL41XU と BL32XU 及び PF（フォトンファクトリー） （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、PTPδ–IL1RAPL1 及 びPTPδ–IL-1RAcP 複合体の立体構造を決定しました。その結果、ミニエクソンペプチド A は IL1RAPL1 及び IL-1RAcP との結合面を構成することが明らかになりました（図３）。一方、 ミニエクソンペプチドB は２つのイムノグロブリン様ドメインの間に挿入され、ドメイン間の 位置関係を調節するリンカーとして IL1RAPL1 及び IL-1RAcP との結合に寄与することが明 らかになりました（図３）。立体構造から明らかとなった選択的相互作用のメカニズムは、部 位特異的変異体の分子間相互作用解析とシナプス誘導能の解析によって、機能的にも裏付ける ことができました。即ち、２つのミニエクソンペプチドはシナプスオーガナイザー複合体形成 の特異性保持において異なる役割を担うことが判りました。これは、シナプス標的識別暗号を 解読する新規のメカニズムです。このメカニズムの詳細を明らかにすることによって、ミニエ クソンペプチドがシナプス標的認識の暗号として機能することが裏付けられました。 社会的意義と今後の予定 ヒトにおいてIL1RAPL1 遺伝子の変異は X 染色体連鎖型知的障害・自閉症の原因となるこ とが知られています。また、自閉症患者の脳内ではPTPδ のミニエクソンペプチド A 及び B 配 列を含むスプライシング調節に異常があることが報告されています。今後、様々なPTPδ スプ ライスバリアント（注４）とそのリガンドとの間で形成されるシナプスオーガナイザー複合体 の構造を解き明かすことによって、中枢シナプス形成の特異性を保証する基本原理が明らかに なると期待されます。さらにPTPδ のスプライシング調節機構やシナプスオーガナイザー複合 体の活性化からシナプス前終末・後終末が分化誘導される分子シグナルを理解することは神経 発達障害の病態解明と治療・創薬標的の提示に役立つと考えられます。 本成果は、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）及び戦略的創造研究推進事業個人型研究（さきがけ）「脳神経 回路の形成•動作と制御」研究領域（村上富士夫研究総括）における研究課題「中枢シナプスオ ーガナイザーによる標的認識と特異的シナプス形成の調節機構の解明」（研究代表者：吉田知 之）の一環として行われました。 ５．発表雑誌： 雑誌名：「Nature Communications」（オンライン版の場合：４月２４日）
論文タイトル：Mechanisms of splicing-dependent trans-synaptic adhesion by PTPδ–IL1RAPL1/IL-1RAcP for synaptic differentiation
著者：Atsushi Yamagata, Tomoyuki Yoshida*, Yusuke Sato, Sakurako Goto-Ito, Takeshi Uemura, Asami Maeda, Tomoko Shiroshima, Shiho Iwasawa-Okamoto, Hisashi Mori, Masayoshi Mishina & Shuya Fukai*
DOI 番号：10.1038/ncomms7926 ６．注意事項： 日本時間４月２４日（金）午後６時 (イギリス夏時間：２４日（金）午前１０時)以前の公表 は禁じられています。 ７．問い合わせ先： 東京大学放射光連携研究機構生命科学部門構造生物学研究室 准教授 深井 周也（ふかい しゅうや） TEL:03-5841-7807 e-mail: [email protected] 富山大学大学院医学薬学研究部 准教授 吉田 知之（よしだ ともゆき） TEL: 076-434-7231 e-mail: [email protected] JST 事業に関する連絡先 科学技術振興機構 戦略研究推進部 川口 哲（かわぐち てつ）、松尾 浩司（まつお こうじ） 〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’s 五番町 TEL: 03-3512-3524 FAX: 03-3222-2064 ８．用語解説： 注１）シナプス：神経細胞の軸索が他の神経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終末の間に隙間があり、シナプス前終末から放出さ れる神経伝達物質をシナプス後終末の受容体が受容することによって信号を伝える。 注２）PTPδ：受容体型のチロシンフォスファターゼファミリーに属する膜受容体タンパク質。 PTPδ は、type IIa と呼ばれるサブファミリーに属し、同じサブファミリーに属する LAR や PTPσ とともに、シナプス形成を誘導する活性をもつ。
注３）IL-1RAcP、IL1RAPL1：インターロイキン１受容体（IL-1R）ファミリーに属する膜受 容体タンパク質。IL-1RAcP と IL1RAPL1 ともに、PTPδ と選択的に相互作用してシナプス形 成を誘導する。IL1RAPL1 は神経系のみで発現して機能するが、IL-1RAcP は免疫系でも発現 し、IL-1R とともに炎症反応などの異なるシグナル経路でも機能する。
注４）軸索と樹状突起：神経細胞の持つ突起は軸索と樹状突起に分類される。多くの場合、各 神経細胞は１本の軸索と複数の樹状突起を持つ。軸索は太さが均一で樹状突起に比べて長く、 他の神経細胞へ刺激を伝える。一方、樹状突起は樹状に分岐した比較的短い突起であり、他の 神経細胞から刺激を受け取る。 注５）スプライシング：DNA の遺伝情報はメッセンジャーRNA（mRNA）に転写されるが、 転写された直後の真核生物のmRNA には、タンパク質をコードする領域（エクソン）とコー ドしない領域（イントロン）が混在している。イントロンを除去し、エクソンをつなげてタン パク質をコードする領域のみを含むmRNA を生み出すプロセスをスプライシングと呼ぶ。ス プライシングの過程でエクソンを取捨選択することで、一つの遺伝情報から多様なタンパク質 （スプライシングバリアント）を作ることが可能になる。 ９．添付資料： 図１．数千億の神経細胞が脳の中で神経回路を形成 しており、それぞれの神経細胞はシナプスと呼ばれ る特殊な接着構造によってつながっている。 図２．PTPδ–IL1RAPL1 複合体（左）と PTPδ–IL-1RAcP 複合体（右）の立体構造。 PTPδ は緑色、IL1RAPL1 は濃い青色、 IL-1RAcP は薄い青色で示す。ミニエクソン ペプチドA と B は、それぞれピンク色とオ レンジ色で示してある。
図３．PTPδ と IL1RAPL1 及び IL-1RAcP との相互作用の拡大図。ミニエクソンペプチド A は直接
の相互作用に関与しているのに対して、ミニエクソンペプチドB は、２つのイムノグロブリン様ドメ
インの位置を調節する役割を担っている。IL1RAPL1 は、IL-1RAcP よりも強くミニエクソンペプチ
ドA と相互作用するため、PTPδ–IL1RAPL1 の結合は、ミニエクソンペプチド A の影響をより強く
