シナプスの構造可塑性制御因子ドレブリン 利用統計を見る

シナプスの構造可塑性制御因子ドレブリン

著者

児島 伸彦

著者別名

KOJIMA Nobuhiko

雑誌名

工業技術

巻

40

ページ

69-73

発行年

2018

URL

http://id.nii.ac.jp/1060/00009584/

Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ja

***技術報告***

シナプスの構造可塑性制御因子ドレプリン

Drebrin

a

r

e

g

u

l

a

t

o

r

f

o

r

s

y

n

a

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c

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u

r

a

l

p

l

a

s

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i

c

i

t

y

児島

伸彦*

1

.はじめに

ヒトの高次脳機能は、脳内に存在するニューロンが互 いにシナプスを介して形成されたネッ トワークにより 実現している。大脳皮質に限ってもニューロンの数は

140

億個ともいわれており、一個のニューロンに数万個 のシナプスが入力しているとすると、大脳皮質には数百 兆個ものシナプスがひしめいていることになる。脳内の 主要なシナプスであるグルタミン酸作動性の興奮性シ ナプスの受け手のほとんどは、ニューロンの樹状突起上 の小突起構造「樹状突起スパインJに存在する。樹状突 起スパインは直径 1μ mにも満たない微細構造である が、その中にはシナプス伝達に必要な各種伝達物質受容 体やチャネル、それらをシナプス膜に局在させるための 足場タンパク

(

s

c

a

f

f

o

l

d

i

n

g

p

r

o

t

e

i

n

s

)

、その他各種細胞 内シグ、ナル伝達系に関わる分子など、数多くの分子が集 積している。アルツハイマー病などの変性疾患や脆弱性

X

症候群、ダウン症候群、その他認知障害を示すような 神経精神疾患の多くはスパインの形態異常を伴うこと が知られており、樹状突起スパインはこれらの神経疾患 の病態と密接に関連していると考えられる1)。また最近 では、 ストレスによるうつ病や

PTSD

、発達障害に含ま れる

ADHD

や自閉症スペク トラム障害などの精神疾患 の病態もシナプス形成や機能異常が基盤となっている との証拠がある。したがって、樹状突起スパインの形成 や機能に関わる分子基盤の解明は、脳の作動原理を理解 することのみならず、精神疾患の病態解明や治療法の開 発にも寄与するものと考えられる。 スパイン内には、シナプス伝達に関わるシグナル分子 の他、アクチンを主体とする細胞骨格系タンパクが存在 し、スパインの形態形成、維持および形態変化に重要な 役割を演じている 2)。ドレブリンは主要なアクチン線維 結合タンパク質であり、成熟したニューロンに発現して いる

A

型アイソフォームはニューロン特異的タンパク 質として樹状突起スパインに局在している 3)。本稿では、 筆者らがこれまでに得た研究結果を中心にドレプリン

A

の樹状突起スパインでのはたらきについて紹介する。

2

.

ドレブリンのニつのアイソフォーム 日 甫乳動物脳には、幼若型

(

E

m

b

r

y

o

n

i

ct

y

p

e

)

アイソ フォームのドレプリン

E

と成熟型

(

A

d

u

l

tt

y

p

e

)

アイ ソフォームのドレプリン

A

という

2

種類のドレブリン が存在する。前者は胎生期から幼若期の脳をはじめとす る様々な臓器で主要なドレプリンとして発現している が、シナプス形成の始まる発生過程後期になると後者が 発現し始め、生後は前者に代わって主要なドレプリンと なる。 ドレプリン

A

はニューロン特異的タンパク質で あり、 その多くは樹状突起スパインに局在する。ちなみ に、両アイソフォームは、単一の遺伝子から ドレブリン

A

特異的挿入配列

(

i

n

s

2

)をコ

ード、するエクソンが転写 されるか否かによって生ずる 4)。すなわち

i

n

s

2

の有無 が両者の構造の違いとなっている (図 1)。 "加申絡古都ul j 1 ト》プリンA • AOF-H -Actl司 Act2 ・、Ins2- p E E FレプリンE • AOF・何 阻-Act1- Aα2. - p

• I

.

，

I I 図1ドレプリンの構造両ドレプリンは共通して、ADFホモロジ ードメイン(A

D

F

-

H

)

、

2

つのアクチン結合部位(A

c

t1、

2

)

、

P

r

o

l

i

n

e

r

i

c

h

配列

(

p

)

、

2

つの

H

o

m

e

r

結合モチーフを持つ.ドレプリン AにはドレプリンA特異的配列

i

n

s

2

が存在する この選択的スプライシング機構

(

a

l

t

e

r

n

a

t

i

v

e

s

p

l

i

c

i

n

g

)

は脳の発生過程および組織特異性において厳密に制御 されているが、詳細なメカニズムは不明である。 ドレプリ ンの生理的重要性は主として培養ニューロン で示されてきた3)。ラッ ト海馬初代培養ニューロンにド レプリンを過剰発現させると異形突起

(

M

e

g

a

p

o

d

i

a

)

シナプスの構造可塑性制御因子ドレブリン Drebrin a regulatorfor synaptic structuralplasticity 児島伸彦 が形成される。また、逆にアンチセンスオリゴヌクレオ チドや

RNAi

によってドレプリンの発現を抑制すると、 樹状突起上のスパイン密度が減り残存するスパインも 幅の狭い未熟なものになる。ドレプリンはミオシンをは じめ、トロポミオシンやアクチニンなど、他のアクチン 結合タンパクとの競合によってアクチン線維の動態に 関わる。したがって、 ドレプリンアクチン複合体はス パインの成熟過程における形態変化の制御に中心的役 割を演じていると考えられる。また、神経発生の過程で ドレプリンのスパインへの集積がシナプス後部肥厚

(PSD)

に存在する足場タンパク

PSD-95

の集積や

NMDA

型グ、ルタミン酸受容体の活動依存的なスパイン 集積に必要であることがわかっており、スパイン形態の 制御のみならず、スパイン内の機能タンパクの輸送ある いは集積の調節にもドレプリンが関与していることが 示されている 5)。さらに、ドレプリンのスパイン内局在 自身も活動依存的に制御されており、ドレプリンはスパ インの構造のみならず機能制御の鍵分子として注目を 集めている 6)。

3

.

ドレブリン

A

と認知機能 アルツハイマー病の死後脳におけるドレプリンの発 現と分布を免疫組織化学により調べる研究により、ドレ プリンがニューロンの細胞死に先立ってシナプス後部 から消失することが報告されている 7)。またドレプリン の消失は広く大脳皮質で起きており，正常人においても 加齢により減少すること、その減少度は認知機能障害の 程度と高い相闘を示すことも報告されている。このこと は、従来細胞死によるニューロンやシナプスの脱落によ るものであるとされてきた加齢やアルツハイマー病に みられる認知障害が、シナプスの脱落以前に起こるシナ プスの機能不全によるという考えを支持している。 我々は、「シナプス機能の低下と樹状突起スパイン内の ドレプリン量の低下は密接に関連しており、スパイン内 のドレプリンを定量することでシナプス機能の低下を 可視化することができる」との仮説を提唱している。そ のことを実験的に示すために、マウスの頭部に

X

線を 照射して、それによって生ずる記憶障害と脳内のドレプ リン量との相関をみる実験を行った8)。 音と床からの電気ショックの組み合わせ刺激による 恐怖条件づけをした直後 (30分以内)のマウスを麻酔 して、

X

線発生装置(島津

TITAN-225S)

下にセット し、

10Gy

の

X

線をその頭部に照射すると、

24

時間後 にテストした条件刺激(ショック箱に再び入れられると いう文脈)に対する恐怖反応(フリージング)が低下す る(すなわち恐怖記憶が障害される

)

0

x

線照射を条件 づけの

7

時間前に行っても、条件づけから

24

時間後に 調べた恐怖反応は低下する。しかし、条件づけの

24

時 間前に行うと、恐怖反応は低下しない。したがって、条 件づけの 7時間前から 30分後の間に起こる X線照射の 影響が記憶の低下につながると考えられる。 文脈依存的な恐怖記憶には、海馬の活動が必須である ことが知られている。そこで、

X

線照射による恐怖条件 づけ記憶にドレプリンが関係するかどうかを知るため に、

X

線照射後の海馬でドレプリンタンパク質を経時的

(

2

時間後、

8

時間後、

24

時間後)に調べた。マウスの 頭部の半分を鉛板で遮蔽し、同一動物で非遮蔽側を照射 側、遮蔽側を非照射側(対照側)として、抗ドレブリン 抗体による免疫組織化学を行った。その結果、照射の

2

時間後と 8 時間後で照射側海馬のドレプリン陽性シグ ナル強度が対照側に比べて有意に減少することがわか った(図

2

)

。一方、照射の

24

時間後には両側で有意差 はなかった。恐怖記憶の固定化は、条件づけの

1

・

3

時間 の間に起こることが行動薬理学的に示されているので、

X

線照射によるドレプリンタンパク質の減少がみられ る時間

(

2

-

8

時間)は、照射の

24

時間前では条件づけ の1・3時間に被ることはないが、照射の7時間前でも直 後

(

3

0

分以内)でも条件づけの

1

-

3

時間に被ってしま う。したがって、海馬におけるドレプリンタンパク質の 一過性の減少は、

X

線照射による恐怖記憶障害の要因の ーっと考えられる。ちなみに海馬のタンパク抽出物のウ エスタンブロット解析の結果、

X

線照射の

2

-

2

4

時間後 のドレブリンタンパク量は、非照射群と違いはなかった ことから、海馬切片でのドレプリン陽性シグナルの減少

シナプスの構造可塑性信JI御因子ドレプリン Drebrin a regulator forsynaptic structuralplasticity 児島伸彦 は、タンパク合成量の低下や分解の促進によって生じた ものではないと思われる。 Non irrad泊t剖 Z ﹄ 偲 ￡

ω

ε ω .s::

∞

Zニ 守 N 図 2 X線照射後のドレプリン陽性シ、グナルの変化.海馬歯状回 分子層 に お け る ド レ プ リ ン 陽 性シ グ ナル を X線 照 射側 (Irradiated)と非照射仮IJ(Non irradiated)で比 較すると、照 射 後2-8時間で蛍光輝度が低下しているのがわかる 成熟ニューロンのように分裂能の高い細胞ほど

X

線 感受性が高く、記憶との関連も指摘されている歯状回の 新生ニューロンは、

X

線照射の

2

時間はまだ、残っている が、 8時間でほぼ消失し、 24時間後にも消失したまま 回復することはなかった。この結果から、

X

線照射によ る恐怖記憶の一過性の障害と新生ニューロンの消失と の関係性は低いと考えられる。 以上の結果より、脳への

X

線照射は、分裂能を持つ 神経幹細胞を消失させるばかりではなく、

X線感

受性の 低い成熟ニューロンにおいても、シナプス機能分子の機 能を一過性に低下させる作用があることが考えられる。 また、本実験により、ドレプリンの樹状突起スパインに おける発現量変化は、加齢や

X

線照射などの外的スト レスによるシナプス機能の低下をモニターするための 指標として有用であることが示された。

4.

ドレブリンとシナプス可塑性

学習・記憶の基盤と考えられているシナプス伝達効率 の長期増強

(

L

T

P

)

は、シナプスの高頻度刺激によって 引き起こされるシナプス可塑性であるが、電気生理学的 に検出される機能変化のみならず、樹状突起スパインの 増大という構造変化を伴う 11)。また、シナプスの低頻 度刺激によって引き起こされるシナプス伝達効率の長 期抑圧

(

L

T

D

)

では、

LTP

とは逆に樹状突起スパイン の縮小あるいは消失とし、う形態変化が起こる。これらの 樹状突起スパインの形態変化は、スパイン内のアクチン 細胞骨格系タンパク質によって制御されると考えられ ている 12)。実際に、

LTP

に際しては、高頻度刺激後ス パイン内にアクチン線維が集積し、

LTD

では、低頻度 刺激によってスパインのアクチン線維が減少する。この ようなシナプス可塑性に伴うアクチン線維のダイナミ クスは一般的には重合と脱重合の調節で理解されてい るが、我々は、シナプス可塑性における樹状突起スパイ ンの形態制御は、ドレプリンによるアクチン線維の安定 化も一役かっていると考えている13)，14)。 このような背景のもとで、われわれはドレプリン

A

に特異的なアミノ酸配列を選択的に欠失させた遺伝子 改変マウス (ドレプリン

A

特異的ノックアウトマウス

=

D

A

K

O

マウス)の海馬スライス標本を解析し、ドレ プリ ン

A

が

LTP

に重要であることを示した。おもしろ いことにこの表現型は週齢に依存しており、

30

週齢以 上の個体でのみ

LTP

の減弱が認められる 10)。また、干 の週齢では、通常誘導できない

L

TD

が誘導されること もわかった (Kojima

&

Yasuda

e

t

a

1

.

投稿準備中。)

DAKO

マウスで低頻度刺激による

L

T

D

が誘導される

かどうかをいろいろな週齢で調べた。 野生型では 1~2

週齢という若い週齢に限定して

NM

D

A

受容体に依存し

た

L

T

D

が誘導されるが、

D

A

K

O

マウスでも同じ週齢で

シナプスの構造可塑性制御因子ドレプリン

D

r

e

b

r

i

n

a

r

e

g

u

l

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f

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s

y

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t

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a

l

p

l

a

s

t

i

c

i

t

y

児 島 伸 彦 の誘導できない

30

週齢

(

7

ヶ月齢)以上の

DAKO

マウ スでは、

LTD

が誘導されることがわかった。

DAKO

マ ウスで誘導される

LTD

の分子メカニズムを明らかにす る目的で、各種グルタミン酸受容体のアンタゴニストに よる

LTD

阻害実験を行った結果、

3

0

週齢以上の

DAKO

マウスでみられる

LTD

は、

NMDA

受容体阻害剤であ る

APV

では阻害されず、代謝型グノレタミン酸受容体サ ブタイプ

5 (mGluR5)

の阻害剤

MPEP

で完全に阻害 された。また、一見野生型と

DAKO

マウスで同じよう にみえる 1~2 週齢で誘導される LTD も、野生型では

APV

で完全に阻害されるのに対し、

DAKO

マウスでは

APV

では阻害されなかった。しかし、

APV

に加えて

MPEP

を同時に投与すると

DAKO

マウスの

LTD

は完 全に阻害された。 したがって、

DAKO

マウスでは、

mGl

uR5

依存的

LTD

の誘導闇値が下がることが示され た。このことはドレプリン

A

が樹状突起スパイン内で

mGl

uR5

依存的

LTD

の誘導を抑制することを示唆する。 前述したように、

LTD

では、シナプス伝達効率の減弱 という電気生理学的変化のみならず、樹状突起スパイン の縮小あるいは消失とし、う形態変化が起こると考えら れる。

mGl

uR5

活性がどのように樹状突起スパインの 形態変化につながるかについての詳細は不明であるが、

mGluR5

活性とスパイン内アクチン細胞骨格の聞を仲 介する何らかのしくみがあると考えられる。

5.

ドレブリンと代謝型グルタミン酸受容体

mGluR5

によるスパイン形態の制御メカニズムは明 らかにされていないが、このメカニズムに

Homer

とド レプリン

A

という

2

つのタンパク質が関わっている可 能性がある。

Homer

は細胞質側で

mGl

uR5

と直接結 合するが、別のスパイン内タンパク質である

Shank

と も結合することが知られており 15)、

mGl

uR5

を樹状突 起スパイン内の

PSD

タンパク質複合体と結合させる足 場タンパク質として機能する。一方、スパイン内のアク チン線維結合タンパク質であるドレプリンは、そのアミ ノ酸配列内に

Homer

結合モチーフ

(.PPXXF.

、

X

は任 意のアミノ酸)を

2

つ持つ。したがって、 ドレプリン は

Homer

を介して

mGl

uR5

と間接的に結合している 可能性がある。そこで、ドレプリンと

Homer

の結合を 阻害するために、この

2

つの

Homer

結合モチーフを含 むドレプリンの

C

末端側部分配列

(

1

2

6

アミノ酸配列) を

Myc

タグ付けしたペプチド

(

M

y

c

.

PPXXF)

をコー ドするプラスミドを海馬ニューロンにトランスフェク ションして、スパイン内のドレプリンおよび

Homer

の 分布変化を調べた。対照として、

Homer

結合モチーフ

P

.

E

XXF

を

P

_

K

X

XF

に改変し

Homer

結合能をなくした ペ プ チ ド

(Myc.

PKXXF)

を導入した。 そ の 結果、

Myc.PPXXF

は樹状突起スパインでドレプリンと局在 を共にすることがわかった。しかし、ドレプリン陽性ス パインの数は有意に減少した。この効果は

Homer

結合 能を持たない

Myc.PKXXF

を導入したニューロンでは 見られなかった。したがって、ドレプリンのスパイン内 局在は少なくともその一部は

Homer

結合に依存してい ることが示唆された。また、意外なことに

Myc.PPXXF

の局在はファロイジン陽性(すなわちアクチン線維の存 在 す る ) ス パ イ ン の 局 在 と 重 な ら な か っ た 。

Myc.PPXXF

の過剰発現によって、

Homer

とドレプリ ンの結合が阻害されてアクチン線維がスパイン外に流 出した可能性が考えられる(図 3)。

岡

mGluRS _ _ f!v:1')ンA • Homer ー 附 XFペプチド -・・アヲ子ン線維 ー----t砂 図 3 ドレブリン

.

H

o

m

e

r

結合阻害による樹状突起スパインの形 態変化(仮説) 本 文 参 照

6.

おわりに

本研究の結果、ドレブリン

A

は

Homer

との結合を介 して間接的に

mGluR5

と相互作用することが示唆され

シナプスの構造可塑性制御因子ドレプリン Drebrin a regulator forsynaptic structuralplasticity 児島伸彦 た。これらのタンパク質問 (mGluR5-Homer-ドレプリ ンーアクチン線維)の相互作用を介して、 m

Gl

uR5活性 がスパイン形態に影響する可能性が考えられる。その制 御機構の詳細は依然不明で、あるが、 ドレプリン

A

の欠 失は、 m

Gl

uR5依存的にLTDを増強させることでスパ インを退縮させる可能性がある。認知症脳でドレブリン が減少することが、記銘障害や健忘などの認知障害の主 原因となっているとするならば、今後、加齢によるドレ ブリンの減少を抑える、あるいは減少したドレプリンを 補充するような処置により、認知障害を治療することも 可能になるかもしれない。

謝辞

本研究は、筆者と群馬大学大学院医学系研究科神経薬 理学白尾研究室との共同で実施されたものである。こ の場をお借りして白尾智明教授並びに白尾研究室員一 同に深謝します。 .考文献 1) Fiala JC， Spacek J， Harris 回If， et al. Dendriticspine pathology: Cause or consequence of neurological disorders? Brain Res Rev. 39: 29-54 (2002) 2) Matus A.Actin-basedplasticity in dendriticspines. Science.290: 754-8 (2000)

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