ポリグルタミン病の認知障害の分子メカニズムを解明

＜研究の背景と経緯＞

ハンチントン病や脊髄小脳失調症を含む「ポリグルタミン病」は、アルツハイマー病やパーキンソン病に次いで患者数の多い神経変性疾患グループですが、有効な治療法は確立されておらず、その病態解明と治療開発は重要な社会的問題です。

ポリグルタミン病は、遺伝子内でグルタミンというアミノ酸をコードする３つの塩基配列（Ｃ＝シトシン、Ａ＝アデニン、Ｇ＝グアニン）の繰り返し数が増加したために起こる神経変性疾患であり、複数の遺伝性脊髄小脳失調症（ＳＣＡ２、ＳＣＡ３、ＳＣＡ６、ＳＣＡ７、ＳＣＡ１７）、ハンチントン病、球脊髄性筋萎縮症が、このグループに属することが知られています。いずれも、ポリグルタミン鎖が伸長した異常たんぱくが脳に蓄積することから、共通の病態を持つと考えられています。

ハンチントン病やＳＣＡ１７においては大脳萎縮や認知障害が見られますが、具体的にどのような分子メカニズムを介して認知症に至るのかは明らかになっていませんでした。

＜研究の内容＞

東京医科歯科大学の岡澤教授らは１９９９年に、ヒトのポリグルタミン病病態関連分子としてＰＱＢＰ１を発見しました。その後、ＰＱＢＰ１がハンチントン病やＳＣＡ１の原因たんぱく質と結合すること、そしてＰＱＢＰ１が基本転写因子やＲＮＡスプライシング因子と結合することを明らかにしてきました。この間に、ヨーロッパの大規模な共同研究から、ＰＱＢＰ１は遺伝性精神発達遅滞の原因遺伝子である^注４）ことが明らかになっています。ＰＱＢＰ１はヒトから線虫や植物に至るまで非常に良く保存された分子で生物にとって重要な機能を持つことが推測されます。

ポリグルタミン病の原因たんぱく質はＰＱＢＰ１と結合して転写機能を障害し、一方、精神発達遅滞患者においては遺伝子変異のためにＰＱＢＰ１の量が低下していることが知られています。ポリグルタミン病も精神発達遅滞も、学習や記憶に問題を生じることから、ＰＱＢＰ１機能低下が２つの病態に共通する役割を果たしていることが想定されていましたが、その分子メカニズムについては未解決でした。

本研究グループは今回、トランスポゾン^注５）の挿入変異によってＰＱＢＰ１の発現量が減少したショウジョウバエを作成して、学習と記憶を詳細に解析するとともに、ＰＱＢＰ１変異ショウジョウバエの記憶に関わる神経回路の形態変化と機能変化を詳細に検討しました。

その結果、以下のことが明らかになりました。

1. １）ＰＱＢＰ１発現減少（すなわち機能低下）は学習獲得の障害につながるが、さまざまな記憶の成分（短期記憶、麻酔耐性記憶、長期記憶）には大きな影響を与えないこと（図１）。
2. ２） ＰＱＢＰ１減少は、ニューロンの数の減少や細胞死には結びつかないこと（図２）。
3. ３） ＰＱＢＰ１減少は、ＮＭＤＡ受容体の構成成分であるＮＲ１の減少につながり、このためにシナプスレベルでの学習効果が低下すること（図３）。
4. ４） 投射ニューロンのみでＰＱＢＰ１の発現抑制を行うと、認知障害が出ること（図４）。

さらに、これまではショウジョウバエにおいてキノコ体という脳構造が学習・記憶を担っていると考えられてきましたが、今回の研究から投射ニューロンのＰＱＢＰ１に依存した可塑性が、においの学習・記憶にとって重要であることが示されました。つまり、ＰＱＢＰ１は投射ニューロンによる学習を担うことが証明された初めての分子と言えます。

また、ＰＱＢＰ１変異体における学習能力の低下は、変異体の発生段階の異常によるものではなく、ショウジョウバエが成虫（大人）になってから生じる機能変化が原因であること（図５）、さらに、転写量を上昇させるＨＤＡＣ阻害剤^注６）によって症状が可逆的に改善することも明らかになりました（図６）。

なお、本研究の一部（ショウジョウバエの発達障害やシナプス分子の機能異常の解析）は、文部科学省 科学研究費補助金 新学術領域研究『シナプス・ニューロサーキットパソロジーの創成』の支援を受けて行われました。

＜今後の展開＞

今回の研究成果で、ポリグルタミン病やＰＱＢＰ１遺伝子変異における認知障害のメカニズムの一端が明らかになりました。岡澤教授らはすでに同様にＰＱＢＰ１の発現が低下することにより認知障害を示したノックダウンマウスを作成し、脳におけるＮＲ１の発現低下と、ＨＤＡＣ阻害剤による症状の改善を報告しています（Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ. Ｈｕｍ Ｍｏｌ Ｇｅｎｅｔ ２００９）。本研究において遺伝学的アプローチを精密に行いうるショウジョウバエ実験系を用いて、認知障害を介在する分子であるＰＱＢＰ１やＮＲ１の作用機序と、ＨＤＡＣ阻害剤の治療効果を確認することができたことから、ＮＲ１などの遺伝子発現を回復させることを通じて認知障害にアプローチする新しい治療戦略が示され、今後の治療法の開発への展開が期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） ポリグルタミン病

それぞれ異なる原因遺伝子を持つ遺伝性の神経変性疾患の一群であり、現在９種類の疾患が知られている。原因遺伝子のエキソン内部にあるＣＡＧ繰り返し配列が異常伸長することにより、グルタミンが多数つながった構造であるポリグルタミン鎖が異常伸長した原因たんぱく質が発現するグループである。異常伸長したポリグルタミン鎖はβシートと呼ばれる立体構造を取りやすく、これが基盤となってたんぱく質の凝集を起こしやすくなると言われている。ＣＡＧ繰り返し配列が長いほど症状が早く進行し、また重篤になることが明らかとなっている。

注２） ＰＱＢＰ１

ＰＱＢＰ１は、変異型伸長ポリグルタミン配列と結合するたんぱく質として発見された（Ｗａｒａｇａｉ ｅｔ ａｌ． Ｈｕｍ Ｍｏｌ Ｇｅｎｅｔ １９９９）。たんぱく質相互作用領域を介してＲＮＡスプライシング因子や遺伝子の転写に必要なＲＮＡポリメラーゼIIなどと結合することが分かっている。このため、ＰＱＢＰ１の機能は遺伝子発現の調節にあるのではないかと考えられている。

注３） ＲＮＡスプライシング

遺伝子発現の過程はＤＮＡからＲＮＡを作る「転写」と、ＲＮＡからたんぱく質を作る「翻訳」に分かれる。遺伝子にはたんぱく質の情報をコードする「エキソン」と情報をコードしていない「イントロン」と呼ばれる領域が存在する。遺伝子発現の過程においてＲＮＡからイントロンを除去するステップがあり、これをＲＮＡスプライシングと呼ぶ。

注４） ＰＱＢＰ１は遺伝性精神発達遅滞の原因遺伝子である

２００３年にドイツのカルショウアー博士らが行った研究によると、Ｘ連鎖性精神遅滞症候群（発症の原因となる遺伝子がＸ染色体にある精神遅滞）の２９家系の内、５家系がＰＱＢＰ１遺伝子変異によるものだった。これはＸ連鎖性精神遅滞の中でも頻度の高いレット症候群に近く、脆弱Ｘ症候群（Ｘ染色体上のＦＭＲ１遺伝子の機能不全が原因とされる精神発達障害）に次ぐ頻度であった。また、痩せ型や小頭症などの症状を伴う症例も多くあった。このことは、ＰＱＢＰ１が脳の高次機能以外にも多角的な役割を持っていることを示唆している。

注５） トランスポゾン

ゲノム上を転移することができる遺伝子であり、トウモロコシの斑形成の原因として１９４０年にバーバラ・マクリントックが発見した。この成果によって彼女は１９８３年にノーベル賞を受賞している。ヒト、ショウジョウバエなどにも存在し、ヒトでは遺伝病の原因にもなることが知られている。ショウジョウバエではトランスポゾンを利用してランダムに遺伝子をつぶす遺伝子変異ライブラリー作成が行われている。

注６） ＨＤＡＣ阻害剤

通常、核内でＤＮＡは、ヒストンというたんぱく質に巻きついたヌクレオソームと呼ばれる安定した構造を取っている。遺伝子発現の過程において、ヒストンのアセチル化によりヌクレオソーム構造がほぐされ、転写が開始されることが知られている。

ヒストンデアセチラーゼ（ＨＤＡＣ）は、アセチル化されたヒストンからアセチル基を取り除く働きを持つ酵素であり、ＨＤＡＣ阻害剤は、このＨＤＡＣの働きを阻害する薬剤である。ＨＤＡＣの阻害によりヒストンのアセチル化が亢進してヌクレオソーム構造がほぐされ、さまざまな遺伝子の発現が変化することが分かっている。

＜論文名＞

“Drosophila PQBP1 regulates learning acquisition at projection neurons in aversive olfactory conditioning”
（ショウジョウバエＰＱＢＰ１は忌避的におい条件付けにおける学習獲得を投射ニューロンにおいて制御する）
doi: 10.1523/JNEUROSCI.1319-10.2010

＜お問い合わせ先＞

＜研究に関すること＞

岡澤 均（オカザワ ヒトシ）
東京医科歯科大学 難治疾患研究所　神経病理学分野　教授
〒113-8510 東京都文京区湯島１－５－４５
Tel：03-5803-5847　Fax：03-5803-5847
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