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平成23年3月2日

科学技術振興機構(JST)
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大阪大学
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傷ついた視神経の再生を抑制するメカニズムを解明

(マウスの実験で視神経再生に成功)

JST 課題解決型基礎研究の一環として、大阪大学 大学院医学系研究科の山下 俊英 教授らは、傷ついた視神経の再生を抑制するメカニズムを明らかにするとともに、マウスを用いた実験で視神経を再生させることに成功しました。

視神経や脳・脊髄などの中枢神経は、いったん損傷すると回復が困難になります。この原因として、中枢神経の再生力が低いことに加えて、神経回路の再生を抑制する機構が存在していることなどが上げられています。近年、中枢神経の神経細胞の軸索注1)の周りを取り巻く髄鞘(ミエリン)注2)の中に、軸索の再生を阻害する因子(軸索再生阻害因子注3))が複数あることが特定され、これらの因子が損傷した神経回路の再生を阻止していると考えられています。

本研究グループは今回、軸索再生阻害因子と結合するPIR−Bたんぱく質の働きを分子レベルで分析することにより、神経細胞の軸索の再生を妨げるメカニズムを明らかにし、加えてチロシン脱リン酸化酵素注4)であるSHPがそのキーとなる役割を担っていることを見いだしました。SHPは、神経を成長させる因子の受容体であるTrkB注5)たんぱく質を抑制することで、神経細胞の軸索の伸展を妨げていました。また、マウスにおいてSHPの働きをブロックすることで、傷ついた視神経を再生させることにも成功しました。さらに、損傷した中枢神経の軸索を再生させるためには、軸索再生を抑制する因子による作用を取り除くだけではなく、軸索を成長させる作用を増強させることも必要であると分かりました。

今回得られた知見は、交通事故などの際に起こる視神経の損傷に対する新たな分子標的治療薬の開発につながるものと期待されます。

本研究は、東北大学 加齢医学研究所の高井 俊行 教授の協力を得て行われ、本研究成果は、2011年3月1日(英国時間)に欧州科学雑誌「The EMBO Journal」のオンライン速報版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域 「脳神経回路の形成・動作原理の解明と制御技術の創出」
(研究総括:小澤 瀞司 高崎健康福祉大学 健康福祉学部 教授)
研究課題名 「中枢神経障害後の神経回路再編成と機能回復のメカニズムの解明」
研究代表者 山下 俊英(大阪大学 大学院医学系研究科 教授)
研究期間 平成22年10月〜平成28年3月

JSTはこの領域で、脳神経回路の発生・発達・再生の分子・細胞メカニズムを解明し、さらに個々の脳領域で多様な構成要素により組み立てられた神経回路がどのように動作してそれぞれに特有な機能を発現するのか、それらの局所神経回路の活動の統合により、脳が極めて全体性の高いシステムをどのようにして実現するのかを追求します。またこれらの研究を基盤として、脳神経回路の形成過程と動作を制御する技術の創出を目指します。

上記研究課題では、脳の障害後に代償性神経回路が形成される分子メカニズムを解明するとともに、神経回路の再編成を促進することによって、失われた神経機能の回復を図る分子標的治療法の開発を行います。

<研究の背景と経緯>

脳や脊髄、視神経などの中枢神経が損傷を受けると、さまざまな神経症状が現れ、しばしば回復が困難になります。これは中枢神経回路が障害されると再生しにくいためであると考えられてきました。ほ乳類の中枢神経系には、神経回路の再生を抑制する機構が存在していること、また中枢神経自体の再生力が低いことなどが原因として上げられています。これらの機構を明らかにすることで、損傷した中枢神経の回路を元通りに再生させる治療につながると期待されています。

これまで中枢神経の細胞の軸索の周りを取り巻くミエリンに発現しているMAG、Nogo、OMgpという糖たんぱく質が中枢神経の軸索の再生を抑制することが示唆されており、これらは軸索再生阻害因子であると考えられています(図1)。また、これらのたんぱく質と結合する受容体がPIR−Bであることが報告されています。しかし、PIR−Bがどのようなメカニズムで神経細胞の軸索の再生を抑制しているのかについては不明でした。

<研究の内容>

本研究グループは、神経細胞におけるPIR−Bのシグナル伝達機構を解明することで、新たな分子標的の探索を試みました。その結果、軸索再生阻害因子であるMAGがPIR−Bに結合することによって、下記の2つの働きが起こることを見いだしました。

  1. (1) PIR−Bの細胞内ドメインにチロシン脱リン酸化酵素であるSHP−1およびSHP−2が集積する。
  2. (2) PIR−Bと神経成長因子BDNFの受容体であるTrkBが結合すること、また、SHP−1/2はTrkBを不活性化することで、TrkBによる軸索の伸展作用を抑制することも発見しました(図2)。

続いて本研究グループは、成体マウスの視神経を損傷させ、RNA干渉注6)薬であるSHP siRNAを眼内に投与することでSHPが働かないようにしたマウスを観察しました。すると薬を投与した14日後には、通常では再生しない視神経の軸索が再生しました(図3)。この作用は、PIR−Bが持つ軸索の再生を阻害する作用をブロックするとともに、軸索を成長させる機能を持つTrkBの作用を促進させたことによってもたらされたものと考えられます(図4)。実際に、PIR−Bを欠損しているノックアウトマウスで視神経を損傷させても、再生は認められませんが、このマウスで損傷後にTrkBを活性化させるBDNFを投与すると、視神経の再生が認められました(図5)。従って、中枢神経の軸索を再生させるためには、軸索の再生を阻害する因子の作用を阻止するだけでは不十分で、軸索の成長を促進させる作用を持つ薬剤を併用することが必要であると考えられます。

<今後の展開>

今回の発見により、損傷した中枢神経の軸索を再生させるためには、軸索再生を抑制する因子による作用を取り除くとともに、軸索を成長させる作用を増強させることが必要であることが分かりました。これは、今後の中枢神経の再生を誘導する治療法の開発に方向性を与えるものになります。

本成果は、失明原因となる視神経損傷や緑内障などの眼疾患の新たな分子標的治療法の開発につながるものと期待されます。また同じ中枢神経である脳や脊髄の障害による後遺症を改善させる分子標的治療薬になる可能性についても、今後の検証が待たれます。

<参考図>

図1

図1 軸索再生阻害因子は中枢神経の再生を妨げる

  • a): 軸索が損傷されると、神経細胞同士のつながりが破綻し、機能が障害される。
  • b): オリゴデンドロサイトに発現しているMAG、Nogo、OMgpが神経細胞の軸索の伸長を阻止するために、ひとたび損傷された中枢神経の軸索は再生できない。
図2

図2 SHPを介した新しい軸索再生阻害メカニズム

MAGがPIR−B受容体に結合すると、(1)SHP−1/2がPIR−Bの細胞内ドメインに集積し、(2)TrkBとPIR−Bが結合する。これによりSHP−1/2がTrkBを脱リン酸化し、不活性化する。この一連のシグナル伝達により、軸索は再生できなくなる。

図3

図3 SHPの発現抑制により視神経損傷後の軸索再生が促される

成体マウスの視神経を損傷させた後、SHP siRNAを眼内に投与すると、網膜でのSHPの発現が抑制され、2週間後には損傷を受けた視神経の再生が認められた(右図)。通常では視神経は再生しない(左図)。

図4

図4 SHPの発現抑制は軸索伸長を促すTrkB受容体の活性化を誘導する

左図はin vitroでの神経軸索の伸長を測定するアッセイの結果である。Trkの活性が軸索の伸展に必須であることを示している。右図は、TrkBの活性を反映するアッセイの結果である。SHP−2の発現抑制によって、TrkBは通常よりも高い活性を示している。

図5

図5 TrkB の活性化が軸索再生を促す

PIR−Bノックアウトマウスでの視神経損傷後の軸索再生を評価した結果。このマウスにBDNFを投与すると、視神経の軸索再生が認められた。このことからPIR−Bの抑制とTrkBの活性化の両者が、軸索再生に必要であることが示唆される。

<用語解説>

注1) 軸索
神経細胞から伸びている突起状の構造で、神経細胞において信号の出力を担っている。
注2) 髄鞘(ミエリン)
脊椎動物の神経細胞の軸索の周りに存在するリン脂質の層。中枢ではオリゴデンドロサイト、末梢ではシュワン細胞がミエリンを形成している。
注3) 軸索再生阻害因子
MAG、Nogo、OMgpなどの神経細胞の軸索の伸展を抑制する機能を有するたんぱく質。ほ乳類の中枢神経系に存在し、成体の中枢神経が損傷すると再生できない原因の1つと考えられている。
注4) チロシン脱リン酸化酵素
たんぱく質のチロシン残基を脱リン酸化する酵素。ここではSHPというチロシン脱リン酸化酵素がTrkたんぱく質のチロシン残基を脱リン酸化し、活性を抑制することを示している。
注5) TrkB
神経細胞の生存や成長を促す機能を持つ脳由来神経成長因子(BDNF)に対する受容体。
注6) RNA干渉
2本鎖RNAが相同な塩基配列を持つメッセンジャーRNAと特異的に対合し切断することにより、遺伝子の発現を抑える現象。

<論文名>

“Myelin suppresses axon regeneration by PIR-B/SHP-mediated inhibition of Trk activity”
(ミエリンはPIR−BおよびSHPを介してTrkの活性化を抑制することによって軸索再生を阻止している)
doi: 10.1038/emboj.2011.55

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

山下 俊英(ヤマシタ トシヒデ)
大阪大学 大学院医学系研究科 教授
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<JSTの事業に関すること>

河村 昌哉(カワムラ マサヤ)
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