ポイント
- 「記憶や学習の場」と考えられているシナプスの形成・維持・除去の仕組みは十分に解明されていなかった。
- Ｃ１ｑｌ１というたんぱく質が記憶・学習機能に重要な神経回路の強化・維持に必須であることが分かった。
- 記憶障害や精神疾患の原因解明と治療法開発に役立つことが期待できる。
ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、慶應義塾大学 医学部 生理学教室の柚﨑 通介 教授と掛川 渉 専任講師らは、神経回路が選択的に形成・維持されるのに必須なたんぱく質を発見しました。
私たちの脳の中では、無数の神経細胞が「シナプス注１）」を介して互いに結合し、記憶・学習注２）に必要な神経回路を形成しています。近年、発達障害や精神疾患の原因の１つとしてシナプスを基盤とした神経回路の障害が疑われています。しかしシナプスがどのようにして形成、維持、あるいは除去されるのかについては、未解明な点が数多く残されています。
本研究グループは、マウスを用いた実験により、神経細胞が分泌するＣ１ｑｌ１（シーワンキューエル１）注３）と呼ばれるたんぱく質が、生後発達時の小脳において正しいシナプスを選択的に強化することを発見しました。また、成熟後にＣ１ｑｌ１を除去すると、いったん形成されたシナプスが失われ、小脳神経回路による運動学習が著しく障害されることが分かりました。
Ｃ１ｑｌ１に類似したたんぱく質は小脳以外のさまざまな脳部位にも存在し、それぞれの神経回路において機能すると考えられます。このため、本研究の成果は、記憶障害や精神疾患の原因解明と治療法開発に役立つことが期待されます。
本研究は、ＪＳＴの課題達成型基礎研究の一環として、新潟大学の崎村 健司 教授、北海道大学の渡辺 雅彦 教授、英国オックスフォード大学のラドゥ アリセスク 博士と共同で行ったものです。
本研究成果は、２０１５年１月２１日（米国東部時間）に米国科学誌「Ｎｅｕｒｏｎ」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 |
「成熟脳におけるシナプス形成機構の解明と制御」 |
| 研究代表者 |
柚﨑 通介（慶應義塾大学 医学部 生理学教室 教授） |
| 研究期間 |
平成２１年１０月～平成２７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、Ｃ１ｑファミリー分子によるシナプス形成・維持機構を解明し、Ｃ１ｑファミリー分子を介したシグナル伝達経路を操作することによって、神経回路の形成と個体行動を制御する方法を探ります。
＜研究の背景と経緯＞
私たちの脳内には、１，０００億を超える数の神経細胞が存在し、神経細胞同士が互いに「シナプス」と呼ばれる結び目を形成することによって神経回路ネットワークを構築します（図１）。生後間もない時期に、神経細胞同士はいったん過剰にシナプスを形成して未熟な神経回路を形成し、成長とともに必要な神経回路が強化される一方で、不必要なシナプスはしだいに除去されていきます。この過程を「シナプス刈り込み」と呼びます。これまでの研究により、シナプス刈り込みは脳内のあらゆる部位で起こる普遍的な事象であることが分かってきました。シナプス刈り込みによって完成された神経回路は、その後長期にわたって維持され、記憶や学習といった高次神経機能を担うと考えられています。
スポーツや楽器演奏などの繰り返しの練習によって身に付く「運動記憶・学習」は、私たちの後頭部に位置する小脳によって担われます。小脳の下部に位置する延髄にある「下オリーブ核」の神経細胞が伸ばす突起（登上線維）は、小脳のプルキンエ細胞とシナプス（登上線維シナプス注４））を形成します（図２）。登上線維は、小脳において運動学習を引き起こすための教師信号注５）として働くことが知られています。生後間もない時期のプルキンエ細胞は複数本の登上線維とシナプスを形成していますが、発達にともなって、登上線維の間に強弱が生じます。最終的に弱い登上線維とそのシナプスは刈り込まれ、１本の強い登上線維が形成するシナプスが勝ち残ります（図３）。このような登上線維シナプスの刈り込み過程が障害された遺伝子改変マウスでは、運動記憶・学習が著しく低下することが分かっています。しかし、登上線維の刈り込みがどのようにして起きるのかについては未解明な点が数多く残されていました。
＜研究の内容＞
本研究グループは、小脳における登上線維シナプス刈り込み現象をモデルとして、正しい神経回路が形成されるメカニズムの解明を目指しました。近年、本研究グループや他のグループによって、免疫系で働く分子である補体Ｃ１ｑに似たたんぱく質（Ｃ１ｑファミリー分子）が神経細胞においてシナプス形成や除去に関与することが分かっています。そこで登上線維のもとである下オリーブ核神経細胞が、Ｃ１ｑファミリーに属するＣ１ｑｌ１（シーワンキューエル１）を作っていることに着目し実験を行いました。
まず、Ｃ１ｑｌ１遺伝子を欠くＣ１ｑｌ１欠損マウスを作製し、登上線維シナプスのシナプス刈り込み過程を観察しました。野生型マウスでは１本の強い登上線維が強化されるとともに、弱い登上線維の刈り込みが進みます。一方、Ｃ１ｑｌ１欠損マウスでは、強い登上線維が強化されず、その結果として、他の弱い登上線維シナプスの刈り込みが障害されることが分かりました。また登上線維から分泌されたＣ１ｑｌ１は、プルキンエ細胞に存在するＢＡＩ３（バイ３）注６）と呼ばれる受容体に結合することを発見しました（図４）。
ＢＡＩ３遺伝子欠損マウス（ＢＡＩ３欠損マウス）や、Ｃ１ｑｌ１－ＢＡＩ３間の結合を阻害したマウスにおいても、登上線維シナプスの刈り込みが障害されました。Ｃ１ｑｌ１やＢＡＩ３を欠損したマウスでは小脳神経回路に依存した運動記憶・学習機能が著しく低下することも分かりました（図５）。
さらに、成熟した野生型マウスにおいてＣ１ｑｌ１やＢＡＩ３を除去すると、登上線維シナプスが失われることから、Ｃ１ｑｌ１－ＢＡＩ３シグナリングは登上線維シナプスを大人になってからも維持していくためにも必要なことが分かりました。
以上のことから、Ｃ１ｑｌ１－ＢＡＩ３シグナリングは、小脳において発達時に特定の登上線維を選択的に強化・刈り込みするために必須であるのみならず、成熟後においても神経回路を維持し、運動学習を制御するために重要な役割を果たすことが明らかになりました。
＜今後の展開＞
Ｃ１ｑｌ１の関連分子であるＣ１ｑｌ２－４は小脳以外のさまざまな脳部位にも存在します。また他のＣ１ｑファミリーたんぱく質もさまざまな神経回路に存在していることが分かっています。従って、本研究グループによる小脳におけるＣ１ｑｌ１シグナリングメカニズムの解明は、他の神経回路におけるＣ１ｑファミリーたんぱく質を介したシナプス刈り込みや記憶・学習機構の理解につながることが期待されます。
また、近年、発達障害や精神疾患の原因の１つとして、シナプスを基盤とした神経回路障害が疑われています。興味深いことに、Ｃ１ｑｌ１と結合するＢＡＩ３は、統合失調症や双極性障害の関連遺伝子として報告されています。Ｃ１ｑｌ１－ＢＡＩ３シグナリングによる新しい神経回路形成・維持機構を追究した本研究の成果が、今後、種々の精神疾患の病態解明や治療法開発に新たな可能性をもたらすものと期待されます。
＜参考図＞
図１ 神経細胞はシナプスによって結合し、神経回路を形成
私たちの脳には、１，０００億を超える数の神経細胞が存在し、神経細胞同士がシナプスを介して互いに結合することにより、記憶や学習の形成に必要な神経回路を構築する。そのため、シナプスこそが私たちの脳における「記憶・学習」の場と考えられている。
図２ 小脳プルキンエ細胞に結合する登上線維と登上線維シナプス
- （左図）成熟マウスの延髄下オリーブ核に蛍光色素を注入し、登上線維を標識化した小脳切片。カルビンジン（プルキンエ細胞のマーカー；灰色）と小胞性グルタミン酸トランスポーター２（ｖＧｌｕＴ２；登上線維シナプスマーカー；赤色）の特異的抗体を用いて、切片を免疫染色した。色素注入により標識化された登上線維（緑色）上のｖＧｌｕＴ２（赤色）は黄色に見える。枝分かれが特徴的な神経細胞であるプルキンエ細胞と登上線維が登上線維シナプスを形成していることが知られていた。根元にある球状のもの（＊部分）はプルキンエ細胞の細胞体を表している。
- （右図）登上線維シナプスの模式図。
図３ 登上線維シナプス回路の生後発達変化
生後間もないプルキンエ細胞は複数本の弱い登上線維によって結合されているが、その後、登上線維間で入力の強弱が生じ（機能分化）、強い線維のみがプルキンエ細胞の細胞体から樹状突起（上方）に移動し、強化されていく（強化）。一方、弱い登上線維はしだいに刈り込まれ（除去）、最終的に、成熟期のプルキンエ細胞には１本の強力な登上線維のみが支配するようになる（維持）。
図４ Ｃ１ｑｌ１はプルキンエ細胞の膜表面に発現するＢＡＩ３と結合する
ＢＡＩ３は、細胞接着型Ｇたんぱく質共役受容体であり、細胞外領域にＣＵＢドメイン（緑ラベル）と呼ばれる機能部位を持つ。今回、正常型ＢＡＩ３（赤ラベル）とＣＵＢドメインを欠く変異型ＢＡＩ３（青ラベル）の細胞外領域を用いて、Ｃ１ｑｌ１との結合強度を表面プロズモン共鳴法により計測した。その結果、変異型ＢＡＩ３は正常型に比べ、Ｃ１ｑｌ１への結合能が著しく低下した（Ｋｄ（解離定数）の値が大きいほど結合能が低い）。一方、ＣＵＢドメインとＣ１ｑｌ１との結合能を計測すると、極めて強固な結合を示すＫｄ値が得られた。従って、Ｃ１ｑｌ１はＢＡＩ３の細胞外領域に位置するＣＵＢドメインに選択的に結合することが分かった。
図５ Ｃ１ｑｌ１－ＢＡＩ３結合は登上線維シナプス回路を調節し、運動記憶・学習を制御する
野生型マウス（上段）とＣ１ｑｌ１あるいはＢＡＩ３欠損マウス（下段）における登上線維シナプス回路の生後発達変化。欠損マウスの場合、プルキンエ細胞に結合する複数本の登上線維間で正常に機能分化するものの、その後、強い線維はそれ以上、強化されない。そのため、他の弱い登上線維の刈り込みが損なわれ、結果として、シナプス機能および運動記憶・学習に障害を生じてしまう。また、成熟期の野生型マウスにおいて、Ｃ１ｑｌ１を急性除去すると、いったん形成された登上線維シナプスが外れ、欠損マウスと同様に、シナプス機能が障害された。従って、Ｃ１ｑｌ１－ＢＡＩ３結合は、正しい神経回路の強化に働くばかりでなく、維持にも重要であることが分かった。
＜用語解説＞
- 注１） シナプス
- 神経細胞と神経細胞のつなぎ目。シナプスの前側にある神経細胞からグルタミン酸などの神経伝達物質が放出され、後ろ側の神経細胞がこれを受け取ることによって情報が伝達される。記憶・学習の形成過程において、シナプスの数が変化したり、あるいはシナプス伝達効率が変化したりすることから、シナプスは「記憶・学習の場」であると考えられている。
- 注２） 記憶・学習
- 記憶は言語で表せるような記憶（陳述記憶）と言語では表せない記憶（手続き記憶）に大きく分類される。運動に関する記憶は後者に含まれる。例えば、初めはピアノを弾けなくても練習をするにつれて上手になっていくことや、しばらく弾かなくて腕が落ちても、また少し練習するとすぐにもとのように弾けるようになることが運動記憶・学習に相当する。運動記憶には脳のさまざまな部位が動員されるが、特に小脳は、この獲得と保持に大きな役割を果たしている。
- 注３） Ｃ１ｑｌ１（シーワンキューエル１）
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免疫系補体Ｃ１ｑの機能部位である球状Ｃ１ｑドメインを持つたんぱく質群はＣ１ｑファミリーと呼ばれている。Ｃ１ｑファミリーの中には、補体Ｃ１ｑに加え、脂質代謝にかかわるアディポネクチンや冬眠時に脳内で濃度上昇する冬眠特異的たんぱく質などが含まれる。また、本研究グループが以前に報告した中枢シナプス形成を促すＣｂｌｎ１もこのファミリーに属す。
- Ｃ１ｑｌ１はＣ１ｑファミリーたんぱく質の１つであり、Ｃ１ｑｌ１－４の同族分子が存在する。Ｃ１ｑｌ１は、Ｃ末端の球状Ｃ１ｑドメインやＮ末端のコラーゲン様ドメインおよびジスルフィド結合を介して多量体を形成し、細胞から分泌される。脳内では、登上線維の起始核である延髄下オリーブ核にほぼ選択的に発現する。
- 注４） 登上線維シナプス
- 延髄下オリーブ核より投射する登上線維が小脳のプルキンエ細胞と結合することで形成される興奮性シナプス。運動記憶・学習の獲得の際、教師信号としてプルキンエ細胞に情報を伝えると考えられており、このシナプスの形成あるいは機能の異常が運動記憶・学習障害をもたらす。
- 注５） 教師信号
- 記憶や学習を担う神経回路の機能や構造を最適化させるのに必要な外部信号。小脳が担う運動記憶・学習の場合、登上線維シナプスは、運動のエラーシグナルを教師信号としてプルキンエ細胞に伝えている。
- 注６） ＢＡＩ３（バイ３）
- 脳特異的血管新生抑制因子３（Ｂｒａｉｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｎｇｉｏｇｅｎｅｓｉｓ Ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ３）。細胞接着型Ｇたんぱく質共役受容体の一種であり、同族分子としてＢＡＩ１－３が存在する。ＢＡＩ３は、統合失調症や双極性障害の関連遺伝子として、近年注目されている。
＜論文タイトル＞
“Anterograde C1ql1 Signaling Is Required in Order to Determine and Maintain a Single-Winner Climbing Fiber in the Mouse Cerebellum”
（順行性Ｃ１ｑｌ１シグナリングはマウス小脳において単独勝者となる登上線維の決定および維持に必要である）
doi: 10.1016/j.neuron.2014.12.020
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
柚﨑 通介（ユザキ ミチスケ）
慶應義塾大学 医学部 生理学教室 教授
〒160-8582 東京都新宿区信濃町３５
Tel：03-5363-3749 Fax：03-3359-0437
E-mail：
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
川口 貴史（カワグチ タカフミ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部
〒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
E-mail：
＜報道担当＞
科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
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慶應義塾大学 信濃町キャンパス 総務課
〒160-8582 東京都新宿区信濃町３５
Tel：03-5363-3611 Fax：03-5363-3612
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