神経分化に必要なタンパク質合成の制御機構を解明

＜研究の背景＞

生命の基本要素であるタンパク質は、ＤＮＡが持つ遺伝情報のコピーであるメッセンジャーＲＮＡ（ｍＲＮＡ）を設計図として合成されます。ｍＲＮＡ上の遺伝暗号^注１）は、生物のタンパク質合成装置であるリボソーム上で解読されることでタンパク質へと変換されます。この段階を「翻訳」と呼びます。

我々ヒトを含む真核生物では、ｍＲＮＡの両末端にそれぞれｃａｐおよび数多くのアデノシン（Ａ）の連なりにより構成されるｐｏｌｙ（Ａ）と呼ばれる構造が存在しています。翻訳は、ｃａｐ構造が翻訳開始因子の特定タンパク質に認識されることによって開始されます。このとき、ｍＲＮＡのもう一方の末端構造であるｐｏｌｙ（Ａ）に結合するタンパク質因子と翻訳開始因子とが結合することでｍＲＮＡは環状になっています（図１）。ｍＲＮＡは環状構造をとることで、翻訳効率を上昇させ、分解から逃れていると考えられています。

この翻訳の開始こそ、タンパク質合成の可否を決定するとても重要なステップです。特に、翻訳開始因子によるｃａｐ構造の認識は最重要であり、ｅＩＦ４Ｆとよばれるタンパク質複合体がこの過程を担っています。ｅＩＦ４Ｆは、ｃａｐ構造を直接認識し結合するｅＩＦ４Ｅ、複雑にからみあったｍＲＮＡをほどく作用（ヘリカーゼ活性）を持つｅＩＦ４Ａ、ｐｏｌｙ（Ａ）結合タンパク質と結合しｍＲＮＡの環状構造に寄与するｅＩＦ４Ｇから構成されています。そして、これら翻訳開始因子のタンパク質のみならず、様々なＲＮＡ結合タンパク質が特定のｍＲＮＡに結合することにより翻訳過程を制御しています。

そして、ｍＲＮＡをタンパク質合成が必要とされる適切な体の部位へと輸送し、必要な時に、必要な場所でのみ翻訳が開始されるように制御を行っています。

このような仕組みは、遺伝子の発現を時空間的に制御する機構として最適です。特に、神経細胞はシナプス^注２）を介した外部からの刺激に即座に応答する必要があり、このような翻訳制御機構が重要な働きをしていると考えられます。実際に、後シナプスが存在する樹状突起^注３）には多種・多様なｍＲＮＡが局在・蓄積しており、神経活動に依存した局所的な翻訳がシナプス可塑性^注４）発現に関与していることが明らかとなってきています。

そして、神経特異的に発現するＲＮＡ結合タンパク質による翻訳制御機構が、神経幹細胞^注５）から神経細胞へと分化する過程を制御していることが明らかになりつつあります。このことは、ｍＲＮＡの翻訳過程を制御することでタンパク質合成を調節し多様な細胞を生み出していることを意味しています。

神経特異的に発現が見られるＨｕタンパク質のひとつの、ＨｕＤタンパク質は神経特異的なＲＮＡ結合タンパク質で、神経幹細胞がニューロン^注６）へと分化することが決定づけられた神経前駆細胞^注７）で発現を開始し、成熟したニューロンにおいても持続的に発現が見られます。これまでの国内外の研究により、ＨｕＤを含む神経特異的Ｈｕタンパク質は、神経幹細胞の増殖から神経分化への誘導を行っているということが強く示唆されています。そして、神経特異的Ｈｕタンパク質は翻訳制御を行っているという可能性が示唆されてきましたが、どのような仕組みで翻訳過程に関わっているのか、また神経特異的Ｈｕによる翻訳制御と神経分化誘導との関係も不明でした。

＜研究の概要＞

本研究グループは、神経特異的ＲＮＡ結合タンパク質・ＨｕＤによる神経分化誘導と翻訳制御機構との関係を解明することを目的として研究を行い、下記の成果を得ました。

1. １. 　培養細胞の抽出物を用いた相互作用解析実験により、ＨｕＤ がｐｏｌｙ（Ａ）配列および翻訳開始因子ｅＩＦ４Ａとの結合を介して翻訳開始複合体と相互作用することを発見しました。
2. ２. 　培養細胞の抽出物を用いた無細胞タンパク質合成実験系により、ＨｕＤがｃａｐ依存的な翻訳を促進することを見いだしました（図２）。
3. ３. 　ＨｕＤによる翻訳促進機能と神経分化誘導機能には密接な関連があり、これらのＨｕＤの機能はｐｏｌｙ（Ａ）配列およびｅＩＦ４Ａとの結合に依存することも明らかにしました。
4. ４. 　ＨｕＤとｅＩＦ４Ａとの関係を明らかにする実験により、ＨｕＤによる神経分化誘導能にはｅＩＦ４Ａのヘリカーゼ活性が必須であることも突き止めました。

以上の結果は、翻訳因子として定義されていないＲＮＡ結合タンパク質によるｅＩＦ４Ａを介した翻訳開始促進機構に関する初めての知見です（図２）。このことは神経系においては分化のために独自のタンパク質合成システムが存在することを示すものです。

＜今後の展開および社会へのインパクト＞

ｉＰＳ細胞やＥＳ細胞は細胞移植治療の細胞源として注目されています。特に、パーキンソン病などの神経変性疾患ではニューロンを細胞移植によって補い、新しい神経回路を形成させるという試みがなされています。

今回の研究成果を発展させることにより、効率的な分化誘導方法が確立されていないＥＳ細胞やｉＰＳ細胞の神経細胞への分化方法の確立に向けた研究がさらに進むことが期待されます。

さらに、ＥＳ細胞やｉＰＳ細胞を人工的に分化させることによる神経変性疾患細胞モデルの作製は、発症・進行のメカニズムが不明で有効な薬がない神経変性疾患治療のための創薬へとつながると期待されます。

※　本研究は、文部科学省科学研究費、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）、神戸大学バイオプロダクション次世代農工連携拠点などの助成により行われました。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 遺伝暗号

タンパク質のアミノ酸の配列を決める暗号となっている核酸の塩基配列。

注２） シナプス

ニューロンとニューロン、またはニューロンと筋肉などの効果器細胞との接合部位のこと。脳の機能を支える神経回路は、このシナプスによって形成されている。

注３） 樹状突起

神経細胞が、外部からの刺激や他の神経細胞の軸索から送り出される情報を受け取るために、細胞体から樹木の枝のように分岐した複数の突起のこと。

注４） シナプス可塑性

記憶・学習など、ヒトの脳の機能を実現するために、神経回路が物理的・生理的に、その性質を変化させることができる能力のことを意味する。主に、細胞死によるニューロンの減少と発芽によるシナプス接合部の増加という物理的な変化と、長期増強（long-term potentiation）によって信号の通りが良くなる、という生理的な変化を指す。

注５） 神経幹細胞

中枢神経はニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイトの３種類の細胞からなる。これらすべての細胞を産み出すことができ、細胞分裂によって自身を複製することができる細胞が神経幹細胞である。

注６） ニューロン

神経系を構成する細胞で、その機能は情報処理と情報伝達に特化しており、動物に特有である。神経細胞のことを指す。神経細胞は主に３つの部分に区分けされ、細胞核のある細胞体、他の細胞からの入力を受ける樹状突起、他の細胞に出力する軸索に分けられる。

注７） 神経前駆細胞

ニューロン（神経細胞）のみに分化する未分化細胞のことを指す。

＜お問い合わせ先＞

＜研究に関すること＞

藤原 俊伸（フジワラ トシノブ）
神戸大学 大学院工学研究科　応用化学専攻生物化学工学分野　准教授
独立行政法人 科学技術振興機構　さきがけ研究者
〒657-8501 兵庫県神戸市灘区六甲台町１－１
Tel：078-803-5728　Fax：078-803-5728
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※　不在時には、神戸大学 大学院工学研究科　総務係（Tel：078-803-6333）までお問い合わせください。

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原口 亮治（ハラグチ リョウジ）
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