2016 Fiscal Year Annual Research Report
進化的に保存される脳カラム構造形成メカニズムとその機能
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15H02352
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
下郡 智美 国立研究開発法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, チームリーダー (30391981)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 神経回路形成 / 樹状突起 / 分子 / 神経活動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Btbd3が過剰な樹状突起の除去を行っている事をこれまでに明らかにしているが、Btbd3にはRhoGAPなどのチューブリン構造を変化させるような活性ドメインが存在しない事からどのようなメカニズムで樹状突起の除去を行っているかが明らかにされていなかった。これまでの結果からBtbd3と直接結合する事によってRho活性を上昇させる因子としてPlexinA4を同定した。
PlexinA4のノックアウトマウスの神経細胞の樹状突起でも、Btbd3の欠損と同じように過剰な樹状突起の除去が行われていないことから、樹状突起の除去にBtbd3 とPlexinA4の両因子が必要であることが示唆された。PlexinA4はセマフォリンの受容体として働くことが知られていること、セマフォリンの結合によってPlexinA4の二量体化後に下流のRho活性の引き金を引くことに必須であることが知られている。まずセマフォリンの代わりにBtbd3がどのようにしてPlexinA4の二量体化を誘導するのかを様々なBtbd3の変異体で調べたところ、Btbd３はPHRドメインを介してPlexinA4と結合し、Btbd3はBTBドメインを介してPlexinA4と結合した状態でホモダイマーを形成することによってPlexinA4が二量体を形成することを明らかにした。さらに、この二量体化によってRho活性が上がること、Rho活性の上昇は細胞内のカルシウム流入量に比例していることをin vitroの系を用いて明らかにすることができ、神経活動依存的に樹状突起が除去される分子メカニズムの一端を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究からBtbd3が過剰な樹状突起の除去を行っている事を明らかにしているが、Btbd3にはRhoGAPなどのチューブリン構造を不安定にし、樹状突起の除去を促すような活性ドメインが存在しない事から、別のタンパクとの結合によって樹状突起の選択的な除去を行っている事が推測された。そこで、Btbd3と結合することにより細胞骨格を変化させる事の出来る因子の同定を行った。Btbd3と相互作用し樹状突起の除去を行う因子の候補として、PlexinA4がYeast Two hybrid の結果から候補と考えられた。さらにPlexinA4のノックアウトマウスでは過剰な樹状突起の除去がおきていないことからBtbd3 と相互作用して樹状突起の除去に関与している仮説を立てた。プルダウンアッセイの結果、Btbd３はPHRドメインを介してPlexinA4と直接結合することを明らかにした。PlexinA4はセマフォリンの受容体として働くことが知られていること、セマフォリンの結合によってPlexinA4の二量体化後の下流のRho活性の引き金を引くことに必須であることが知られている。セマフォリンの代わりにBtbd3がどのようにしてPlexinA4の二量体化を誘導するのかを様々なBtbd3の変異体で調べたところ、Btbd3はBTBドメインを介してPlexinA4と結合した状態でホモダイマーを形成することによってPlexinA4が二量体を形成することを明らかにした。さらに、この二量体化によってRho活性が上がること、Rho活性の上昇は細胞内のカルシウム流入量に比例していることをin vitroの系を用いて明らかにすることができ、神経活動依存的に樹状突起が除去される分子メカニズムの一端を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
我々のこれまでの知見からBtbd3はマウスの第一次体性感覚野、フェレットの第一次視覚野に発現しており、入力が少ない不要な樹状突起の除去を行う進化的に保存された機能を持つことを明らかにしている(Matsui et al., Science 2013)。また過去の知見から海馬の神経細胞では樹状突起の除去にRho活性の上昇が必要なことが知られていることから、今回我々が明らかにした、Btbd3を介したPlexinA4の二量体化によるRho活性を上昇は樹状突起の除去に必要な保存されたメカニズムと考えることができる。しかし、樹状突起の形態形成には不必要な樹状突起の除去だけでなく、必要とされる樹状突起の維持を行うことも重要である。また、維持される樹状突起はさらに枝分かれを増やして入力を増やすことも知られている。この樹状突起の枝分かれを増やすためにはRac活性が関わっていることが明らかにされていることから、バレルカラム内に残る樹状突起は、なんらかのメカニズムでPlexinA4を介したRho活性を抑制し、さらに樹状突起の枝分かれを増やすためのRacを上昇させるメカニズムが存在するものと仮定し、このメカニズムを明らかにしていく。
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