神経シナプスの成熟機構とその破綻による“てんかん"の分子病態

• 研究課題/領域番号: 20H00459
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分43:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 深田 正紀 生理学研究所, 分子細胞生理研究領域, 教授 (00335027)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 45,240千円 (直接経費: 34,800千円、間接経費: 10,440千円); 2022年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円); 2021年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円); 2020年度: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円)
• キーワード: シナプス / タンパク質 / 脂質 / 脳・神経 / ナノドメイン / ナノカラム / てんかん / 酵素 / パルミトイル化

研究開始時の研究の概要

脳の生理と病態を理解するには、神経細胞間の情報伝達を担う“シナプス”の理解が必要不可欠である。シナプス伝達の効率は常に一定ではなく、外界刺激によって柔軟に変化し、これが記憶や学習などの脳高次機能の基盤となる。本研究では、申請者らが独自に見出した (1)パルミトイル化脂質修飾関連酵素と(2)分泌リガンド・受容体LGI1-ADAM22を起点として、シナプスの成熟機構とその破綻によるシナプス疾患の分子病態を解明する。

研究成果の概要

脳の生理と病態を理解するには、神経細胞間の情報伝達を担うシナプスの理解が必須である。近年、シナプス形成に関わるタンパク質は次々と報告されてきたが、未成熟なシナプスが機能的なシナプスに成熟していく過程は、十分に理解されていない。本研究では、LGI1-ADAM22-PSD-95タンパク質複合体が、シナプス前後部のナノドメインを整列させることにより、シナプス伝達を精緻に制御することを見出した。一方、LGI1-ADAM22-PSD-95経路の破綻はヒトやマウスにおいててんかん性脳症を引きおこすことを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来の光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いた解析では、シナプス内部やシナプス間隙をまたぐ分子の相互配置や動的変化に迫ることは困難であった。本研究では、超解像イメージング法や脳疾患モデルを用いて、シナプス内部のタンパク質の配置メカニズムを明らかにした。また、シナプス疾患をシナプスの形態や数の異常という従来の観点を超えて、シナプス-ナノドメインの構造・機能的変容として捉えた点も意義深い。

研究成果

• [国際共同研究] UCL/The University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] University of Helsinki(フィンランド)
• [国際共同研究] Erasmus University/Leiden University(オランダ)
• [国際共同研究] DZNE/Charite-Universitatsmedizin(ドイツ)
• [国際共同研究] Charles University in Prague(チェコ)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] UCSF(米国)
• [国際共同研究] UCL/The University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] DZNE/Charite-Universitatsmedizin(ドイツ)
• [国際共同研究] Aarhus University(デンマーク)
• [国際共同研究] Erasmus University/Leiden University(オランダ)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] UCSF/UCSD(米国)
• [国際共同研究] DZNE(ドイツ)
• [国際共同研究] IST(オーストリア)
• [国際共同研究] UCL/The University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] University of Helsinki(フィンランド)
• [雑誌論文] Anti-LGI4 antibody is a novel juxtaparanodal autoantibody for chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang X, Kira J, Ogata H, Imamura T, Mitsuishi M, Fujii T, Kobayashi M, Kitagawa K, Namihira Y, Ohya Y, Maimaitijiang G, Yamasaki R, Fukata Y, Fukata M, Isobe N, Nakamura Y.
  • 雑誌名: Neurology Neuroimmunology and Neuroinflammation 巻: 10(2) 号: 2 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1212/nxi.0000000000200081
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] S-Palmitoylation of Tyrosinase at Cysteine500 Regulates Melanogenesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Niki Yoko、Adachi Naoko、Fukata Masaki、Fukata Yuko、Oku Shinichiro、Makino-Okamura Chieko、Takeuchi Seiji、Wakamatsu Kazumasa、Ito Shosuke、Declercq Lieve、Yarosh Daniel B.、Mammone Tomas、Nishigori Chikako、Saito Naoaki、Ueyama Takehiko
  • 雑誌名: Journal of Investigative Dermatology 巻: 143 号: 2 ページ: 317-327.e6
  • DOI: 10.1016/j.jid.2022.08.040
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] てんかん発症を抑制するためのLGI1-ADAM22タンパク質複合体の量的制御機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 横井紀彦、深田優子、深田正紀
  • 雑誌名: 生化学 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biallelic ADAM22 pathogenic variants cause progressive encephalopathy and infantile-onset refractory epilepsy (2022)
  • 著者名/発表者名: van der Knoop M Marieke M*、Maroofian Reza*、Fukata Yuko*、van Ierland Yvette、Karimiani G Ehsan、Lehesjoki Anna-Elina、Muona Mikko、Paetau Anders、Miyazaki Yuri、Hirano Yoko、Selim Laila、-----32名-----、Striano Pasquale、Severino Mariasavina、Fukata Masaki#、Hilhorst-Hofstee Yvonne#、Houlden Henry#
  • 雑誌名: Brain 巻: - 号: 7 ページ: 2301-2312
  • DOI: 10.1093/brain/awac116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Palmitoylation of the small GTPase Cdc42 by DHHC5 modulates spine formation and gene transcription (2022)
  • 著者名/発表者名: Wirth Alexander、Labus Josephine、Abdel Galil Dalia、Schill Yvonne、Schmidt Silke、Bunke Tania、Gorinski Nataliya、Yokoi Norihiko、Fukata Masaki、Ponimaskin Evgeni
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 298 号: 6 ページ: 102048-102048
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Insight into the function of a unique voltage-sensor protein (TMEM266) and its short form in mouse cerebellum (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawai T、Narita H、Konno K、Akter S、Andriani RT、Iwasaki H、Nishikawa S、Yokoi N、Fukata Y、Fukata M、Wiriyasermkul P、Kongpracha P、Nagamori S、Takao K、Miyakawa T、Abe M、Sakimura K、Watanabe M、Nakagawa A、Okamura Y
  • 雑誌名: Biochemical Journal 巻: 479 号: 11 ページ: 1127-1145
  • DOI: 10.1042/bcj20220033
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MAGUKs are essential, but redundant, in long-term potentiation (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen Xiumin、Fukata Yuko、Fukata Masaki、Nicoll Roger A.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 28
  • DOI: 10.1073/pnas.2107585118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Trans-synaptic LGI1-ADAM22?MAGUK in AMPA and NMDA receptor regulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukata Yuko、Hirano Yoko、Miyazaki Yuri、Yokoi Norihiko、Fukata Masaki
  • 雑誌名: Neuropharmacology 巻: 194 ページ: 108628-108628
  • DOI: 10.1016/j.neuropharm.2021.108628
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 14-3-3 proteins stabilize LGI1-ADAM22 levels to regulate seizure thresholds in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Norihiko Yokoi, Yuko Fukata, Kei Okatsu, Atsushi Yamagata, Yan Liu , Makoto Sanbo, Yuri Miyazaki, Teppei Goto, Manabu Abe , Hidetoshi Kassai, Kenji Sakimura, Dies Meijer, Masumi Hirabayashi, Shuya Fukai, Masaki Fukata
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 37 号: 11 ページ: 110107-110107
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.110107
  • NAID: 120007177780
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A novel red fluorescence dopamine biosensor selectively detects dopamine in the presence of norepinephrine in vitro (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamoto Chihiro、Goto Yuhei、Tomizawa Yoko、Fukata Yuko、Fukata Masaki、Harpsoe Kasper、Gloriam David E.、Aoki Kazuhiro、Takeuchi Tomonori
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 14 号: 1 ページ: 173-173
  • DOI: 10.1186/s13041-021-00882-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Encephalitis patient-derived monoclonal GABAa receptor antibodies cause epileptic seizures (2021)
  • 著者名/発表者名: Kreye Jakob、Wright K Sukhvir、van Casteren Adriana、Stoffler Laura、Machule Marie-Luise、Reincke S Momsen、Nikolaus Marc、van Hoof Scott、Sanchez-Sendin Elisa、Homeyer A Marie、Cordero Gomez Cesar、Kornau Hans-Christian、-----12名-----、Wickel Jonathan、Geis Christian、Fukata Yuko、Fukata Masaki、Pruss Harald
  • 雑誌名: Journal of Experimental Medicine 巻: 218
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] LGI1-ADAM22-MAGUK configures transsynaptic nanoalignment for synaptic transmission and epilepsy prevention (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukata Yuko、Chen Xiumin、Chiken Satomi、Hirano Yoko、Yamagata Atsushi、Inahashi Hiroki、Sanbo Makoto、Sano Hiromi、Goto Teppei、Hirabayashi Masumi、Kornau Hans-Christian、Pruss Harald、Nambu Atsushi、Fukai Shuya、Nicoll Roger A.、Fukata Masaki
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 3 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1073/pnas.2022580118
  • NAID: 120006976050
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Canonical versus non-canonical transsynaptic signaling of neuroligin 3 tunes development of sociality in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida T, Yamagata A, Imai A, Kim J, Izumi H, Nakashima S, Shiroshima T, Maeda A, Iwasawa-Okamoto S, Azechi K, Osaka F, Saitoh T, Maenaka K, Shimada T, Fukata Y, Fukata M, Matsumoto J, Nishijo H, Takao K, Tanaka S, Okabe S, Tabuchi K, Uemura T, Mishina M, Mori H & Fukai S
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12(1) 号: 1 ページ: 1848-1848
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22059-6
  • NAID: 120006996978
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Encephalitis patient derived monoclonal GABAA receptor antibodies cause catatonia and epileptic seizures (2021)
  • 著者名/発表者名: Kreye Jakob、Wright Sukhvir K.、van Casteren Adriana、Machule Marie-Luise、Reincke S. Momsen、Nikolaus Marc、Stoffler Laura、van Hoof Scott、Sanchez-Sendin Elisa、Kornau Hans-Christian、Kaindl Angela M.、Wilson Max A.、Greenhill Stuart、他5名、Geis Christian、Fukata Yuko、Fukata Masaki、Pruss Harald
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2021.01.28.428602
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] APEGS法によるタンパク質パルミトイル化修飾の定量 (2021)
  • 著者名/発表者名: 深田正紀、横井紀彦、深田優子
  • 雑誌名: 電気泳動 巻: 65
  • NAID: 130008072916
  • 査読あり
• [雑誌論文] Forelimb movements evoked by optogenetic stimulation of the macaque motor cortex (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe H, Sano H, Chiken S, Kobayashi K, Fukata Y, Fukata M, Mushiake H, Nambu A
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 11 号: 1 ページ: 3253-3253
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16883-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A genetically encoded red fluorescence dopamine biosensor enables dual imaging of dopamine and norepinephrine (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakamoto Chihiro、Goto Yuhei、Tomizawa Yoko、Fukata Yuko、Fukata Masaki、Harpsoe Kasper、Gloriam David E.、Aoki Kazuhiro、Takeuchi Tomonori
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2020.05.25.115162
  • オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] シナプスのナノ構築機構と病態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 深田優子、横井紀彦、宮﨑裕理、深田正紀
  • 学会等名: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Function and regulation of ADAM22, a receptor for LGI1, in epileptic disorders (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukata M, Fukata Y
  • 学会等名: SYNABS & CONNECT-GENERATE Symposium 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 14-3-3 proteins stabilize LGI1-ADAM22 levels to prevent epilepsy in mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Yokoi N, Fukata Y, Okatsu K, Yamagata A, Liu Y, Sanbo M, Miyazaki Y, Goto T, Hirabayashi M, Fukai S, Fukata M
  • 学会等名: The 45th annual meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] シナプス機能と脳の疾患に関する研究. 第 4 回 FUJITA ブレインサイエンスセミナー (2022)
  • 著者名/発表者名: 深田正紀
  • 学会等名: 第 4 回 FUJITA ブレインサイエンスセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Proteomic characterization of ABHD17B, a depalmitoylating enzyme, in the mouse brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Egawa T, Hirata T, Yokoi N, Miyazaki Y, Sanbo M, Goto T, Inahashi H, Kobayashi K, Hirabayashi M, Fukata Y, Fukata M
  • 学会等名: 第95回日本生化学大会
• [学会発表] Trans-synaptic LGI1-ADAM22-MAGUK protein complex in synaptic functions and disorders (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukata Masaki、Fukata Yuko
  • 学会等名: SYNABS Symposium (Germany, Virtual meeting)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Acyl-PEGyl exchange gel-shift (APEGS) assay for palmitoylation quantification (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukata Masaki、Yokoi Norihiko、Fukata Yuko
  • 学会等名: 第71回 日本電気泳動学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] Synaptic function regulated by palmitate cycling on PSD-95 and trans-synaptic LGI1 and ADAM22 (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukata Masaki、Yuri Miyazaki、Yokoi Norihiko、Fukata Yuko
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [図書] 膜タンパク質工学ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 平野瑶子、宮﨑裕理、横井紀彦、平田哲也、深田正紀、深田優子
  • 総ページ数: 17
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860435370
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.nips.ac.jp/fukata/
• [備考] 研究報告_生理研ホームページ
  • URL: https://www.nips.ac.jp/nips_research/2022/04/_adam22_17.html
• [備考] プレスリリース 新たなてんかん治療戦略を提案
  • URL: https://www.nips.ac.jp/release/2021/12/_adam22.html
• [備考] プレスリリース 新たなてんかん治療戦略を提案
  • URL: https://www.amed.go.jp/news/release_20211215.html
• [備考] プレスリリース 新規赤色蛍光ドーパミンバイオセンサーの開発
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/press/2021/12/20.html
• [備考] プレスリリース：神経シナプス間の軸調整を担う分子群を発見―新たなてんかん病態を解明―
  • URL: https://www.nips.ac.jp/release/2021/01/post_426.html