神経RNA顆粒液相－固相平衡の認知機能・疾患への関与

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H03161
• 研究機関: 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究
• 研究代表者: 椎名 伸之 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 准教授 (30332175)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: RNA顆粒 / 液－液相分離 / ダイナミクス / 神経変性疾患

研究実績の概要

RNA顆粒は液－液相分離によって形成され、内部に固相のサブドメインを有する高次複合体である。すでに我々は、RNA顆粒形成タンパク質をGFPやmRFP1蛍光タンパク質融合型としてA6細胞に発現し、そのダイナミクスを光褪色後蛍光回復法（FRAP）や細胞膜透過法（細胞膜をdigitonin処理後、RNA顆粒の形態変化を観察）によってイメージング解析する方法を開発している（Shiina, J. Biol. Chem., 2019）。本研究ではその方法をマウス大脳皮質由来の神経初代培養細胞に適用し、RNA顆粒形成因子で学習・記憶に必須のRNG105、及び神経変性疾患の原因遺伝子産物であるTDP-43とFUSのダイナミクスを解析した。TDP-43及びFUSは通常核内に存在するが、筋萎縮性側索硬化症（ALS）や認知症（FTLD）などの神経変性疾患では細胞質に移行し、RNA顆粒に集積・凝集化して神経変性を引き起こすことが明らかにされつつある。TDP-43及びFUSを神経細胞に過剰発現したところ、細胞体及び樹状突起の細胞質にRNA顆粒を形成し、以下のようなRNG105のダイナミクス変換を引き起こした。１）細胞膜透過法によるRNG105のRNA顆粒からの離散が顕著に促進された。２）FRAP法によるRNG105の蛍光リカバリー（可動性画分）が増大した。さらに、３）RNA顆粒に局在化していたRNG105が細胞質へ拡散した。以上の結果は、TDP-43及びFUSがRNA顆粒におけるRNG105の流動性を増大させ、その結果RNG105の安定的なRNA顆粒への局在化が失われ、顆粒外へ追い出されることを示唆した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り、RNA顆粒形成タンパク質のダイナミクスを神経培養細胞で解析した。その結果、TDP-43及びFUSがRNG105のRNA顆粒における流動性を上昇させ、RNA顆粒外へ追い出すという予想外の結果を得た。TDP-43及びFUSは固い凝集体を形成して神経変性疾患を引き起こすことから、RNA顆粒の流動性を低下させると一般的に考えられてきたが、結果はそれとは逆であった。この新たな発見は、神経変性疾患におけるRNA顆粒の機能の変化、ひいては神経変性疾患発症メカニズムの理解へ向けた足掛かりになると期待される。以上の点から、本研究は順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

TDP-43及びFUSは全てのRNA顆粒形成タンパク質の流動性を上昇させるのか、あるいはRNG105のような特定のタンパク質をターゲットにして流動性を上昇させるのか、という新たな問いが生まれた。そこで、RNG105以外のRNA顆粒形成タンパク質G3BP, FMRP, PUM1等についても同様の解析を行う。また、培養細胞レベルの解析からin vivoでの解析への展開を図る。そのためにRNA顆粒形成タンパク質にGFPを融合させたノックインマウスを作成し、TDP-43やFUSの神経変性疾患モデルマウスとの交配を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Cataloguing and selection of mRNAs localized to dendrites in neurons and regulated by RNA-binding proteins in RNA granules (2020)
  • 著者名/発表者名: Rie Ohashi and Nobuyuki Shiina
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 10 ページ: 167
  • DOI: 10.3390/biom10020167
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] More dynamic, more quantitative, unexpectedly intricate: Advanced understanding on synaptic RNA localization in learning and memory (2020)
  • 著者名/発表者名: Rohini Roy, Nobuyuki Shiina, and Dan Ohtan Wang
  • 雑誌名: Neurobiology of Learning and Memory 巻: 168 ページ: 107149 - 107149
  • DOI: 10.1016/j.nlm.2019.107149
  • 査読あり
• [雑誌論文] Seasonal changes in NRF2 antioxidant pathway regulates winter depression-like behavior. (2020)
  • 著者名/発表者名: T Nakayama, K Okimura, J Shen, YJ Guh, TK Tamai, A Shimada, S Minou, Y Okushi, T Shimmura, Y Furukawa, N Kadofusa, A Sato, T Nishimura, M Tanaka, K Nakayama, N Shiina, N Yamamoto, AS Loudon, T Nishiwaki-Ohkawa, A Shinomiya, T Nabeshima, Y Nakane, and T Yoshimura
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: Apr 10 ページ: pii: 202000278
  • DOI: 10.1073/pnas.2000278117
  • 査読あり
• [学会発表] RNG105 (caprin1) establishes dendritic mRNA localization and is essential for long-term memory formation (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Shiina
  • 学会等名: 第42回 日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] Liquid- and solid-like RNA granule formation and its implications for neuronal functions (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Shiina
  • 学会等名: Frontier Bioorganization Forum 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dendritic localization of mRNAs for Arf GEFs and GAPs that are involved in spine formation/maturation and AMPAR surface expression in dendrites (2019)
  • 著者名/発表者名: Rie Ohashi, Yoshitaka Kumori, and Nobuyuki Shiina
  • 学会等名: 第42回 日本神経科学大会
• [学会発表] Regulation of the dynamics of RNA granule condensates and its implications for long-term memory (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Shiina
  • 学会等名: NIBB-Princeton Joint Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ストレス顆粒形成促進因子NFAR2の天然変性領域が担う液-液相分離の生理的意義の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山下映, 藤井一希, 腰高由美恵, 安達真由美, 笹川恵理, 中川真一, 高雄啓三, 椎名伸之
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] RNG140 (caprin2) はeIF3と複合体を形成して翻訳を抑制する (2019)
  • 著者名/発表者名: 中沢香織, 七野悠一, 岩崎信太郎, 椎名伸之
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] RNA granule protein RNG105 (caprin1) regulates dendritic mRNA localization and contributes to synaptic potentiation (2019)
  • 著者名/発表者名: Rie Ohashi, Kei Nakayama, Keizo Takao, and Nobuyuki Shiina
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] RNA顆粒足場タンパク質による液相・固相RNA顆粒の形成及びその長期記憶との関連 (2019)
  • 著者名/発表者名: 椎名伸之
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会年会
  • 招待講演