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

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00459
• 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
• キーワード: シナプス / タンパク質 / 脳・神経 / ナノドメイン

研究実績の概要

本研究では、(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-ナノドメインの形成機構とシナプス前・後部の協調機構を明らかにする。
(1) パルミトイル化サイクルによるシナプス-ナノドメインの形成機構の解明
これまでに私共は、シナプス後部膜内にAMPA受容体を捕捉するPSDナノドメインを発見し、その数やサイズがPSD-95の動的なパルミトイル化-脱パルミトイル化サイクルによって規定されるモデルを提唱してきた。2020年度は、このパルミトイル化サイクルとPSDナノドメイン制御の因果関係を明らかにするために、脱パルミトイル化酵素ABHD17を欠失させたマウスの解析に着手した。また、パルミトイル化サイクルを受けないPSD-95変異体の性状解析にも着手した。
(2) LGI1-ADAM22によるシナプス-ナノドメイン間の連結制御機構の解明
タグ付きADAM22 ノックインマウスを活用して、ADAM22が興奮性シナプスにてPSD-95と共局在していることを見出した。またタグ付きADAM22 ノックインマウスのシナプス画分からタグ抗体を利用してADAM22結合蛋白質を特異的、網羅的に同定した。次に、ADAM22のPSD-95結合モチーフを欠損させた変異マウス(ADAM22ΔC5マウス)において、シナプス後部のPSD-95ナノドメインが著しく小さくなること、シナプス前部と後部の各ナノドメインの対面整列が乱れること、興奮性シナプス伝達が有意に低下することを見出した。同様の結果は、LGI1のノックアウトマウスにおいても認められた。このように、LGI1-ADAM22-PSD-95からなるタンパク質複合体が、シナプス間の内部装置の対面整列をナノメートル単位で微調整していることを見出した（Fukata et al, PNAS 2021）。

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

(1) ADAM22ΔC5マウスにおいて、シナプス前部、後部のナノドメインの対面整列が乱れていることを、超解像イメージングで明らかにした。
(2) LGI1-ADAM22-PSD-95複合体による経シナプスの機能的連結が破綻すると、マウスやヒトでてんかんが生じることを見出し、論文発表を行った（Fukata et al, PNAS 2021）。

今後の研究の推進方策

(1) パルミトイル化サイクルによるシナプス-ナノドメインの形成・再編機構
脱パルミトイル化酵素ABHD17ノックアウトマウスにおいて、私共が開発したAPEGS法(細胞・組織中の任意の蛋白質のパルミトイル化状態を電気泳動上の分子量シフトで定量する手法)により、PSD-95のパルミトイル化サイクルが、実際に消失しているかを検討する。次に、初代培養神経細胞や脳組織切片の超解像顕微鏡解析により、パルミトイル化サイクル欠失によるPSDナノドメインのサイズや大きさ等への影響を解析する。
(2) LGI1-ADAM22-PSD-95複合体によるシナプス-ナノドメイン間の連結制御機構の解明
ADAM22とPSD-95の結合破綻により、シナプス後部膜におけるPSD-95集積が減少する分子基盤の詳細を明らかにする。また、ADAM22の細胞質領域で見られるリン酸化の生理的意義について明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] UCSF/UCSD(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: UCSF/UCSD
• [国際共同研究] DZNE(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: DZNE
• [国際共同研究] IST(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: IST
• [国際共同研究] UCL/The University of Edinburgh(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: UCL/The University of Edinburgh
• [国際共同研究] University of Helsinki(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: University of Helsinki
• [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 ページ: e2022580118
  • DOI: 10.1073/pnas.2022580118
  • 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 Tomoyuki、Yamagata Atsushi、Imai Ayako、Kim Juhyon、Izumi Hironori、Nakashima Shogo、Shiroshima Tomoko、Maeda Asami、Iwasawa-Okamoto Shiho、Azechi Kenji、Osaka Fumina、Saitoh Takashi、Maenaka Katsumi、Shimada Takashi、Fukata Yuko、Fukata Masaki、Matsumoto Jumpei、Nishijo Hisao、Takao Keizo、Tanaka Shinji、他6名
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1848
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22059-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Encephalitis patient derived monoclonal GABAA receptor antibodies cause catatonia and epileptic seizures (2021)
  • 著者名/発表者名: Jakob Kreye, Sukhvir K. Wright, Adriana van Casteren, Marie-Luise Machule, S. Momsen Reincke, Marc Nikolaus, Laura Stoffler, Scott van Hoof, Elisa Sanchez-Sendin, Hans-Christian Kornau, Angela M. Kaindl, Max A. Wilson, Stuart Greenhill, 他5名, Christian Geis, Yuko Fukata, Masaki Fukata, Harald Pruss
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: － ページ: －
  • 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 ページ: －
  • 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 Hidenori、Sano Hiromi、Chiken Satomi、Kobayashi Kenta、Fukata Yuko、Fukata Masaki、Mushiake Hajime、Nambu Atsushi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 3253
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16883-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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: － ページ: －
  • DOI: 10.1101/2020.05.25.115162
  • オープンアクセス / 国際共著
• [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: 978-4-86043-537-0
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.nips.ac.jp/fukata/
• [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