神経細胞内でシナプス形成を時空間的・標的依存的に制御する分子機構の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H03350
• 研究機関: 富山大学
• 研究代表者: 吉田 知之 富山大学, 学術研究部医学系, 准教授 (90372367)
• 研究分担者: 和泉 宏謙 富山大学, 医学部, 技術専門職員 (00377342)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: シナプス / マイクロエクソン / スプライシング

研究実績の概要

神経細胞が適切な相手とシナプスを作ることは、機能的な神経回路を構築する上で、極めて重要である。シナプス後部誘導因子であるニューロリジン3(NLGN3)は、もともとシナプス前部のニューレキシン(NRXN1-3)と結合してシナプスを誘導することがよく知られていた。本研究ではNLGN3がNRXN1-3の他にシナプス前部の受容体チロシン脱リン酸化酵素PTPRDとも結合してシナプスを誘導することを見出した。NRXN1-3とPTPRDはNLGN3の同一の結合面に結合することで、立体障害によって互いに競合的関係にあることを見出した。この競合関係の生理的な重要性を明らかにする為にNLGN3-PTPRD複合体の結晶構造解析を行い、NRXN1-3との結合を選択的に遮断したNLGN3変異体、およびPTPRDとの結合を選択的に遮断したNLGN3変異体をデザインすることに成功した。それらのNLGN3変異を導入したマウス系統を作出して、マウス脳内の生化学的解析、解剖学的解析、および行動解析を行なった。PTPRDとの結合を特異的に障害したNLGN3変異マウス系統の大脳皮質では抑制性シナプスタンパク質の発現が選択的に亢進していた。また、このマウス系統では社会性行動が減少していた。一方、NRXN1-3との結合を選択的に遮断したNLGN3変異マウス系統は社会性行動が野生型マウスよりも増加していた。このことから、NLGN3に対するNRXN1-3とPTPRDの競合のバランスによって社会性の発達が双方向性に調節されることが示唆された。さらに、シナプス形成の標的特性を調節するPtprd遺伝子のマイクロエクソン選択に関わるシスエレメントを欠失させたマイクロエクソン選択比率改変モデルマウスを作製した。

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

NRXN1-3とPTPRD間の競合関係に関する研究では、NLGN3を介した競合的なシナプス形成調節メカニズムの一端を明らかにし、この調節の生理的意義をマウス個体レベルで明らかにすることに成功したため、順調に進展していると言える。一方、PTPRDのマイクロエクソンスプライス多様性によるシナプス形成調節メカニズムに関する研究においては、当初作製したマイクロエクソン選択比率改変マウスモデルではPTPRD総タンパク量の大幅な減少が確認されたため、研究期間を延長して、PTPRD総タンパク量が変化しないマイクロエクソン選択比率改変マウスモデルを作製しなおした。延長期間中に新たなモデルマウス系統樹立に成功し、当初の年次達成目標をクリアした。

今後の研究の推進方策

Ptprd遺伝子マイクロエクソンの選択比率を改変したマウス系統の解剖学的解析、行動解析を行い、マイクロエクソンの選択調節の神経回路発達と脳機能発現における重要性を検証する。

研究成果

• [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 ページ: 1848
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22059-6.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristics of internalization of NMDA-type GluRs with antibodies to GluN1 and GluN2B. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Y, Nishimura S, Takao E, Kasai R, Enokida K, Ida K, Fukuoka M, Koike T, Omatsu H, Yamaguchi T, Takano S, Yoshida T, Mori H.
  • 雑誌名: Journal of Neuroimmunology 巻: 349 ページ: 577427
  • DOI: 10.1016/j.jneuroim.2020.577427.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional characterization of rare NRXN1 variants identified in autism spectrum disorders and schizophrenia. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka K, Yoshida T, Kawabata T, Imai A, Mori H, Kimura H, Inada T, Okahisa Y, Egawa J, Usami M, Kushima I, Morikawa M, Okada T, Ikeda M, Branko A, Mori D, Someya T, Iwata N, Ozaki N.
  • 雑誌名: Journal of Neurodevelopmental Disorders 巻: 12 ページ: 25
  • DOI: 10.1186/s11689-020-09325-2.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] TBX5 R264K acts as a modifier to develop dilated cardiomyopathy in mice independently of T-box pathway. (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyao N, Hata Y, Izumi H, Nagaoka R, Oku Y, Takasaki I, Ishikawa T, Takarada S, Okabe M, Nakaoka H, Ibuki K, Ozawa S, Yoshida T, Hasegawa H, Makita N, Nishida N, Mori H, Ichida F, Hirono K.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 15 ページ: e0227393
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0227393.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 自閉症関連タンパク質 Neuroligin 3 による新規のシナプス誘導経路と社会性調節機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田知之
  • 学会等名: 生理研究所研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質神経細胞の電気刺激によるPtpd遺伝子の微小エクソン選択調節 (2020)
  • 著者名/発表者名: 出村 舞奈, 今井 彩子, 田端 俊英, 森 寿, 田 知之
  • 学会等名: 日本生化学会北陸支部第38回大会
• [学会発表] Structural basis of selective interaction between Iia RPTP and Liprin (2020)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Yamagata, Tomoyuki Yoshida, Shuya Fukai
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] Microexon splicing of Ptprd gene controls locomotor activity and social behavior (2020)
  • 著者名/発表者名: Ayako Tabata-Imai, Mizuki Sendo, Hironori Izumi, Keizo Takao, Hisashi Mori, Tomoyuki Yoshida
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] 大脳皮質神経細胞の電気刺激によるPtprd遺伝子微小エクソンの選択的スプライシング調節 (2020)
  • 著者名/発表者名: 出村 舞奈, 今井 彩子, 田端 俊英, 森 寿, 吉田 知之
  • 学会等名: 第67回中部日本生理学会
• [学会発表] D-serineは脊索動物ホヤの変態時に表皮細胞からの細胞外基質の分泌を制御する (2020)
  • 著者名/発表者名: Krasovec Gabriel, 保住 暁子, 吉田 知之, 濱田 麻友子, 白石 慧, 佐竹 炎, 堀江 健生, 森 寿, 笹倉 靖徳
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会
• [備考] 富山大学学術研究部医学系 分子神経科学講座ホームページ
  • URL: http://www.med.u-toyama.ac.jp/molneurosci/index.html
• [備考] 富山大学大学院生命融合科学教育部ホームページ
  • URL: https://www.ils.u-toyama.ac.jp/