神経可塑性に着目した精神疾患の分子メカニズム解明と治療可能性の探索

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20J00876
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 森川 桃 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 特別研究員(SPD)
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2023-03-31
• キーワード: 精神疾患 / 統合失調症 / 神経細胞 / 樹状突起スパイン / 受容体 / 分子モーター / 細胞内輸送 / モデルマウス解析

研究実績の概要

統合失調症は、思考や行動、感情などを統合する脳の機能の破綻による幻覚や異常行動の発現を主症状とする精神疾患のひとつである。現代では約100人に1人が発症すると言われているが、その根本的な治療法はまだ確立されていない。
神経細胞の樹状突起スパイン表面に発現するNMDA型グルタミン酸受容体（NMDAR）の局在と、NMDARを介したシナプス可塑性が統合失調症に深く関与することが報告されており、統合失調症モデルマウスを用いてNMDARの2つのサブユニットNR2AとNR2Bの局在と動態等を詳細に解析することは、統合失調症の根本的な治療法を確立することに繋がると期待される。そこで、NMDARと細胞内分子モーターやそのアダプタータンパク質に注目して統合失調症患者の感受性変異を特定し、その変異によって引き起こされる分子カスケードの異常を解明することで、統合失調症の治療可能性を探索することが本研究の目的である。
そのために本研究では統合失調症患者の感受性変異を導入した統合失調症モデルマウスとその海馬培養神経細胞等を用いて、NMDARの制御メカニズムを詳細に解析する。令和2年度のマウス行動解析を中心とした研究により、感受性変異導入マウスの統合失調症モデルマウスとしての妥当性が示された。また海馬培養神経細胞において形態学的な異常とスパイン表面の受容体発現に異常が観察された。
引き続き、感受性変異が引き起こす分子カスケードの異常を解明することで、統合失調症の根本的な治療可能性を探索する。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

Kif3bヘテロマウスとKif17ミュータントマウスが実際に統合失調症の表現型を示すか検証することを中心に研究を行った。具体的には、オープンフィールド実験と高架式十字迷路実験による運動機能・情動行動の変化と不安様行動の発現の有無を調べ、スリーチャンバー社会行動実験により社会性が低下しているか検討した。さらには新規物体認識実験により新規物体の探索意欲や自発性、バーンズ迷路実験により空間認知能力、８方向迷路実験により作業記憶に異常が見られるかを観察した。またプレパルスインヒビション実験を行い、統合失調症で見られるプレパルス抑制の減弱度合いを解析した。上記の行動解析を総合的に検討したところ、Kif3bヘテロマウスは統合失調症様の表現型を示す新規のモデルマウスといえるものであり、さらにこのマウスに統合失調症患者の血中で減少することが知られているベタインを餌に混ぜて与えることで、統合失調症様の表現型が改善されることを発見し学術論文にまとめて発表した（S. Yoshihara, X. Jiang, M. Morikawa, et al., Cell Reports 35(2) 2021）。また日本神経科学大会と日本生物学的精神医学会にて口頭発表を行った。Kif17ミュータントマウスの結果については学術論文の投稿準備をしている。また海馬神経細胞の樹状突起においては局所でKIF17が分解・合成されることがマウスの脳高次機能を維持していることを同定し、学術論文にまとめて発表した（S. Iwata, M. Morikawa, et al., Science Advances 6(51) 2020）。またマウスの海馬から一次培養系を確立し、免疫細胞化学的にNMDA受容体の2つのサブユニットNR2AとNR2Bの細胞内局在観察を行ったところ、NR2AとNR2Bがともに減少していることが分かった。

今後の研究の推進方策

今後は、NMDARの機能と輸送分子モーターによる輸送の異常が統合失調症の病理・病態にもたらす影響を調べるため、引き続きKif3bヘテロマウスとKif17ミュータントマウスを用いて、令和2年度に行った行動解析について統計学的な解析を完了する。
またKIF3BとKIF17によるNR2A/NR2B比率の制御機構を明らかにするため、変異神経細胞におけるNR2AとNR2Bの細胞内局在の破綻がNMDARの細胞内分子モーターの導入により改善されるか解析する。同時に統合失調症感受性変異を導入した分子モーターの過剰発現による改善の程度も評価し、統計学的にNMDARの局在と数におけるトランスポーターの寄与と遺伝子変異の影響を解析する。さらに電気生理学的に海馬の回路網を解析するため、遺伝子変異マウスと野生型マウスから海馬の急性スライスを作成し、遺伝子変異により神経応答に変化が見られるか測定を行う。
また、NMDARの分子モーターによる輸送と局在が、実際に個体レベルで統合失調症に重要な役割を担っていることを明らかにするため、分子モーターの遺伝子ノックアウトマウスまたはカーゴ輸送能の欠損した遺伝子変異マウスの海馬にアデノ随伴ウイルスを用いて分子モーターを導入し、表現型が改善されるかを検討する。同時に遺伝子変異分子モーターの導入による改善の度合いを比較検討する。
統合失調症など神経・精神疾患の発症にKIF3やKIF17によるNMDA受容体の輸送がどのような意義を持っているか今後研究を進めていくことで、統合失調症の根本的な治療法を確立することに繋がる新規の細胞内分子メカニズムの解明を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Betaine ameliorates schizophrenic traits by functionally compensating for KIF3-based CRMP2 transport (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshihara Shogo、Jiang Xuguang、Morikawa Momo、Ogawa Tadayuki、Ichinose Sotaro、Yabe Hirooki、Kakita Akiyoshi、Toyoshima Manabu、Kunii Yasuto、Yoshikawa Takeo、Tanaka Yosuke、Hirokawa Nobutaka
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 35 ページ: 108971～108971
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.108971
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An activity-dependent local transport regulation via degradation and synthesis of KIF17 underlying cognitive flexibility (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwata Suguru、Morikawa Momo、Takei Yosuke、Hirokawa Nobutaka
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 ページ: eabc8355~8355
  • DOI: 10.1126/sciadv.abc8355
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Kinesin Kif3b mutation reduces NMDAR subunit NR2A trafficking and causes schizophrenia-like phenotypes in mice (2020)
  • 著者名/発表者名: 森川桃、アルサバンアシュワック、田中庸介、武井陽介、廣川信隆
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] Kinesin Kif3b mutation reduces NMDAR subunit NR2A trafficking and causes schizophrenia-like phenotypes in mice (2020)
  • 著者名/発表者名: 森川桃、アルサバンアシュワック、田中庸介、武井陽介、廣川信隆
  • 学会等名: NPBPPP2020合同年会