コンドロイチン硫酸を中心とした糖鎖による神経活動の制御機構

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Deciphering sugar chain-based signals regulating integrative neuronal functions
• Project/Area Number: 23110003
• Research Institution: Kobe Pharmaceutical University
• Principal Investigator: 北川 裕之 神戸薬科大学, 薬学部, 教授 (40221915)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田村 純一 鳥取大学, 地域学部, 教授(Professor) (30221401)
• Project Period (FY): 2011-07-25 – 2016-03-31
• Keywords: プロテオグリカン / コンドロイチン硫酸 / 細胞接着分子 / 神経可塑性 / 神経突起伸長 / グリコサミノグリカン / 糖鎖受容体 / 糖鎖シグナル

Research Abstract

コンドロイチン硫酸(CS)は、外傷性障害を受けた成体脳において、再生軸索の伸長を阻害する主要な分子として知られる一方で、高硫酸化された構造をもつCSには、初代培養神経細胞の神経突起伸長を促進する働きがある。この一見矛盾した結果は、CSの硫酸化構造の違いに起因すると考えられる。実際、CS-Eと呼ばれる高硫酸化CSバリアントをコートした基質上で海馬神経細胞を培養すると、軸索様の長い神経突起の伸長が促進されるが、高硫酸化CSバリアントであっても、CS-Eとは異なる硫酸化構造をもつCS-Dをコートした基質上では、短い神経突起が複数本観察されるに過ぎない。これらの観察から、神経突起の伸長がCSの硫酸化構造により厳密に制御されている可能性が示唆された。我々は、神経細胞上に発現する細胞接着分子であるcontactin-1(CNTN-1)がCS-Eを認識するレセプターとして機能し、CS-Eによる神経突起伸長がCNTN-1を介した細胞内シグナル伝達経路の活性化により引き起こされることを見出した。興味深いことに、CS-D及びCS-E基質上で培養した海馬神経細胞の形態は、未熟な神経突起から軸索または樹状突起への運命が決定される特定の極性形成過程の形態とそれぞれ酷似していた。そこで、CS-DとCS-Eを混合した基質を調製し、それらの基質上で培養した海馬神経細胞の形態を観察したところ、混合基質中に占めるCS-Dの割合が増加するにつれて、CS-E誘導性の長い神経突起の伸長が抑制され、複数本の神経突起をもつCS-Dに特有の形態に収束する傾向が観察された。また、CS-DやCS-Eに対する結合親和性を指標に、CSレセプター候補分子の探索を行ったところ、CNTN-1の類縁分子であるTAG-1、L1CAM、カドヘリンファミリー分子においても高硫酸化CSに対して結合性があることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今回の研究により、CNTN-1を含めた複数のCSレセプター分子の存在が示唆され、化学合成オリゴ糖を用いた糖鎖機能ドメインの同定が可能になるものと考えられる。また、CSの硫酸化パターンを改変させる手段を講じることによって、神経細胞の極性形成過程を自在に制御できる可能性も示唆することができたため。

Strategy for Future Research Activity

これまでの解析から、少なくともCNTN-1およびTAG-1がCSレセプター分子として機能し、それらの形質膜上での存在状態（分子複合体形成の有無など）によって、神経細胞のCS-DやCS-Eに対する応答性が変化しうる可能性が考えられた。今後は、これらCSレセプター分子と化学合成CSオリゴ糖との結合性についても詳細に調べ、個別での相互作用に必要なCSの最小機能ドメインや、両分子の複合体形成化の誘導に必要なCS機能ドメインを決定し、初代培養系でのCSレセプター複合体の機能解析に用いる。また最近、脳室帯で生まれた神経細胞が脳表面に移動する際に、CSの硫酸化構造が変動することを新たに見出したので、今後は、神経細胞自身が合成するCSによって、どのように神経細胞の移動が制御されるのかも検証する。

Research Products

• [Journal Article] Chondroitin sulfate is indispensable for pluripotency and differentiation of mouse embryonic stem cells. (2014)
  • Author(s): Izumikawa, T., Sato, B., and Kitagawa, H.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 4 Pages: 3701
  • DOI: 10.1038/srep03701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of phosphatase that dephosphorylates xylose in the glycosaminoglycan-protein linkage region of proteoglycans. (2014)
  • Author(s): Koike, T., Izumikawa, T., Sato, B., and Kitagawa, H.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 289 Pages: 6695-6708
  • DOI: 10.1074/jbc.M113.520536
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Binding properties of antimicrobial agents to dipeptide terminal of lipid II using surface Plasmon resonance. (2014)
  • Author(s): Kinouchi, H., Arimoto, H., Nishiguchi, K., Oka, M., Maki, H., Kitagawa, H., and Kamimori, H.
  • Journal Title: Anal. Biochem. Volume: 452 Pages: 67-75
  • DOI: org/10.1016/j.ab.2014.02.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chondroitin 6-O-sulfate ameliorates experimental autoimmune encephalomyelitis. (2014)
  • Author(s): Miyamoto, K., Tanaka, N., Moriguchi, K., Ueno, R., Kadomatsu, K., Kitagawa, H., and Kusunoki, S.
  • Journal Title: Glycobiology Volume: 24 Pages: 469-475
  • DOI: 10.1093/glycob/cwu014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A chondroitin synthase-1 (ChSy-1) missense mutation in a patient with neuropathy impairs the elongation of chondroitin sulfate chains initiated by chondroitin N-acetylgalactosaminyltransferase-1. (2013)
  • Author(s): Izumikawa, T., Saigoh, K., Shimizu, J., Tsuji, S., Kusunoki, S., and Kitagawa, H.
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta Volume: 1830 Pages: 4806-4812
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2013.06.017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roles of EXTL2, a member of EXT family of tumor suppressors, in liver injury and regeneration processes. (2013)
  • Author(s): Nadanaka, S., Kagiyama, S., and Kitagawa, H.
  • Journal Title: Biochem. J. Volume: 454 Pages: 133-145
  • DOI: 10.1042/BJ20130323
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Glycosaminoglycan overproduction in the aorta increases aortic calcification in murine chronic kidney disease. (2013)
  • Author(s): Purunomo, E., Emoto, N., Nugrahaningsih, D., Nakayama, K., Yagi, K., Heiden, S., Nadanaka, S., Kitagawa, H., and Hirata, K.
  • Journal Title: J. Am. Heart Assoc. Volume: 2 Pages: e000405
  • DOI: 10.1161/JAHA.113.000405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Michael Addition-Aromatization Reaction of Dienylimines Bearing a Leaving Group and its Application to the Preparation of Thiol Selective Labeling Reagents Capable of Forming Strong Carbon-Sulfur Bonds. (2013)
  • Author(s): Miyoshi, T., Aoki, Y., Uno, Y., Araki, M., Kamatani, T., Fujii, D., Fujita, Y., Takeda, N., Ueda, M., Kitagawa, H., Emoto, N., Mukai, T., Tanaka, M., and Miyata, O.
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 78 Pages: 11433-11443
  • DOI: 10,1021/jo402002kI
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chondroitin sulphate N-acetylgalactosaminyl-transferase-1 inhibits recovery from neural injury. (2013)
  • Author(s): Takeuchi, K., Yoshioka, N., Higa Onaga, S., Watanabe, Y., Miyata, S., Wada, Y., Kudo, C., Okada, M., Ohko, K., Oda, K., Sato, T., Yokoyama, M., Matsushita, N., Nakamura, M., Okano, H., Sakimura, K., Kawano, H., Kitagawa, H., and Igarashi, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 4 Pages: 2740
  • DOI: 10.1038/ncomms3740
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biosynthesis and function of chondroitin sulfate. (2013)
  • Author(s): Mikami, T., and Kitagawa, H.
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta Volume: 1830 Pages: 4719-4733
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2013.06.006
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高硫酸化コンドロイチン硫酸鎖による神経突起の伸長制御機構の解析 (2014)
  • Author(s): 志田 美春，友廣 彩夏，三上 雅久，田村 純一，北川 裕之
  • Organizer: 日本薬学会第134年会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] Roles of chondroitin sulfate in neural development and plasticity. (2014)
  • Author(s): Kitagawa, H.
  • Organizer: International Symposium on Glyco-Neuroscience
  • Place of Presentation: Awaji
  • Year and Date: 20140109-20140111
  • Invited
• [Presentation] Highly sulfated chondroitin sulfates regulate neuronal polarity formation. (2014)
  • Author(s): Mikami, T., Shida M., Tomohiro, A, Kitagawa, H.
  • Organizer: International Symposium on Glyco-Neuroscience
  • Place of Presentation: Awaji
  • Year and Date: 20140109-20140111
• [Presentation] Signaling mechanisms underlying bidirectional axon guidance induced by chondroitin sulfate. (2014)
  • Author(s): Nakamura, M., Tamura, J., Kitagawa, H., Tojima, T., Kamiguchi, H.
  • Organizer: International Symposium on Glyco-Neuroscience
  • Place of Presentation: Awaji
  • Year and Date: 20140109-20140111
• [Presentation] Regulation of visual cortical plasticity by chondroitin and keratan sulfate proteoglycans. (2014)
  • Author(s): Komatsu, Y., Miyata, S., Kitagawa, H., Uchimura, Y., Kadomatsu, K.
  • Organizer: International Symposium on Glyco-Neuroscience
  • Place of Presentation: Awaji
  • Year and Date: 20140109-20140111
• [Presentation] Proteoglycan and experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) (2014)
  • Author(s): Miyamoto, K., Saigoh, K., Kadomatsu, K., Kitagawa, H., Kusunoki, S.
  • Organizer: International Symposium on Glyco-Neuroscience
  • Place of Presentation: Awaji
  • Year and Date: 20140109-20140111
• [Presentation] コンドロイチン硫酸鎖による神経細胞の極性形成制御機構の解析 (2013)
  • Author(s): 友廣 彩夏，志田 美春，三上 雅久，北川 裕之
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 20131203-20131206
• [Presentation] テストバッテリー方式によるコンドロイチン硫酸鎖形成に関わるC６ST-１トランスジェニックマウスの行動解析 (2013)
  • Author(s): 吉原 亨，北川 裕之，浅野 雅秀
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 20131203-20131206
• [Presentation] 神経系におけるコンドロイチン硫酸の役割 (2013)
  • Author(s): 北川 裕之
  • Organizer: 第11回糖鎖科学コンソーシアムシンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20131025-20131026
  • Invited
• [Presentation] コンドロイチン硫酸鎖による骨格筋分化・再生過程の制御 (2013)
  • Author(s): 三上 雅久, 小山 慎司，薮田 ゆみ，北川 裕之
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] マウス胚性幹細胞におけるコンドロイチン硫酸の機能解析 (2013)
  • Author(s): 佐藤 伴, 泉川 友美，北川 裕之
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] Signaling mechanism of bidirectional axon guidance induced by chondroitin sulfate-E (2013)
  • Author(s): Nakamura, M., Tamura, J., Kitagawa, H., Tojima, T., Kamiguchi, H.
  • Organizer: 平成25年度包括脳ネットワーク夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 20130829-20130901
• [Presentation] Roles of chondroitin sulfate in neural development and plasticity (2013)
  • Author(s): Kitagawa, H.
  • Organizer: 8th International Conference on Proteoglycans
  • Place of Presentation: Frankfurt
  • Year and Date: 20130825-20130829
  • Invited
• [Presentation] コンドロイチン硫酸の硫酸化パターンによる眼優位性可塑性の制御 (2013)
  • Author(s): 宮田 真路，小松 由起夫，吉村 由美子，多屋 長治，北川 裕之
  • Organizer: 第32回日本糖質学会年会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 20130805-20130807
• [Presentation] コンドロイチン硫酸による反発性神経軸索ガイダンスの調節機構 (2013)
  • Author(s): 中村 真男，田村 純一，北川 裕之，戸島 拓郎，上口 裕之
  • Organizer: 第32回日本糖質学会年会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 20130805-20130807
• [Presentation] EXTL2によるグリコサミノグリカン合成調節機構とその破綻が神経発生に与える影響 (2013)
  • Author(s): 北川 裕之
  • Organizer: 新学術領域「神経糖鎖生物学」2013年夏の班会議
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Year and Date: 20130723-20130725
• [Presentation] コンドロイチン硫酸による神経突起伸長・極性形成制御とその作用発現機構の解析 (2013)
  • Author(s): 三上 雅久，玉置 祐樹，志田 美春，友廣 彩夏，北川 裕之
  • Organizer: 新学術領域「神経糖鎖生物学」2013年夏の班会議
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Year and Date: 20130723-20130725
• [Presentation] コンドロイチン4－硫酸は神経細胞の移動と極性形成に必要である (2013)
  • Author(s): 宮田 真路，北川 裕之
  • Organizer: 新学術領域「神経糖鎖生物学」2013年夏の班会議
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Year and Date: 20130723-20130725
• [Presentation] EXTL２によるグリコサミノグリカン合成調節機構とその破綻が神経発生に与える影響 (2013)
  • Author(s): 灘中 里美，北川 裕之
  • Organizer: 新学術領域「神経糖鎖生物学」2013年夏の班会議
  • Place of Presentation: 滋賀
  • Year and Date: 20130723-20130725
• [Presentation] Roles of chondroitin sulfate in neural development and plasticity (2013)
  • Author(s): Miyata, S., Komatsu, Y., Yoshimura Y., Taya, C., and Kitagawa, H.
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130623
  • Invited
• [Presentation] コンドロイチン硫酸はOtx2取り込みを促し臨界期を接続的に制御する (2013)
  • Author(s): 侯 旭濱，武内 恒成，宮田 真路，吉岡 慧史，北川 裕之，五十嵐 道弘，杉山 清佳
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130623
• [Presentation] コンドロイチン硫酸による軸索伸長と誘導の制御機構 (2013)
  • Author(s): 中村 真男，田村 純一，北川 裕之，戸島 拓郎，上口 裕之
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130623
• [Presentation] コンドロイチン硫酸による幹細胞分化や神経可塑性の制御
  • Author(s): 北川 裕之
  • Organizer: 京大再生医学研究所田畑研セミナー
  • Place of Presentation: 京都
  • Invited
• [Presentation] 糖鎖リモデリングによるコンドロイチン硫酸の機能解析
  • Author(s): 北川 裕之
  • Organizer: 第64回FCCAセミナー/FCCAグライコサイエンス若手フォーラム2013
  • Place of Presentation: 大阪
  • Invited
• [Presentation] 神経細胞がコンドロイチン硫酸を読み取る仕組みの解明
  • Author(s): 中村 真男，田村 純一，北川 裕之，戸島 拓郎，上口 裕之
  • Organizer: 第64回FCCAセミナー/FCCAグライコサイエンス若手フォーラム2013
  • Place of Presentation: 大阪
• [Presentation] コンドロイチン硫酸による神経可塑性や神経細胞移動の制御
  • Author(s): 北川 裕之
  • Organizer: 平成25年度包括脳ネットワーク夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Invited
• [Presentation] 神経可塑性や神経細胞の移動におけるコンドロイチン硫酸の役割
  • Author(s): 北川 裕之
  • Organizer: 厚生労働省科学研究費補助金 難治性疾患等克服研究事業（難治性疾患克服研究事業） 神経変性疾患に関する調査研究班 「病態に根ざしたALSの新規治療法開発」分科班 平成２５年度ワークショップ
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] コンドロイチン硫酸による神経突起伸長制御に関する糖鎖受容体の解析
  • Author(s): 志田 美春，三上 雅久，北川 裕之
  • Organizer: 第63回日本薬学会近畿支部総会・大会
  • Place of Presentation: 京田辺
• [Presentation] 高硫酸化コンドロイチン硫酸の神経突起伸長作用を仲介する細胞内シグナル伝達の解析
  • Author(s): 友廣 彩夏，木村 祐介，三上 雅久，北川 裕之
  • Organizer: 第63回日本薬学会近畿支部総会・大会
  • Place of Presentation: 京田辺
• [Presentation] プロテオグリカン研究の魅力～細胞の分化を制御するコンドロイチン硫酸
  • Author(s): 北川 裕之
  • Organizer: H25年度 生理学研究所研究会 「構造の多様性に立脚した糖鎖機能の解明に向けて」
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Invited
• [Book] Handbook of Glycosyltransferases and Related Genes, 2nd Ed (Taniguchi, N., Honke, K., Fukuda, M., Narimatsu, H., Yamaguchi, Y., and Angata, T., eds) (2014)
  • Author(s): Nadanaka, S., and Kitagawa, H.
  • Total Pages: in press
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 神戸薬科大学 生化学研究室
  • URL: http://www.kobepharma-u.ac.jp/~biochem/
• [Remarks] 新学術領域「神経糖鎖生物学」
  • URL: http://shinkei-tosa.net/