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シンポジウム13
細胞外基質の神経化学:発達・可塑性から高次機能・病態まで
S13-1
海馬神経回路の新たな制御基盤としてのペリニューロナルネットの分子多様性
神野 尚三
九州大院・医・形態機能形成

大脳皮質や海馬を含む中枢神経系の一部のニューロンには、ペリニューロナルネット(PNN)と呼ばれる特殊化した細胞外マトリックスの糖鎖による網目状構造が存在する。先行研究によって、カルシウム結合タンパクの一種であるパルブアルブミン(PV)含有GABAニューロンにPNNが選択的に発現していることが示されてきたが、PNNの機能面についての検討は遅れていた。PNNの機能的役割が明らかになったのは、視覚皮質の臨界期における眼優位性可塑性や、扁桃体における恐怖記憶の固定などに関する最近の報告によるところが大きい。これらの研究では、PNNが神経可塑性の制限に重要な役割を果たしていることが示唆されている。また従来、PNNはWisteria floribunda agglutinin(WFA)などのレクチンによって標識されることが多かったが、近年の研究により、アグリカンやバーシカンなどのコアプロテインや、リンクプロテインに対する抗体によって標識されるPNNは、それぞれ異なる機能を有することが明らかになりつつある。海馬においては、PV含有GABAニューロンにPNNが発現していることが報告されている一方で、PNNの機能面についての研究は進んでいない。このため我々は、PNNが海馬神経回路の制御に果たす役割を明らかにすることを目的として、神経解剖学研究に取り組んでいる。これまでに、basket cellやaxo-axonic cellなどに分けられる海馬のPV含有GABAニューロンの5種類のサブクラスについて、分子組成が異なるPNNが特異的に発現している可能性を見出している。また、海馬のPV非含有GABAニューロンに発現しているPNNの分子組成についても同定を進めている。本シンポジウムでは、海馬のGABAニューロンのサブクラスとPNNの分子多様性の視点から、海馬神経回路の新たな制御基盤について議論する。
S13-2
コンドロイチン硫酸による抑制性ニューロンの機能発達と臨界期制御
杉山 清佳
新潟大院・医歯・神経発達

幼年期の脳には、脳機能が生涯のうちで最も柔軟に成長する「臨界期」が存在する。臨界期には、体験や経験に適応しながら神経回路が機能的に作り変えられる。それでは、なぜ臨界期は子どもの脳にだけ現れ、大人の脳には現れないのであろうか。臨界期のメカニズムの探究には、視覚の発達が良いモデルとなる。大脳皮質視覚野には、マウスから人類まで、視覚経験に依存してどちらの眼からの入力を強く受けとるか(眼優位性)を決める臨界期がある。この臨界期に片眼を塞ぎ入力を制限すると、開いた眼からの入力を多く受けるよう回路網が可塑的に変化し、閉じた眼の視力は弱くなる(弱視)。臨界期を過ぎた大人では、回路網の変化は観察されず、治療をしても弱視は完治しない。臨界期の誘導には、大脳の抑制性介在ニューロンの発達が必要である。これまでに我々は、胎生期に脳を作るホメオ蛋白質Otx2が、幼年期には脳を発達させることを明らかにした。Otx2は、視覚経験とともに視覚野の特定の抑制性介在ニューロンに移動し、この細胞を発達させて臨界期を誘導する。面白いことに、Otx2は介在ニューロンの周囲に、コンドロイチン硫酸プロテオグリカンを豊富に含む細胞外基質perineuronal netの構築を促す。一方で、コンドロイチン硫酸とOtx2の結合が、このホメオ蛋白質の特異的な細胞内取り込みに必要である。細胞外基質の成熟は臨界期の終わりを導くことが示唆されているが、コンドロイチン硫酸が減少する糖転移酵素KOマウスを解析することにより、糖鎖とOtx2の相互作用が、臨界期の始まりと終わりの双方を誘導することが明らかになってきた。本発表では、その詳細についてご紹介する。
S13-3
グリコサミノグリカン制御による神経再生・脊髄損傷修復と神経形成
武内 恒成1,2,五十嵐 道弘2
愛知医大・医・生物1,新潟大院・医・生化学22

中枢神経系における主要な細胞外基質の一つであるグリコサミノグリカン、コンドロイチン硫酸プロテオグリカン(CSPG)は、脊髄損傷など神経損傷時には多量に発現し軸索伸長阻害因子として知られる。我々はコンドロイチン硫酸(CS)転移合成酵素CsGalNAcT-1およびCsGalNAcT-2のKOマウスを用いて神経発生・再生過程におけるCSPGの分子機構と、CS発現制御メカニズムを探っている。損傷を受けた中枢神経系では、繊維芽細胞とアストロサイトが多くのCSPGを産生している。TGF-βはこれらを活性化する代表的なサイトカインとされ、確かに我々の解析からもTGF-βがCsGalNAcT-1などの制御に関わり、再生阻害因子としてCSを損傷後急性期に発現をさせる。これが中枢神経再生ひいては脊髄損傷治療を困難なものとしている。我々はCSの発現を直接制御するため、鍵となる合成酵素CsGalNAcT-1およびCsGalNAcT-2のKOマウスを作製し、中枢神経損傷後の神経再生回復を解析した。CsGalNAcT-1 KOマウスは、野生型と比べて劇的に高い再生能をしめす示すことを、生理・運動機能、組織化学解析から明らかにした。CsGalNAcT-1KOマウスにおいては脊髄損傷時に限って、CS発現を抑制されているために他のグリコサミノグリカンの発現変動が見られた。とくに神経伸長に重要な促進因子とされるヘパラン硫酸(HS)が高い発現を示した。中枢神経損傷あるいは神経再生における治療へ向けて、このCsGalNAcT-1は絶妙な発現制御因子としても機能しており、治療に向けた絶妙な標的酵素であると考えられる。さらに、このCsGalNAcT-1/T-2 KOマウスではCS発現量変動による神経発生や神経成熟にも大きくかかわっていることが明らかになりつつある。再生治療に向けた我々の取り組みとともに、神経発生過程とくに細胞移動や神経層形成での細胞外基質としてのCSの機能について報告する。
S13-4
ヘパラン硫酸と自閉症
入江 史敏
サンフォード・バーナム医学研究所、遺伝疾患プログラム

ヘパラン硫酸は細胞表面および細胞外マトリックスに存在する直鎖状の高度に硫酸化された糖鎖の1つであり、シンデカン、グリピカンといったコアタンパク質に共有結合しヘパラン硫酸プロテオグリカンを形成する。ヘパラン硫酸は成長因子の共受容体、モルフォゲン分子の濃度勾配形成因子、膜タンパク質の多量対形成のための架橋分子として様々な細胞活動に関与している。我々は神経系におけるヘパラン硫酸の役割を、その必須合成酵素であるEXT1タンパク質の欠失マウスを用いて解析を行っている。胎児期脳では、皮質神経細胞の増殖低下、嗅球・小脳の形成不全、軸索ガイダンスのエラーなどが観察され、ヘパラン硫酸の脳発達における不可欠な役割が示された(Inatani et al. 2003)。一方、成熟脳ではヘパラン硫酸は興奮性シナプスに強い発現を示し、後シナプス活動を制御していることが明らかになっている。最近のゲノムワイド解析により、ヘパラン硫酸合成酵素およびコアタンパク質をコードする遺伝子と自閉症との相関が報告されている。生後3、4週以降の興奮性神経細胞に特異的なEXT1のコンディショナルノックアウトマウスでは、脳の組織学的基本構造に異常は見られないものの、社会的行動の減少、超音波発声によるコミュニケーションの欠如、限定的な興味を伴った繰り返し行動といった自閉症に見られる主要症状に似た行動異常が確認された(Irie et al. 2012)。今回の発表では、これらノックアウトマウスの行動異常とそのメカニズムを中心に、自閉症におけるヘパラン硫酸合成の役割について述べたい。
Inatani et al.(2003)Mammalian brain morphogenesis and midline axon guidance require heparan sulfate. Science 302:1044-1046.
Irie et al.(2012)Autism-like socio-communicative deficits and stereotypies in mice lacking heparan sulfate. Proc.Natl. Acad. Sci. USA 109:5052-5056.
S13-5
神経回路再編および神経変性に関わる細胞外硫酸化糖鎖
内村 健治,門松 健治
名大院・医・一生化

軟骨や角膜などの結合組織の構成成分として知られるプロテオグリカンは、中枢神経組織にも細胞外基質分子として豊富に発現する。プロテオグリカンはグリコサミノグリカン(GAG)と呼ばれる硫酸化糖鎖をその側鎖にもつ。GAGの硫酸化は多様性を示し、長大な糖鎖の中に硫酸化が多い部分と少ない部分が存在しある種の機能ドメインを形成する。GAGにはコンドロイチン硫酸、ヘパラン硫酸およびケラタン硫酸が含まれる。GAGの一種であるヒアルロン酸は硫酸化修飾されず、コアタンパク質に共有結合されないことから他のGAG分子と区別される。コンドロイチン硫酸プロテオグリカンが外傷性中枢神経損傷における神経軸索の再生阻害因子として働くことが以前より報告されている。一方、我々はケラタン硫酸の多硫酸化構造が大脳皮質損傷や脊髄損傷において神経損傷部位周辺に発現誘導されることを以前報告した。ケラタン硫酸の酵素的分解あるいは硫酸転移酵素遺伝子欠損による合成阻害を行うと、脊髄損傷後の軸索再生および神経機能回復の増進が認められることを我々は明らかにした。これらのことからケラタン硫酸も軸索再生阻害因子として働くことが示唆され、現在ケラタン硫酸とコンドロイチン硫酸の機能的役割の関係を明らかにする研究を進めている。また、ケラタン硫酸の多硫酸化構造が神経変性に伴い中枢神経組織に選択的に発現が誘導されることを、SOD1G93A筋萎縮性側索硬化症モデルマウスを用いて明らかにした。この発現は主にIba1陽性のミクログリアに認められ、現在そのコアタンパク質の同定およびミクログリアにおける機能を明らかにする研究を進めている。本発表では以上の点を中心に議論する。