東大、小脳の「シナプス刈り込み」関連遺伝子を評価できる培養標本を開発

東京大学は8月22日、小脳の「シナプス刈り込み」に関わる遺伝子を迅速に評価できる培養標本の開発に成功し、さらにこの標本を用いて、遺伝子「neuroligin-2」がシナプス刈り込みに関わることを突きとめたと発表した。

成果は、東大大学院 医学系研究科の狩野方伸教授らの研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、8月22日付けで「Journal of Neuroscience」に掲載される予定だ。

生後間もない動物の脳には過剰な神経結合(シナプス)が存在するが、生後の発達過程において、必要な結合だけが強められ、不要な結合は除去されて、成熟した機能的な神経回路が完成する。この過程はシナプス刈り込みと呼ばれており、生後発達期の神経回路に見られる普遍的な現象であると考えられている。

この神経回路発達の異常が関わるとされているのが、社会性障害をきたす代表的な疾患である統合失調症や自閉症だ。特に、シナプス刈り込みの過程がうまくいかないのではないかと考えられていた。

これまでの研究により、シナプス刈り込みに関わるいくつかの遺伝子が同定されてきた。しかし、これらの遺伝子だけでは、シナプス刈り込みを分子レベルで理解できたとは到底いえない状況である。

これまで、関与する遺伝子を同定するために、動物の脳内に薬物を投与する、遺伝子組み換え動物を用いるといった方法がとられてきたが、これらの方法は1つの分子を同定するだけでもかなりの時間と手間を要してしまう。

また、これらの方法では任意の期間あるいは任意の組織・細胞で遺伝子の発現や機能を操作することは難しく、因果関係が明確になりにくい。今回の研究では、これらの問題点を回避できるシナプス刈り込みを再現した培養標本を開発し、この標本で薬の投与や遺伝子操作が容易に行えることを証明した点が大きな特徴である。

脳において、シナプス刈り込みを定量的に評価するのは困難だが、脳幹から小脳へ興奮性の信号を送る「登上線維」と小脳の「プルキンエ細胞」の間のシナプス結合は、そのような定量的解析が可能な数少ない実験系だ。今回の研究では、その生後の変化を対象にした。

生まれたばかりの動物のプルキンエ細胞では、5本以上の弱い信号を伝える登上線維がプルキンエ細胞の根元に相当する細胞体にシナプスを形成しているが、大人の動物ではわずか1本の強力な信号を伝える登上線維が、細胞体から大木の枝のように張り出した樹状突起にシナプスを形成している。

これは、まず生後7日までに、細胞体にシナプスを形成していた複数の登上線維の内の1本だけが強くなり(機能分化)、強くなった登上線維は、プルキンエ細胞の樹状突起に侵入してシナプスを作る=「樹状突起移行」からスタート。

一方で、弱い登上線維のシナプスはプルキンエ細胞の細胞体に残されるが、この不要な登上線維シナプスは、生後16日頃までの間に除去され(前期・後期除去過程)、結果として、1本の登上線維に由来するシナプスがプルキンエ細胞の樹状突起に残る仕組みだ。

狩野教授らは、小脳の登上線維とプルキンエ細胞の間のシナプスを培養下で再構築するために、胎生期のラットの脳幹と生後のラット(もしくはマウス)の小脳を脳から取り出し、これら2つの組織を接触させて、培養皿の上での培養を行った(画像1)。すると、脳幹から登上線維が伸びて小脳へ侵入し、プルキンエ細胞とシナプスを作った(画像2)。

形成されたシナプスが刈り込まれるのか調べるために、個々のプルキンエ細胞から電流を記録し、登上線維を1本ずつ別々に電気刺激して引き起こされる電流応答(シナプス電流)を個々のプルキンエ細胞から記録することによって、プルキンエ細胞にどの程度の強さの登上線維が、何本結合しているかが調べられた。その結果、培養下で形成されたシナプスは生体内と同様なプロセスを経て刈り込まれることが判明したのである。

次に、これまで生体内でシナプス刈り込みに関わることが知られている遺伝子やその遺伝子から作られるタンパク質が、培養下のシナプス刈り込みにも関わるのかどうかを調べるために、それらのタンパク質の働きを抑える薬を投与するか、あるいはそれらのタンパク質の量を減少させる操作を行い、こうしたタンパク質がシナプス刈り込みに影響を与えるのかどうかの解析が行われた。

その結果、薬の投与やタンパク質の量の減少により、シナプス刈り込みが起こらなくなることが確認されたのである。このことより、培養下で起こるシナプス刈り込みに、生体内のシナプス刈り込みと同じ遺伝子やタンパク質が関与していることがわかったというわけだ。

さらにこの標本を用いて、シナプス刈り込みに関わる新しい遺伝子が探索された。neuroligin-2というプルキンエ細胞に多く存在しているタンパク質の量を減少させたところ、シナプス刈り込みが起こらなくなることが判明。すなわち、neuroligin-2は、シナプス刈り込みを促進させる遺伝子であることがわかったのである。

近年、全ゲノム解析などの技術革新により、統合失調症や自閉症などの社会性障害を引き起こす候補遺伝子が報告されるようになってきた。今回開発された培養標本を用いて、遺伝学的に疾患と関連する可能性が示されている多くの遺伝子の機能を調べることで、社会性の発達に重要な遺伝子や社会性障害の病態が解明され、さらに社会性障害の診断に有用なマーカーや治療薬の開発などに応用されることが期待されると、狩野教授らはコメントしている。