理化学研究所、大脳皮質における層構造形成に重要な役割を果たす酵素を発見
大脳皮質における層構造形成に重要な役割を果たす酵素を発見
－ 神経細胞の形態形成のメカニズム解明につながる新たな知見 －
◇ポイント◇
・リン酸化酵素Ｃｄｋ５が大脳皮質における神経細胞の移動に伴う形態変化に関与
・Ｃｄｋ５の欠損は、脳の表面に向けて伸びる樹状突起の形成も阻害する
・記憶・学習を助け、アルツハイマー病などの治療につながる応用研究に期待
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、大脳の表面に広がり、記憶や思考など脳の高次機能をつかさどる大脳皮質の形成過程において、タンパク質のリン酸化に関与する酵素が重要な役割を果たしていることを発見しました。理研脳科学総合研究センター（甘利俊一センター長）発生神経生物研究チームの大島登志男研究員（現 早稲田大学先進理工・生命医科学科教授）、御子柴克彦チームリーダー及び同センター細胞技術開発チーム、同センター行動遺伝学技術開発チーム、慶應義塾大学医学部解剖学教室などによる共同研究の成果です。
大脳皮質は、規則正しい６層の構造をしています。この６層の構造は、神経細胞が増殖する場所から、最終的に配置される場所へ自ら移動し、配置されるという巧妙なメカニズムにより形成されます。移動する際、神経細胞は、多数の突起を有する多極性という形態から、２本の突起を有する双極性に変化することが最近の研究からわかってきました。また、大脳皮質を形成する「錐体型神経細胞」は、先端突起と呼ばれる１本の長い樹状突起を脳の表面に向けて伸ばすことが知られています。しかしながら、こうした形態が、どのようにして獲得されるかは不明でした。
研究グループは、大脳皮質の形成時に、神経細胞が形態を変化させる様子を、正常なマウスと、リン酸化酵素「Ｃｄｋ５」を大脳皮質で働かなくしたマウスとで詳細に観察し、比較しました。その結果、Ｃｄｋ５を働かなくしたマウスでは、多極性から双極性への形態変化を起こさないとともに、神経細胞が生まれた場所からあまり移動しないことがわかりました。さらに錐体型神経細胞は、先端突起を脳の表面に伸ばしませんでした。これらのことから、Ｃｄｋ５が大脳皮質の形成に重要な役割を果たしていると考えられます。
今回の発見は、神経細胞の移動に伴う形態変化の制御機構や、神経細胞の形態獲得のメカニズムの一端を明らかにしたものです。さらに、神経細胞の移動に関与するタンパク質は、脳の記憶・学習やアルツハイマー病などに関連していると考えられており、これらのタンパク質に関与するＣｄｋ５を制御することにより、記憶・学習を助け、アルツハイマー病などの治療につながる可能性を秘めています。
本研究成果は、英国の科学雑誌『Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ』（６月１５日号）に掲載されます。
１．背 景
私たちの脳は、極めて精緻で、整然とした構造を持ち、驚くべき能力を発揮します。その脳を構成する神経細胞同志は、互いに結びつき、巨大なネットワークを形成します。大脳の表面に広がり、記憶や思考など脳の高次機能をつかさどる大脳皮質は、同じような大きさ、形、他の脳部位との結合パターンをもった神経細胞が、整列した６層の構造からなっています（図１）。この６層の構造は、神経細胞が移動し、配置される巧妙なメカニズムにより形成されます。大脳皮質の一番内側に位置する脳室に面した層（脳室帯）で、神経細胞は増殖し、脳の表層の所定の位置に移動していきます。大脳では、早くできた神経細胞がより深層に、後からできた神経細胞が浅い層に分布する「インサイド・アウトパターン」を取りながら、皮質を形成する過程を経ます（図２）。また、最近の研究から神経細胞は、移動に伴い、多数の突起を有する多極性と呼ばれる形から、２本の突起のみ有する双極性と呼ばれる形に変化することが知られています（図３）。しかし、移動を終えた神経細胞が先端突起を脳表層に伸ばす形態を持つ「錐体型神経細胞」（図４）にどのように形を変化させるのかは、依然、なぞのままです。
分裂を終えた脳の神経細胞は、自分の最終的な位置がわかっているように振る舞いますが、これには細胞の動きを制御する仕組みが働いています。この仕組みにかかわる遺伝子に異常があれば、ヒトではてんかん発作を伴う滑脳症（かつのうしょう）（※１）という病気になります。また、マウスでも突然変異マウスや遺伝子改変マウスの研究から、神経細胞の移動を制御するタンパク質や酵素が見つかっています。しかしながら、神経細胞の移動に関連した詳しい制御機構については、まだ良くわかっていません。
２．研究手法と成果
研究グループは、神経細胞の移動や細胞の形態変化のメカニズムを探るために、細胞内のタンパク質をリン酸化する酵素（サイクリン依存性キナ－ゼ（※２）：Ｃｙｃｌｉｎ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｋｉｎａｓｅ）の一つである「Ｃｄｋ５」というタンパク質に着目しました（図５）。この酵素は、１９９６年、当時米国の国立衛生研究所（ＮＩＨ）で研究していた大島副チームリーダーが、遺伝子改変技術を用いて世界で初めてＣｄｋ５の欠損したマウスを作成し、Ｃｄｋ５が神経細胞の移動に必須であり、欠損マウスでは大脳の構造が異常になることを発見しています（米国科学アカデミー紀要『Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ：ＰＮＡＳ 』（１９９６／１０， Ｖｏｌ．９３ １１７３－１１７８））。
大脳皮質において移動中の神経細胞の形態変化を観察するため、マウスの胎児に電気穿孔法（※３）という方法で、大脳に緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）を導入し、生きたままの脳での細胞の動きを観察しました。その結果、Ｃｄｋ５の機能を低下させると、これまでの報告通り神経細胞の移動が遅くなるばかりか、多極性から双極性に形が変わらなくなりました。さらにＣｄｋ５を欠損させたマウスでは、双極性の神経細胞は、まったく観察されませんでした。これらのことから、Ｃｄｋ５が、この大脳皮質における神経細胞の形態変換に重要であり、形態変化が起こらないと、神経細胞の移動が効率良く起きないことがわかりました。
次に研究グループは、こうした解析と同時に、時間及び空間特異的に遺伝子を破壊することができる「コンディショナルノックアウトマウス」を開発し、大脳皮質ができ始める前に、大脳皮質部分だけのＣｄｋ５を欠損させました。これまでのＣｄｋ５欠損マウスは、産まれてすぐに死んでしまいますが、大脳皮質で特異的にＣｄｋ５に関わる遺伝子を破壊することにより、生後２週位まで観察することができるようになりました。このＣｄｋ５を欠損させたコンディショナルノックアウトマウスを用い、多極性のままの神経細胞がどうなるのかを詳細に調べました。その結果、正常なマウスの錐体型神経細胞は、先端突起という１本の長い突起を脳表層に向けて伸ばしていますが、Ｃｄｋ５を欠損したマウスでは、錐体型神経細胞は、多数の突起を多方向に伸ばしていて、あたかも多極性の性質を残したままの様子となりました（図６）。
また、正常なマウスでの神経細胞の発達の様子を詳しく観察すると、移動直後の双極性の形が、錐体型神経細胞の形に受け継がれていました。このことは、これまで培養した神経細胞での観察などから推定されていましたが、今回の発見はこれを裏付け、双極性への変換が起こらないと、正常な神経細胞の形にならないことを生体内で突き止めました。
こうした一連の観察から、研究グループは、移動中の神経細胞が多極性から双極性へ形態を変換するためにはＣｄｋ５が必要であり、この双極性の形こそが、錐体型神経細胞が取るべき形のもとになっていると考えられます。
３． 今後の期待
今回の研究成果により、Ｃｄｋ５というリン酸化酵素が、神経細胞の移動中の形態変化に必要であることがわかりました。Ｃｄｋ５が、何らかのタンパク質をリン酸化しないことが、形態異常の原因と考えられます。現在、研究グループでは、このリン酸化の起こらないタンパク質が何であるかを明らかにすべく研究を進めています。今後、Ｃｄｋ５がリン酸化するタンパク質を同定することができれば、神経細胞の移動のメカニズムがより明確になると考えられます。
また、神経細胞の移動にかかわるタンパク質の多くが、脳の記憶・学習や、神経細胞が死んでいくことによって発症するアルツハイマー病などと関連していることがわかっており、Ｃｄｋ５もその原因の一つとして知られています。研究グループでは、Ｃｄｋ５の記憶・学習やアルツハイマー病における役割についても研究を続けています。将来は、Ｃｄｋ５の機能を制御することで、記憶・学習を助け、アルツハイマー病の治療へつながる応用研究に発展するものと期待されます。
（問い合わせ先）
独立行政法人理化学研究所
脳科学総合研究センター 発生神経生物研究チーム
Ｔｅｌ ： ０４８－４６７－９７４５ ／ Ｆａｘ ： ０４８－４６７－９７４４
脳科学研究推進部
Ｔｅｌ ： ０４８－４６７－９５９６ ／ Ｆａｘ ： ０４８－４６２－４９１４
※補足説明は添付資料をご参照下さい。