Ube3a遺伝子は大脳皮質回路の臨界期終了後の成熟に必須　母親由来の染色体異常が引き起こす「アンジェルマン症候群」の原因遺伝子

母性染色体異常が引き起こす神経発達障害の原因遺伝子の働きを解明｜2010年研究成果｜独立行政法人理化学研究所.

カリフォルニア大学サンフランシスコ校のマイケル・ストライカー（Michael Stryker）教授と、理研脳科学総合研究センターシナプス機能研究チームの佐藤正晃研究員（前カリフォルニア大学サンフランシスコ校博士研究員）らは、母親由来の染色体の異常が引き起こす神経発達障害「アンジェルマン症候群（精神発達遅滞、言語障害、歩行失調、痙攣（けいれん）、頻繁に笑うなどの独特の行動をはじめとした神経発達障害。有病率は約１万5千人に１人で、日本ではアンジェルマン症候群の新生児が年間約70人生まれている計算になる）」の原因遺伝子「Ube3a」が、大脳皮質機能の可塑性とその後の成熟に必須であることを、アンジェルマン症候群のモデルマウスを用いた研究で明らかにした。アメリカ科学アカデミー紀要『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）』2010年3月23日号に掲載された。

研究チームは、母性染色体上のUbe3a遺伝子を欠損したマウスを用いて、大脳皮質にある視覚野の可塑性を、神経活動に伴う脳の代謝変化を画像化する「内因性シグナル光学イメージング（神経活動に伴う脳の代謝変化を検出することで、活動した脳の部位と活動の大きさを画像化する技術）」という手法で調べた。

その結果、生後4週目の発達時期（臨界期）に片目からの視覚経験を短期的に遮蔽（しゃへい）すると、野生型マウスは、遮蔽眼の視覚野の活動が顕著に弱まるという可塑性を示した。その一方、Ube3a母性欠損マウスは、活動の弱まる程度が低く（可塑性の度合いが小さく）なることを発見した。

また、臨界期が終了する生後6週目では、長期的に視覚経験を遮へいすると、野生型マウスは非遮へい眼の視覚野の活動が強くなるという特徴的な可塑性を示すが、Ube3a母性欠損マウスは、野生型マウスが臨界期で示したように遮へい眼の視覚野の活動が弱まることが分かった。

これらの結果から、母性染色体上のUbe3a遺伝子の機能が、大脳皮質の神経機能の成熟に必須であることが判明した。アンジェルマン症候群の主な症状である精神発達遅滞の病態解明と、その治療法の開発に役立つことが期待できるという。

「Ube3a」遺伝子は、細胞内で不要になったタンパク質に目印を付加する機能（ユビキチンリカーゼ活性）を持つタンパク質の1つをコードする。この遺伝子が欠損すると「アンジェルマン症候群」という遺伝性の神経発達障害を引き起こす。

Ube3a遺伝子は、ヒトの場合15番染色体に存在する。父母からそれぞれ受けついだ2本の染色体のうち脳では母方由来のものだけが発現する。これは「ゲノム刷り込みによる母性発現」による（全遺伝子の1%以下と推定されるごく一部の遺伝子では、一方の親由来の染色体からの発現が選択的に抑制され、他方の親由来の染色体からのみ発現が起こる。このような親特異的な遺伝子発現の抑制をゲノム刷り込みと呼ぶ）。

研究チームは「アンジェルマン症候群」の病態の一部に、Ube3a遺伝子の欠損による神経回路の発達異常がかかわっているのではないかと考え、マウスの大脳皮質にある視覚野の神経回路をモデルにして、その役割を調べた。

マウスの視覚野の生後発達とその後の成熟は、視覚中枢同士の規則正しい神経細胞の結合の形成や、視覚経験が回路の精緻（せいち）化に影響を及ぼす臨界期の開始と終了など、複数の過程が生後1週から6週にかけて一定の順番で進む。また、これらの過程が遺伝的プログラムと視覚経験の相互作用によって起こるために、視覚野の神経回路は脳の生後発達を詳細に調べるために極めて有用なモデルとなっているという。

マウスは生後4週目になると、視覚野が顕著な感受性を示して発達する臨界期という時期を迎える。このときの視覚野のUbe3aタンパク質の発現を調べると、野生型マウスの神経細胞では主に細胞核に強い局在が見られた。

だがUbe3a母性欠損マウスの神経細胞では、父性染色体上のUbe3a遺伝子は正常であるにもかかわらず、Ube3aタンパク質の発現がほぼ完全に消失していました。この結果は、ヒトの脳で報告されているのと同様に、マウスの視覚野でも、Ube3a遺伝子が母性染色体から発現していることを示す。

図1　マウス視覚野におけるUbe3aの母性発現。（A）一対のUbe3a遺伝子の片方を欠く（ヘテロ欠損）母マウスと野生型父マウスの交配により、母親由来の染色体上のUbe3a遺伝子を欠いた母性欠損マウスが得られる。（B）野生型マウスとUbe3a父性欠損マウスの視覚野の神経細胞では、細胞核染色で染まる核（青の丸い部分）の場所に、Ube3aタンパク質の存在（緑の丸い部分）が観察される。一方、Ube3a母性欠損マウスでは、この Ube3aタンパク質が消失し、核の部分が黒く抜けて見える。

また、このUbe3a母性欠損マウスの視覚野の機能が臨界期にどう発達するかを調べた。具体的には、生後4週目に片目を数日間閉じて視覚経験を遮蔽したときの可塑性の度合いを、マウスの脳部位の神経活動を画像化できる「内因性シグナル光学イメージング」を用いて調べた。

図２　内因性シグナル光学イメージングによる視覚野活動の画像化。（A）麻酔下のマウスに視覚刺激を提示し、視覚野表面の画像を赤色照明下でCCDカメラにより連続的に取得する。（B）マウス視覚野（上図の灰色部分）の表面画像（下左図）と、視覚刺激提示中に取得した画像を数学的に解析して得られる視覚反応画像（下右図）。反応が強いほど、活動した脳の領域が黒く表現される。この技術により、長さ約1mm、幅約0.5mmの小さなマウスの視覚野の活動を画像化することができる。

野生型マウスの視覚野は、臨界期に片眼からの視覚経験を短期間（4日間）遮蔽すると、遮へい眼に対する視覚野の活動が弱くなる「眼優位可塑性」という可塑性を引き起こす。しかし、Ube3a母性欠損マウスでは、この眼優位可塑性の度合いが野生型マウスに比べて約28%と著しく減少していた。このことは、母性染色体のUbe3a遺伝子欠損によって、視覚野の神経回路の適応性を大幅に失ったことを示している。

図3　Ube3a母性欠損マウスの視覚野における臨界期可塑性の障害。（A）内因性シグナル光学イメージングで測定した臨界期の視覚野の反応。野生型マウスでは４日間の片眼遮へいによって遮へい眼の反応の強さが弱くなるが（臨界期可塑性）、Ube3a母性欠損マウスではこの減弱がほとんど起こらない。（B）それぞれの眼に対する視覚野の反応の強さの相対的な比を計算すると、野生型マウスでは、4日間の片眼遮蔽後にこの比が非遮蔽眼方向に大きく変化するが、Ube3a母性欠損マウスでは、この変化は28％と小さい（可塑性の度合いが小さい）。この差は片眼遮蔽を14日まで延長しても存続する。

次に、臨界期終了後の視覚野の発達の様子を調べた。研究チームは以前の研究で、野生型マウスが臨界期を終了する生後6週に、より長期間（7日間）片眼を遮蔽することで、非遮蔽眼に対する視覚野の活動が増強する「成体眼優位可塑性」を報告していた（臨界期後でも片眼遮蔽の期間を長くすれば、程度は小さくなるが明らかな眼優位可塑性が起こる現象）。

しかし、Ube3a母性欠損マウスではこの「成体眼優位可塑性」が見られず、むしろ臨界期に見られる「眼優位可塑性」のような遮蔽眼の視覚野の活動の減弱がゆるやかに起こった。

このことは、母性染色体のUbe3a遺伝子が欠損すると、臨界期終了後の視覚野の発達の段階でも、その可塑性が臨界期終了以前の未熟な状態にとどまってしまうことを示す。つまり、母性由来のUbe3a遺伝子が、大脳皮質視覚野の機能の成熟に必須な役割を持つと結論づけることができたとしている。

図4　臨界期終了後のUbe3a母性欠損マウスの視覚野の可塑性。（A）内因性シグナル光学イメージングで測定した臨界期終了後の視覚野の反応。（B）野生型マウスでは７日間の片眼遮へい後に非遮蔽眼の反応の増強が見られるが（成体眼優位可塑性）、Ube3a母性欠損マウスではこの特徴が見られず、むしろ臨界期の可塑性のように遮へい眼の反応が減弱し続ける。

さらに、Ube3a母性欠損マウスの視覚にかかわる脳領域間の結合の様子を調べると、生後1週目に形成される眼から視床への神経結合と、視床から大脳皮質視覚野への神経結合はほぼ正常だった。

しかし視覚野内の神経回路の構造に着目し、生後4週目のマウス視覚野を緑色蛍光タンパク質でラベルして、第5層の神経細胞の棘突起密度を調べると、Ube3a母性欠損マウスの神経細胞では、細胞体から上方向に伸びる樹状突起上の棘突起密度は正常だったが、水平方向へ伸びる樹状突起上の棘突起密度が野生型マウスに比べ減少していた。

これは、Ube3a母性欠損マウスでは、脳の領域間の回路の大まかな配線は保たれているものの、視覚野内の局所的な神経回路の結合に異常があることを示している。