Cbln1とGluD2は複合体を形成して神経細胞間の接着と成熟を促す　小脳で作用するシナプスオーガナイザーの仕組み

成熟脳における脳神経回路の形成・維持の新しい仕組みを解明—認知症や精神神経疾患の治療法開発に前進—.

慶應義塾大学医学部の柚﨑通介研究室の松田恵子助教、北海道大学大学院医学研究科の渡辺研究室、自然科学研究機構生理学研究所の重本研究室らは、神経細胞が結合して脳神経回路を形成する新しいメカニズムを解明したと発表した。科学雑誌「Science」に掲載される。

脳の機能は、神経細胞同士がシナプスを介して形成する神経回路によって担われている。シナプスの前側に存在する神経細胞がグルタミン酸などの神経伝達物質を放出し、シナプスの後ろ側の神経細胞の表面に存在する受容体が、その神経伝達物質を受け取ることによって、情報の伝達と貯蔵が行われ、精神現象や記憶を引き起こすと考えられている。

神経細胞はシナプスによって結合し、神経回路を形成する。シナプス前部の神経細胞から放出されるグルタミン酸などの神経伝達物質はシナプス後部に存在する受容体に結合することによって情報を伝達する。シナプスこそが脳における精神現象や記憶の場と考えられている。

神経細胞同士の間に新しくシナプスを形成させる作用を持つ分子は「シナプスオーガナイザー（シナプスを形成し成熟させる分子の総称。細胞から分泌されて作用する分子と細胞表面において神経細胞同士を接着させる分子に大別される）」と呼ばれる。精神発達遅滞や自閉症など数多くの精神神経疾患は、シナプスオーガナイザー分子をコードする遺伝子の異常に起因することが明らかになってきた。これまでの研究で、発達期に作用するシナプスオーガナイザーがいくつか報告されているが、成熟後の脳で作用するシナプスオーガナイザーについてはほとんど分かっておらず、成熟後の脳でどのようにシナプスが形成・維持されるのかは、ほとんどが未解明だ。

これまでに本研究グループは、小脳顆粒細胞から分泌され成熟後も作用するシナプスオーガナイザーたんぱく質「Cbln1（シービーエルエヌ１）」がシナプス形成と維持に必須であることを発見していた。Cbln1が欠損したマウスでは小脳にシナプスがほとんど形成されず、よたよたと歩く歩行障害を示す。このマウスの小脳にCbln1を注入すると、わずか二日間で急速にシナプス数が回復し、歩行障害が回復する。しかし、Cbln1がどのようにしてシナプスに局在し、シナプス形成を誘導するのかは不明だった。

Cbln1は成熟した脳においても急速にシナプス形成を誘導する。Cbln1欠損マウスの小脳では成熟後に正常シナプスがほとんど存在せず、著しい運動失調（回転する棒の上にうまく乗れない）や歩行障害を示す。Cbln1を注入後わずか１−２日間でこれらの症状は急速に改善する。

今回、研究グループは「Cbln1欠損マウス」と「デルタ２グルタミン酸受容体（GluD2：グルディー２、シナプス前部から放出されるグルタミン酸を受け取るために神経細胞が備える細胞膜表面に存在するたんぱく質）欠損マウス」がよく似た運動障害を示すことに着目した。GluD2は、小脳プルキンエ細胞に存在するグルタミン酸受容体と似た分子として発見されたが、グルタミン酸そのものには結合できない。そのことから「孤児受容体」と呼ばれ、どのようにして機能するのかが長い間謎だった。

研究グループはCbln1とGluD2の働きについて研究を進めた結果、Cbln1とGluD2とは、シナプスにおいて複合体を形成してシナプス前部と後部にそれぞれ働きかける極めてユニークな分子であること、また、この働きによりシナプスを介して神経細胞間の接着と成熟を促していることを解明した。

具体的にはシナプス前部から分泌されたCbln1がシナプス後部に存在するGluD2に結合することによって、シナプス形成・維持作用を示すのではないかと考えた。そして実際にGluD2の細胞外に飛び出た部分にCbln1が直接に結合することを世界で初めて発見した。Cbln1が機能を発揮するためには受容体であるGluD2が必要であることが明らかになった。

またCbln1を周りにくっつけたビーズ（小粒子）を小脳顆粒細胞とともに培養すると、ビーズ周囲にシナプス前部（顆粒細胞の軸索）が集まりシナプス小胞も集積した。一方、Cbln1をくっつけたビーズを小脳プルキンエ細胞とともに培養すると、GluD2が存在する時に限って、プルキンエ細胞内でGluD2に結合するたんぱく質がビーズ周囲に集まった。

Cbln1は直接シナプス前部を誘導する。Cbln1でコートされたビーズを小脳顆粒細胞とともに培養すると、ビーズ周囲にシナプス前部（顆粒細胞の軸索）が集まり、シナプス小胞も集積する。このことから、Cbln1のシナプス前部誘導作用はGluD2には直接依存せず、GluD2はCbln1をシナプスに局在化させる役割を果たすと考えられる。

つまり、はシナプス前部には直接作用し、シナプス後部にはGluD2を介して作用することにより、シナプスの形成と成熟をコントロールすることが分かった。このようにCbln1とGluD2とはシナプスにおいて複合体を形成し、シナプス前部と後部にそれぞれ働きかける極めてユニークな分子であるとしている。

Cbln1はGluD2を介してシナプス後部を誘導する。Cbln1でコートされたビーズを小脳プルキンエ細胞とともに培養すると、ビーズ周囲にプルキンエ細胞のGluD2が集積し、同時に細胞内でGluD2に結合するたんぱく質（ここではShank2）が集まる。つまり、Cbln1はGluD2を介して間接的にシナプス後部の形成と成熟をコントロールすると考えられる。

GluD2はグルタミン酸受容体と似た分子として発見されたものの、グルタミン酸とは結合しない。一方、Cbln1は免疫系において働く「補体」と似た分子であり、同じグループに属する分子は、炎症反応、糖代謝、冬眠など多彩な機能を持っていることから、Cbln1がどのように脳内において機能するのかは不明だった。今回の発見によってGluD2のパートナーが初めて明らかになり、GluD2は孤児受容体ではなくなった。

Cbln1とGluD2によるシナプス形成・維持メカニズムの発見は、小脳の病気による運動障害に効果的な新しい治療法の開発につながることが期待され、また似た分子は小脳のほかに大脳にも多く存在し、これらの分子もシナプス形成と維持に関与することが予想されることから、多くの精神神経疾患や認知症などにおけるシナプス異常の病態の解明と治療法の開発に向けて、重要な鍵となるものと期待されるという。さらに、再生医学において新生神経細胞と既存の神経回路とを機能的に再接続する機構や制御を可能とする基盤的技術の創出にもつながる可能性があるという。