病態解析に資するシナプス分子ダイナミクス可視化解析

背景

　シナプス伝達は脳機能の素過程であり、その異常は多くの脳疾患の原因となっています。しかしシナプスにおける分子ダイナミクスとそのメカニズムについては不明な点が多く残されています。この問題に切り込むために、独自の蛍光プローブを開発することで「観られなかったものを観られるように」し、脳内のシナプスにおける分子ダイナミクスを高い時空間解像度で可視化解析しています。またその成果を生かし、神経変性疾患を標的とする新たな病態・薬効評価系の確立を目指しています。

代謝型グルタミン酸受容体シグナリングの可視化解析

　これまで研究対象として、グループI代謝型グルタミン酸受容体（mGluR）に着目してきました。mGluRはイオンチャネル型受容体とともに脳内のグルタミン酸作動性シナプス伝達を担っており、様々な脳機能と病態に関与しています。しかしシナプスにおけるmGluRシグナリングの解析手法の欠如が大きな研究障壁となっていました。そこで我々はグルタミン酸、イノシトール三リン酸（IP3）、小胞体内腔Ca2+といった関連シグナル分子に対する蛍光プローブを新たに開発し（図１）、シナプス伝達に伴うダイナミクスを解析しました。そして得られた知見に基づき、新規のmGluRシグナリング機構を解明することに成功しました（図１）。またこれらの蛍光プローブについて、病態・薬効評価への応用を進めています。

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図１　A: グルタミン酸プローブEOSによるシナプス外グルタミン酸可視化。B: IP3プローブGFP-PHDによるIP3可視化。C: 小胞体内腔用Ca2+プローブG-CEPIA1erによる小胞体内腔Ca2+可視化。D: 分子ダイナミクスに基づくmGluRシグナリング機構の解明。

ナノスケール病態・薬効評価系の開発

　前および後シナプスにおける分子複合体の集合・離散ダイナミクスを厳密に制御することは、正常なシナプス伝達の実現に不可欠です。よって個々のシナプス分子の運動に生じるナノメートルスケールのわずかな異常が病因となり得ます（図２）。しかし従来の技術では、病態を再現した脳組織において、ナノスケール解像度で分子ダイナミクスを捉えることは困難でした。そこで我々は新しい原理に基づく蛍光標識法を開発し、それにより脳組織内で1分子から発せられる蛍光をリアルタイムに検出し、分子運動をナノメートル解像度で追跡する技術の開発を進めています（図２）。この技術により、アルツハイマー病の超早期病態の検出とそこでの薬理作用解析を目指しています。
　さらに神経変性疾患の原因になると考えられる変性タンパク質凝集体について、その形成過程のナノスケール解析にも取り組んでいます。神経変性疾患においては、凝集体を構成するタンパク質のオリゴマーからなる重合核（シード）が経シナプス的に移動することで、凝集体形成が脳内で伝播すると考えられています。このシードの形成、放出、取込は治療標的として注目されますが、そのダイナミクスは不明です。脳組織内１分子蛍光イメージング技術により、シードの脳内動態を直接的に可視化し、これに基づき病態・薬効評価を行うことを目指しています。

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図２　脳組織内１分子蛍光イメージングに基づく、ナノスケール病態・薬効評価。

今後の展望

　新規蛍光プローブの開発を進め、「観られなかったものを観られるように」する対象を拡げ、シナプス分子ダイナミクスの解明とそれに基づく病態・薬効評価に向けて歩を進めていきたいと考えています。神経細胞だけでなく、シナプスを取り囲むグリア細胞（アストロサイト）の機能もシナプス伝達には必須であり、アストロサイトを含めた解析も進めていきます。

参考文献

  1. Okubo Y et al. Inositol 1,4,5-trisphosphate receptor type 2-independent Ca2+ release from the endoplasmic reticulum in astrocytes. Glia 67:113-124 (2019)
  2. Okubo Y, et al. Visualization of Ca2+ filling mechanisms upon synaptic inputs in the endoplasmic reticulum of cerebellar Purkinje cells. J Neurosci 35:15837-15846 (2015)
  3. Okubo Y, et al. Imaging extrasynaptic glutamate dynamics in the brain. Proc Nat Acad Sci USA 107:6526-6531 (2010)
  4. Okubo Y, et al. Cross talk between metabotropic and ionotropic glutamate receptor-mediated signaling in parallel fiber-induced inositol 1,4,5-trisphosphate production in cerebellar Purkinje cells. J Neurosci 24:9513-9520 (2004)
  5. Okubo Y, et al. Visualization of IP3 dynamics reveals a novel AMPA receptor-triggered IP3 production pathway mediated by voltage-dependent Ca2+ influx in Purkinje cells. Neuron 32:113-122 (2001)