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・2019年7月16日 新学術領域「脳構築における発生時計と場の連携」の班会議に参加、発表しました。
・2019年7月14日 2019年度 第3回 都医学研都民講座「赤ちゃんの脳をすくすく育てるを開催しました。ここをクリック
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・2019年3月30日 丸山千秋が9thFAOPS(第9回アジア・オセアニア生理学会連合 2019年大会にて招待講演の発表を行いました。
・2019年3月22日 前田信明プロジェクトリーダーの最終セミナーと退職記念会を行いました。
・2019年2月14日 研修生の金子乃愛が平成30年度所内ポスター発表会で、優秀ポスター発表賞と優秀口頭発表賞を受賞しました。
・2019年2月 7日 丸山千秋が「胎生期大脳皮質形成における新規メカニズムの解明」により東京都福祉保健局長賞を受賞しました。


脳神経系を構成する精緻な神経回路は、
どのようなメカニズムで形成されるのか?


これは、今なお新たな課題が次々に立ち現われてくる深い問題です。神経回路形成は、複雑かつ多様な細胞-細胞間、及び細胞-細胞外マトリックス間の相互作用の下に進行します。本プロジェクトでは、マウス大脳皮質及びショウジョウバエ神経筋接合部をモデルに、このような相互作用の分子メカニズムを解明することを目指しています。

大脳皮質形成
Cortical Development Research Team



哺乳類の大脳新皮質は6層構造を示し、各層には特徴的な形態と機能を示す神経細胞が分布する。このような層構造は、誕生した神経細胞が脳表に向かって規則的な細胞移動を繰り返すことによって発達する(文献1,2)。発生期の大脳皮質には最深部に脳室帯と呼ばれる領域が存在し、神経幹細胞(放射状グリア細胞)の分裂によって多数の神経細胞が産生される(図1,2)。新たに生まれた神経細胞は、放射状グリア線維に沿って脳表に向かって移動を開始する。その後、神経細胞は脳室下帯で放射状グリア線維から一旦離れ、多極性の形態に変化する。この多極性細胞は、しばらく方向性の定まらない運動を続けるが、やがて双極性に変化して放射状グリア線維に接着し、軸索を伸ばしながら皮質板に向かって移動していく。皮質板に到達した神経細胞は、既に定着している神経細胞を乗り越えてさらに移動を続け、皮質表層近傍で停止する。すなわち、初期に誕生した神経細胞は皮質板の深い場所に位置し、後から誕生した細胞ほど、表層近くに位置することになる。以上のような移動様式により、inside-outの大脳新皮質の6層構造が形成される(図3)。



サブプレート層は皮質板の下に位置し、大脳新皮質で最初に分化する神経細胞であるサブプレートニューロンが分布する(図2、文献1,3 )。これまでサブプレートニューロンは視床―皮質連絡に重要な機能を果たすことが知られてきたが、最近我々は、サブプレートニューロンが移動ニューロンに対して一過的なシナプス伝達を介して神経細胞移動のモード変換を促進していることを見出した(図4、文献4)。胎児期という限られた発生時間内に大脳新皮質という精巧な構造ができるには、ニューロンの新生、移動、軸索投射による神経回路形成等の現象が同時、かつ互いに同調して進行する必要があるが、その総合的な制御メカニズムはこれまで不明なままだった。今回見出した新たな機能を加えて考えると、サブプレートニューロンが、脳構築過程で様々な機能をこなし、大脳新皮質形成の司令塔的な役割を果たしていることが示唆された。



また、大脳新皮質は、脳進化の過程で哺乳類が獲得した新しい大脳領域であるが、本領域を持たない鳥類や爬虫類の大脳にはサブプレート層が存在しない。このことから、サブプレート層は大脳新皮質の進化に重要な役割を果たしたと考えられる(図5)。また、神経細胞移動に寄与する情報伝達経路を網羅的に同定するため、移動神経細胞及びサブプレートニューロンに選択的に発現する遺伝子群をDNAマイクロアレイ、シングルcell RNAseq等の手法を用いて検索している。また、サブプレートニューロンはヘテロな細胞集団であることが知られているが、その分子発現レベルでの実態は不明なままである。そこで、サブプレートニューロンのサブポピュレーションを同定し、その分子マーカーを用いた比較分子発生学的解析により、大脳新皮質進化のメカニズムを考察していきたいと考えている。

我々はサブプレート層にプロテオグリカンを始めとする細胞外マトリックス成分が大量に発現していることにも注目し、解析を進めている。神経細胞移動が活発に進行している発生期のサブプレート層を含む大脳皮質には、大量のコンドロイチン硫酸プロテオグリカンが発現するが、その機能についてはほとんど明らかにされていない。我々はこれまで、大脳皮質形成におけるコンドロイチン硫酸プロテオグリカンの機能に注目して解析を進めてきた。コンドロイチン硫酸は、グルクロン酸とN-アセチルガラクトサミンからなる二糖単位が多数重合した直鎖状の多糖であり、構成糖の硫酸化及びグルクロン酸のC5エピマー化という修飾によって、糖鎖内に非常に多様な配列構造が生じる(図6)。中でも、多硫酸化構造と呼ばれる構造に富んだ硫酸密度の高い領域は、様々な蛋白質との結合に寄与すると想定されており、機能的にも重要であると予想される。これまでに、多硫酸化構造の生成に寄与する酵素群(GalNAc4S-6ST及びC2ST)を、子宮内胎仔電気穿孔法を用いてノックダウンし、大脳皮質形成に対する影響を解析した。その結果、これらの酵素をノックダウンすると神経細胞の移動が停止し、脳室下帯に停滞してしまうことが明らかになった(文献5)。すなわち、コンドロイチン硫酸の多硫酸化構造は、脳室下帯における神経細胞の多極性から双極性への形態変化に必要であると考えられる。さらに、コンドロイチン硫酸分解酵素(コンドロイチナーゼABC)存在下で海馬神経細胞を培養し、突起伸長を観察した。その結果、コンドロイチン硫酸を分解除去すると神経極性化に異常をきたし多くの神経細胞が複数の軸索を伸長するのが観察された(文献6)。また、スライス培養で放射状移動を観察すると、他局性細胞の先導突起がなかなか決まらず、多極性-双極性変換が障害されることがわかった(図7)。今後、大脳皮質構築過程がプロテオグリカンによってどのように制御されているのかを解析するとともに、細胞外基質制御の大脳新皮質発生、進化における役割について考察していきたいと考えている。


参考文献

(1) Ohtaka-Maruyama C and Okado H.(2015). Molecular pathways underlying projection neuronproduction and migration during cerebral cortical development. Front Neurosci. 9:447, doi: 10.3389/fnins.2015.00447. eCollection 2015.

(2) Maeda N. (2015). Proteoglycans and neuronal migration in the cerebral cortex during development and disease.Front. Neurosci. 9:98, doi: 10.3389/fnins.2015.00098.

(3) Ohtaka-Maruyama C., Hirai S., Miwa A., Heng J.I., Shitara H., Ishii R., Taya C., Kawano H., Kasai M., Nakajima K. and Okado H. (2013). RP58 regulates the multipolar-bipolar transition of newborn neurons in the developing cerebral cortex. Cell Rep. 3, 458-471.

(4) Ohtaka-Maruyama C., Okamoto M., Endo K., Oshima M., Kaneko N., Yura K., Okado H., Miyata T., Maeda N.(2018).Synaptic transmission from subplate neurons controls radial migration of neocortical neurons. Science 360, 313-317.

(5) Ishii M., and Maeda N. (2008). Oversulfated chondroitin sulfate plays critical roles in the neuronal migration in the cerebral cortex.J. Biol. Chem. 283, 32610-32620.

(6) Nishimura K., Ishii M., Kuraoka M, Kamimura K. and Maeda N. (2010). Opposing functions of chondroitin sulfate and heparan sulfate during early neuronal polarization. Neuroscience 169, 1535-1547.

プロテオグリカンと細胞情報伝達



脳神経系を始めとする組織の発達とその機能発現は、複雑な細胞-細胞間あるいは細胞-細胞外マトリックス間の相互作用の下に進行する。このような相互作用に寄与する分子群は極めて多様であり、複雑な情報伝達網を構築している。一連の情報伝達が混乱することなく進行するためには、これらの情報伝達経路群が適切にネットワーク化している必要があるが、そのメカニズムは不明である。

我々は、細胞外において「プロテオグリカンが、情報伝達ネットワークを構築するための骨格として機能している」という仮説の下に、研究を進めている。プロテオグリカンは、コア蛋白質にコンドロイチン硫酸やヘパラン硫酸等のグリコサミノグリカンが共有結合した分子群であり、細胞表層及び細胞外マトリックスの主要構成成分として普遍的に存在する。これらのプロテオグリカンは、グリコサミノグリカンあるいはコア蛋白質部分を介して、様々な成長因子、受容体、細胞接着分子等と結合し、細胞周縁部での分子集合に中心的な役割を果たしている(図1)。

最近、神経組織にグリコサミノグリカン分解酵素を投与すると、神経回路形成や可塑性等の神経機能に様々な異常が生じることが報告されている。これは、グリコサミノグリカンの分解によって、情報伝達ネットワークが崩壊するためであると考えられるが、詳細なメカニズムは不明である。我々はショウジョウバエ神経筋接合部を用いて、プロテオグリカンによる情報伝達制御機構を解明することを目指している。

参考文献

(1) Maeda N. (2015). Proteoglycans and neuronal migration in the cerebral cortex during development and disease.
Front. Neurosci. 9:98, doi: 10.3389/fnins.2015.00098.

(2) 神村圭亮、前田信明 (2013). 「ショウジョウバエのシナプスから眺めたヘパラン硫酸プロテオグリカンの機能」
実験医学31, 1488-1493.

神経筋接合部形成におけるプロテオグリカンの機能
Drosophila Research Team



哺乳類では、プロテオグリカンコア蛋白質やグリコサミノグリカン合成修飾酵素にアイソフォームが多数存在する。そのため、マウスモデルで一つの遺伝子をノックアウトしても、他のアイソフォームの遺伝子が補償的に機能し、顕著な表現型が現れないことが多い。一方、ショウジョウバエにも、シンデカン、パールカン、グリピカン等のヘパラン硫酸プロテオグリカンが存在し、ヘパラン硫酸鎖の構造も哺乳類に匹敵する複雑さを示す。しかしながら、ショウジョウバエではプロテオグリカン関連分子のアイソフォーム構成が単純であるため、その遺伝子の突然変異体に異常が出現しやすい。また、ショウジョウバエ特有の高度な遺伝学的手法が利用できるため、様々な機能解析を効率的に進めることが可能である。さらに、ショウジョウバエの神経筋接合部は哺乳類中枢神経系の興奮性シナプスと多くの類似した性質を示し、形態学的観察及び電気生理学的解析が容易である (文献1,2)。我々は、以上のようなショウジョウバエの利点を活用して、神経筋接合部をモデルに神経回路形成におけるプロテオグリカンの機能解析を行っている。


ショウジョウバエ幼虫の背中を切り開くと、図1に示すように一群の短冊状の筋肉が現れる。脊椎動物の脊髄に相当する腹部神経節からは、運動ニューロンの軸索が規則正しく各筋肉に投射して神経筋接合部を形成する。神経筋接合部は、ブトンと呼ばれる多数のシナプスが定型的に連なったものであり、WntやBMP等のヘパリン結合性シグナル因子の異常によって特徴的な形態変化が起こることが知られている。我々は、ヘパラン硫酸プロテオグリカン関連遺伝子群のショウジョウバエ変異体を網羅的に解析し、パールカン変異体の神経筋接合部が、興味深い形態異常を示すことを見出した(図2、文献3より)。すなわち、本変異体の神経筋接合部では、シナプス前終末が過剰に形成される一方、シナプス後部の構造は低形成を示し、変異個体の運動能力も著しく低下していた。このような神経筋接合部の異常は、Wnt変異体のそれを思い起こさせるものであった。そこで、パールカン変異体の神経筋接合部におけるWntシグナルを詳細に解析したところ、シナプス前部ではWntシグナルが過剰に活性化されている一方、シナプス後部では顕著に低下していることが明らかになった。


Wnt蛋白質は、運動ニューロンによって合成され、軸索内輸送された後、シナプス前終末から放出される。放出されたWntは、シナプス前部と後部の両者に存在する受容体に結合し、運動ニューロン及び筋肉細胞の双方にシグナルを伝える。このような両方向性のWntシグナルによって、シナプス前部と後部とがバランスよく同調して発達する。
パールカン(Trol)はシナプス後部に存在する筋細胞膜の複雑な陥入構造であるSubsynaptic reticulum(SSR)に局在している(図3、文献3より)。パールカン欠失変異体では、Wnt蛋白質(Wg)のシナプス前部からSSRへの輸送が効率的に進まなくなり、シナプス前後部間でWntシグナルのバランスが崩れたものと考えられる。SSRにおいて、少なくとも一部のWgはヘパラン硫酸鎖に結合しており、Wntのシグナル制御におけるヘパラン硫酸鎖の重要性が窺われる。


このようにパールカンは、Wntシグナル経路の構築に必須の役割を果たしている。ショウジョウバエ神経筋接合部には、パールカン以外にも、シンデカンやグリピカンなどいくつかのプロテオグリカンが存在し、それぞれ異なる機能を発揮していることを我々は見出しつつある。今後、プロテオームの手法などを用いて、神経筋接合部における種々の情報伝達経路が、ヘパラン硫酸プロテオグリカンによってどのように統合されているのかを明らかにしていきたいと考えている。

参考文献

(1) 神村圭亮、前田信明 (2015). 「シナプス形成におけるヘパラン硫酸プロテオグリカンの機能 -ショウジョウバエ神経筋接合部を中心に-」生化学87, 467-470.

(2) Kamimura K., Maeda N., Nakato H. (2011). In vivo manipulation of heparan sulfate structure and its effect on Drosophila development. Glycobiology21, 607-618.

(3) Kamimura K., Ueno K., Nakagawa J., Hamada R., Saitoe M. and Maeda N. (2013). Perlecan regulates bidirectional Wnt signaling at the Drosophila neuromuscular junction. J. Cell Biol. 200, 219-233.

メンバー



プロジェクトリーダー

丸山 千秋
Chiaki Ohtaka-Maruyama
研究技術員
平井 久美子
Kumiko Hirai
小田嶋 愛子
Aiko Odajima
客員研究員
前田 信明
Nobuaki Maeda
(元プロジェクトリーダー)
由良 敬
Kei Yura
(お茶の水女子大教授)
野村 真
Tadashi Nomura
(京都府立医科大学准教授)

業 績


  • 2018年

    (1) Ohtaka-Maruyama C., Okamoto M., Endo K., Oshima M., Kaneko N., Yura K., Okado H., Miyata T., Maeda N.(2018).Synaptic transmission from subplate neurons controls radial migration of neocortical neurons. Science 360, 313-317.

  • 2016年

    (1) Sakuma C., Saito Y., Umehara T., Kamimura K., Maeda N., Mosca T.J., Miura M., Chihara T. (2016). The Strip-Hippo pathway regulates synaptic terminal formation by modulating actin organization at the drosophila neuromuscular synapses. Cell Rep. 16, 2289-2297.

    (2) Nomura T., Ohtaka-Maruyama C., Yamashita Y., Wakamatsu Y., Murakami Y., Calegari F., Suzuki K., Gotoh H., Ono K. (2016). Evolution of basal progenitors in the developing non-mammalian brains. Development 143, 66-74.

    (3) Ohtaka-Maruyama C., Nakajima K., Pierani A., Maeda N. (2016). Editorial: Mechanisms of neuronal migration during corticogenesis. Front. Neurosci. 10, 172. Doi:10.3389/fnins2016.00172.

  • 2015年

    (1) Heng J.I., Qu Z., Ohtaka-Maruyama C., Okado H., Kasai M., Castro D., Guillemot F, Tan S.S. (2015). The zinc finger factor RP58 negatively regulates Rnd2 for the control of neuronal migration during cerebral cortical development. Cerebral Cortex 25, 806-816.

    (2) Maeda N. (2015). Proteoglycans and neuronal migration in the cerebral cortex during development and disease. Front. Neurosci. 9: 98. (doi:10.3389/fnins.2015.00098)

    (3) Yabe T., and Maeda N. (2015). Histochemical analysis of heparan sulfate 3-O-sulfotransferase expression in mouse brain. Methods Mol. Biol. 1229, 377-387.

    (4) 神村圭亮、前田信明 (2015). 「シナプス形成におけるヘパラン硫酸プロテオグリカンの機能 -ショウジョウバエ神経筋接合部を中心に-」生化学87, 467-470.

    (5) Ohtaka-Maruyama C., Okado H (2015). Molecular pathways underlying projection neuron production and migration during cerebral cortical development. Front Neurosci. 9, 447. Doi:10.3389/fnins.2015.00447.

  • 2014年

    (1) Morise J., Kizuka Y., Yabuno K., Tonoyama Y., Hashii N., Kawasaki N., Manya H., Miyagoe-Suzuki Y., Endo T., Maeda N., Takematsu H. and Oka S. (2014). Structural and biochemical characterization of O-mannose-linked human kiler-1 glycan expressed on phosphacan in developing mouse brains. Glycobiology 24, 314-324.

    (2) Kamimura K, Maeda N. (2014). Heparan sulfate proteoglycans in Drosophila melanogaster. In “Glycoscience: Biology and Medicine” , Taniguchi N et al.(ed), Springer, pp. 581-587.

  • 2013年

    (1) Kamimura K., Ueno K., Nakagawa J., Hamada R., Saitoe M. and Maeda N. (2013). Perlecan regulates bidirectional Wnt signaling at the Drosophila neuromuscular junction. J. Cell Biol. 200, 219-233.

    (2) Ohtaka-Maruyama C., Hirai S., Miwa A., Hengi J.I., Shitara H., Ishii R., Taya C., Kawano H., Kasai M., Nakajima K. and Okado H. (2013). RP58 regulates the multipolar-bipolar transition of newborn neurons in the developing cerebral cortex. Cell Rep. 3, 458-471.

    (3) 神村圭亮、前田信明 (2013). 「ショウジョウバエのシナプスから眺めたヘパラン硫酸プロテオグリカンの機能」 実験医学31, 1488-1493.

  • 2012年

    (1) Yasuda T., Saegusa C., Kamakura S., Sumimoto H. and Fukuda M. (2012). Rab27 effector Slp2-a transports the apical signaling molecule podocalyxin to the apical surface of MDCKII cells and regulates claudin-2 expression. Mol. Biol. Cell 23, 3229-3239.

    (2) Hirai S., Miwa A., Ohtaka-Maruyama C., Kasai M., Okabe S., Hata Y. and Okado H. (2012). RP58 controls neuron and astrocyte differentiation by downregulating the expression of Id1-4 genes in the developing cortex. EMBO J. 31, 1190-1202.

    (3) Ohtaka-Maruyama C., Hirai S., Miwa A., Takahashi A. and Okado H. (2012). The 5’-flanking region of the RP58 coding sequence shows prominent promoter activity in multipolar cells in the subventricular zone during corticogenesis. Neuroscience 17, 481-492.

  • 2011年

    (1) Kamimura K., Maeda N., Nakato H. (2011). In vivo manipulation of heparan sulfate structure and its effect on Drosophila development. Glycobiology21, 607-618.

    (2) Maeda N., Ishii M., Nishimura K., and Kamimura K. (2011). Functions of chondroitin sulfate and heparan sulfate in the developing brain. Neurochem. Res.36, 1228-1240.

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