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大学共同利用機関法人 自然科学研究機構

基礎生物学研究所

研究部門・施設

神経細胞生物学研究室

研究教育職員

椎名 伸之
准教授
椎名 伸之
SHIINA, Nobuyuki
中山 啓
助教
中山 啓
NAKAYAMA, Kei

研究の概要

mRNA - タンパク質コンデンセートが司る高次脳機能の解明
 

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マウス脳(海馬)神経細胞のRNA 顆粒
神経細胞の細胞体(赤)から伸びた樹状突起にRNA 顆粒(緑)が輸送され、局在している。模式図(白)は神経の細胞体とそこから伸びた樹状突起。
 
mRNA は、DNA の遺伝情報をもとにタンパク質を合成するという生命の根幹に不可欠の分子である。脳神経が正しく機能するためには、mRNA を鋳型としたタンパク質合成が時空間的に制御されることがとりわけ重要なことが分かってきた。この制御は、mRNA とそれに結合する様々なタンパク質が液−液相分離を起こしてコンデンセート(RNA 顆粒と呼ばれる細胞小器官)を形成することによって行われている。我々は、RNA 顆粒がどのように形成されてどのような特性を持つのか、さらに神経細胞における RNA 顆粒の働きが、学習・記憶や精神活動などの脳機能にどのような影響を与えるのかについて、マウスをモデル生物として、分子・細胞・個体レベルで明らかにすることを目指している。

RNA 顆粒の形成・ダイナミクスと神経機能
細胞内の様々な小器官は、生体膜に包まれることで区画化されている。しかし近年驚くべきことに、膜に包まれずに区画化する「コンデンセート」と呼ばれる細胞小器官が明らかにされつつある。それらコンデンセートは、液- 液相分離(LLPS)という物理化学的現象によって形成され、特定の分子が高濃度に集積しつつ、細胞質(核内コンデンセートの場合は核質)との間で分子が行き来する平衡状態を保つ。「RNA 顆粒」はLLPS によって細胞質に形成されるコンデンセートであり、特定のRNA結合タンパク質、mRNA、リボソーム等が濃縮している。RNA 結合タンパク質のうち、天然変性領域(IDR)を持つものが互いに弱く相互作用することが、LLPS の原動力になっている。さらにRNA 顆粒は単一な液相ではなく、内部に固相の「コア」を含む(図1, 文献2)。このコアがニューロン内で過剰に凝集・巨大化してしまうことが神経変性疾患である筋萎縮性側索硬化症(ALS)や前頭側頭葉変性性認知症(FTLD)の引き金になると考えられている。我々は、IDR を介したRNA 顆粒の形成およびダイナミクス調節の分子メカニズムを明らかにすると共に、学習、加齢、ストレスなどの内的・外的要因がRNA 顆粒ダイナミクスを変化させる可能性について、またその変化の異常が神経機能の異常につながる可能性について探ろうとしている(図1, 文献2、5)。

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図1. RNA 顆粒の液相、固相をそれぞれ形成するRNA 結合タンパク質
培養細胞内でRNG105(赤)はRNA 顆粒の液相を形成し、FUS(緑)はその内部に点状の固相を形成する。点線で囲まれた部分は核。細胞質に形成されたRNA 顆粒の一部(四角)の拡大図を右側の写真に示す。上:FUS, 中:RNG105, 下:重ね合わせ。スケールバー:2 μm。

長期記憶形成におけるRNA 顆粒の役割
ニューロンにおけるRNA 顆粒の重要な役割は、mRNA を樹状突起へ輸送し、樹状突起の後シナプス(スパイン)近傍において、学習時のシナプス入力に伴って局所的に翻訳を引き起こすことである。この局所的翻訳がシナプス結合の長期的な強化に必要であり、数時間から数年に及ぶ長期記憶の形成に関与すると考えられている。我々はRNA 顆粒の構成因子であるRNA 結合タンパク質が、翻訳の時空間制御及び学習・記憶の形成に果たす役割を解明することに取り組んでいる。RNG105(別名caprin1)タンパク質は、樹状突起へのmRNA 輸送を担う因子である(文献1、3)。RNG105 欠損マウスでは、本来樹状突起に局在すべき様々な種類のmRNA の局在が低下し、欠損の程度が軽微な場合は自閉症様行動を引き起こし(文献4)、重篤な場合は長期記憶の形成が顕著に低下する(図2,文献3)。NG105 によって輸送されるmRNA がどのようなメカニズムで長期記憶に結びつくかは不明な点が多く、今後の重要な課題である(文献1)。

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図2. RNG105 遺伝子欠損による長期記憶の低下
マウスは暗い部屋で電流が流れる不快な経験を一度学習すると、その後電流が流れなくても暗い部屋を避けるようになる。正常マウスは1週間後も暗い部屋を避けた。一方、RNG105 欠損マウスは 5 分後には暗い部屋を避けたものの、1週間後にはほぼ元通り暗い部屋に進入した。

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研究室関連資料

参考文献

Ohashi, R. and Shiina, N. (2020). Cataloguing and selection of mRNAs localized to dendrites in neurons and regulated by RNAbinding proteins in RNA granules. Biomolecules 10, 167.
 
Shiina, N. (2019). Liquid- and solid-like RNA granules form through specific scaffold proteins and combine into biphasic granules. J. Biol. Chem. 294, 3532-3548.
 
Nakayama, K.†, Ohashi, R.†, Shinoda, Y., Yamazaki, M., Abe, M., Fujikawa, A., Shigenobu, S., Futatsugi, A., Noda, M., Mikoshiba, K., Furuichi, T., Sakimura, K. and Shiina, N. (†equal contribution) (2017). RNG105/caprin1, an RNA granule protein for dendritic mRNA localization, is essential for long-term memory formation. eLife 6, e29677.
 
Ohashi, R., Takao, K., Miyakawa, T. and Shiina, N. (2016). Comprehensive behavioral analysis of RNG105 (Caprin1) heterozygous mice: Reduced social interaction and attenuated response to novelty. Sci. Rep. 6, 20775.
 
Shiina, N. and Nakayama, K. (2014). RNA granule assembly and disassembly modulated by nuclear factor associated with dsRNA 2 and nuclear factor 45. J. Biol. Chem. 289, 21163-21180.
 

椎名伸之 (2012). RNA granuleによる樹状突起へのmRNA輸送と局所タンパク質合成.細胞工学 31, 655-659.

 

椎名伸之 (2009). 神経樹状突起におけるRNA粒子と翻訳制御. 蛋白質核酸酵素 54, 2171-2176.

 

椎名伸之、徳永万喜洋 (2006). 神経シナプス可塑性における局所的翻訳の制御機構. 蛋白質核酸酵素 51, 943-949

連絡先

椎名 伸之 准教授 E-mail: nshiina@nibb.ac.jp TEL: 0564-55-7620

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