東大、神経活動に依存したキネシンのリン酸化による「荷積み」機構の解明

神経活動に依存したキネシンのリン酸化による「荷積み」機構の解明


１．発表者：
　一ノ瀬　聡太郎（東京大学大学院医学系研究科分子構造・動態・病態学寄付講座　特任研究員）
　小川　覚之（東京大学大学院医学系研究科分子構造・動態・病態学寄付講座　特任助教）
　廣川　信隆（東京大学大学院医学系研究科分子構造・動態・病態学寄付講座　特任教授）


２．発表のポイント：
　◆KIF３A（注１）は、そのリン酸化（注２）によりN−カドヘリンを「荷積み」することを発見した。
　◆神経活動を抑制するとKIF３Aがリン酸化され、KIF３AがN−カドヘリンを「荷積み」することで、N−カドヘリンのシナプス（注３）への輸送が増加することを初めて示した。
　◆記憶の固定を担うシグナル伝達経路の一端を新たに解明したことから、記憶力の低下を伴う様々な病態、状況の改善法開発への応用が期待される。


３．発表概要：
　東京大学大学院医学系研究科分子構造・動態・病態学寄付講座の廣川信隆特任教授らの研究グループは、神経活動を抑制するとKIF３Aがリン酸化され、KIF３AがN−カドヘリンを「荷積み」することで、N−カドヘリンのシナプスへの輸送が増加することを初めて示しました。
　神経細胞内ではさまざまなタンパク質が機能しています。これらのタンパク質が適切な場所で機能するためには、キネシンによる細胞内輸送が不可欠です。N−カドヘリンはキネシンの一種KIF３Aによってシナプスへと運ばれてシナプス強度を調節するタンパク質ですが、どのようにその輸送が制御されているかは不明でした。
　本研究グループは、KIF３Aのリン酸化部位を新規に同定し、PKAとCaMKIIaというキナーゼ（注４）によってリン酸化されることを示しました。次に、KIF３Aのリン酸化によってスパイン（注５）が巨大化し、逆に非リン酸化によってスパインが収縮するというシナプス強度の変化を示唆する現象を観察しました。このような差が生じた原因は、リン酸化によってKIF３AがN−カドヘリンを「荷積み」し、シナプスへと輸送しているからであるということを突き止めました。さらに、神経活動を抑制したときにこのKIF３Aのリン酸化およびそれに伴うN−カドヘンリンの輸送が増加していることを示しました。以上の結果から、神経活動を抑制するとKIF３Aがリン酸化され、KIF３AがN−カドヘリンを「荷積み」しシナプスへと運ぶことにより、シナプス強度を調節しているというモデルを提唱します。これは、神経活動依存的なキネシンのリン酸化による「荷積み」を行う制御機構を初めて示したものです。
　シナプス強度の調節は記憶の固定において非常に重要な因子の一つであると考えられています。そのシグナル伝達経路の一端を新たに解明したことから、記憶力の低下を伴う様々な病態、状況の改善法開発への応用が期待されます。


４．発表内容：
＜研究内容の背景＞
　神経細胞内ではさまざまなタンパク質が機能しています。これらのタンパク質が適切な場所で機能するためには、キネシンによる細胞内輸送が不可欠です。N−カドヘリンはシナプスの結合強度を調節するタンパク質の一つで、キネシンの一種KIF３Aによって運ばれていますが、どのようにその輸送が制御されているかは不明でした。特に、キネシンのモーター活性および「荷降ろし」の制御機構は過去にいくつかのモデルが提唱されていましたが、「荷積み」の制御機構はほとんど不明でした。

＜研究内容＞
　本研究グループは、生化学的手法によりN−カドヘリンと結合しているKIF３Aと、結合していないKIF３Aの２グループに分け、これらのリン酸化状態が異なることを電気泳動法（注６）によって発見しました。また、このKIF３Aのリン酸化部位を質量分析法によって同定しました。さらにこのリン酸化を担うキナーゼを同定するために４０種類のキナーゼとKIF３Aを反応させ電気泳動法によってリン酸化を検出し、その中から候補を５種類に絞った後、それぞれのリン酸化部位を質量分析法で同定したところ、PKAとCaMKIIaがKIF３Aのリン酸化を行っていることを発見しました。
　次に、このリン酸化がどのような機能を果たしているかを調べたところ、リン酸化されたKIF３Aはリン酸化されていないKIF３Aに比べN−カドヘリンとの結合量が増加しており、また、細胞内でのN−カドヘリンの輸送量も上昇していました。つまり、リン酸化によってKIF３Aは「荷積み」を行っていると考えられます。さらに、リン酸化および非リン酸化KIF３Aの模倣物を発現させると、リン酸化KIF３A模倣物を発現させた神経細胞ではスパインが巨大化し、逆に非リン酸化KIF３A模倣物を発現させた神経細胞ではスパインが収縮するというシナプス強度の変化を示唆する現象を観察することができました。
　最後に、神経活動を慢性的に抑制することでシナプス強度が増加するという先行研究に着目して、神経活動を抑制したときのKIF３Aのリン酸化およびN−カドヘリンの輸送を調べました。その結果、神経活動を抑制するとKIF３Aのリン酸化が増加するとともにN−カドヘンリンのシナプスへの輸送も増加していることがわかりました。
　以上の結果から、神経活動を抑制するとKIF３Aがリン酸化され、KIF３AがN−カドヘリンを「荷積み」しシナプスへと運ぶことにより、シナプス強度を調節しているというモデルを提唱します（図）。これは、神経活動依存的なキネシンのリン酸化による「荷積み」を行う制御機構を初めて示したものです。

＜今後の期待＞
　記憶力の低下を伴う病態、状況は数多く確認されています。その原因となっている神経細胞内でKIF３Aのリン酸化を増加させ、N−カドヘリンの輸送を亢進させることで記憶力の低下を防ぐなどの改善法開発への応用が期待されます。


５．発表雑誌：
　雑誌名：「Neuron」
　論文タイトル：Mechanism　of　Activity−dependent　Cargo　Loading　via　the　Phosphorylation　of　KIF３A　by　PKA　and　CaMKIIa
　著者：Sotaro　Ichinose，Tadayuki　Ogawa，Nobutaka　Hirokawa＊
　DOI番号　１０．１０１６／j．neuron．２０１５．０８．００８


　※用語解説・図は添付の関連資料を参照