脳の一部である海馬の神経細胞の細胞体に見られる不思議なタンパク質の集団に、現在、カリフォルニア大学デービス校医学部の生理学・膜生物学特別教授であるJames Trimmer博士（写真）は、30年間興味をそそられ困惑させられていたが、ついにその答えを得ることができた。Trimmer博士らは、2021年11月16日にPNAS誌に発表した新しい研究で、これらのタンパク質クラスターが神経細胞内のカルシウムシグナル伝達の「ホットスポット」であり、遺伝子転写の活性化に重要な役割を果たしていることを明らかにした。
PNAS誌に掲載されたこの論文は「小胞体-小胞体結合部におけるL型カルシウムチャネルのKv2.1誘導クラスター化による神経細胞の興奮-転写結合の制御（Regulation of Neuronal Excitation-Transcription Coupling by Kv2.1-Induced Clustering of Somatic L-Type Ca2+ Channels at ER-PM Junctions）」と題されている。
この転写とは、ニューロンのDNAの一部がメッセンジャーRNA（mRNA）の鎖に「転写」され、それが細胞に必要なタンパク質を作り出すために使われることを指している。
Structures Found in Many Animals
Dr. Trimmer’s lab studies the enigmatic clusters in mice, but they exist in invertebrates and all vertebrates–including humans. Dr. Trimmer estimates that there can be 50 to 100 of these large clusters on a single neuron.
He and his colleagues knew that the clusters are formed by a protein that passes potassium ions through membranes (a potassium channel). They also knew these clusters contain a particular type of calcium channel. Calcium channels allow calcium to enter cells, where it triggers a variety of physiological responses depending on the type of cell.
“The presence of these clusters in neurons is highly conserved,” Dr. Trimmer said. Highly conserved features are relatively unchanged through evolutionary timescales, suggesting they have an important functional property in these very different types of animals.
The hippocampus, one region of the brain where the clusters are found on neurons, plays a major role in learning and memory. Researchers knew that disruption to these clusters–for example, from genetic mutations in the potassium channel–results in severe neurological disorders. But it was not clear why.
“We have known the function of other types of ion channel clusters, for example those at synapses, for a long time. However, there was no known role that these much larger structures on the cell body played in the physiology of the neuron,” Dr. Trimmer said.
多くの動物に見られる構造
Trimmer博士の研究室では、この謎めいたクラスターをマウスで研究しているが、無脊椎動物や、ヒトを含むすべての脊椎動物にも存在する。Trimmer博士は、1つのニューロンに50～100個の大きなクラスターが存在すると推定している。
Trimmer博士らは、このクラスターが、カリウムイオンを膜に通すタンパク質（カリウムチャネル）によって形成されていることを知っていた。また、これらのクラスターには、ある種のカルシウムチャネルが存在することもわかっていた。カルシウムチャネルは、カルシウムを細胞内に送り込み、細胞の種類に応じてさまざまな生理的反応を引き起こす。
Trimmer博士は、「神経細胞におけるこれらのクラスターの存在は、高度に保存されている」と述べている。高度に保存された特徴は、進化の時間軸において比較的変化しないことから、これらの全く異なる種類の動物において重要な機能的特性を持っていることが示唆される。
クラスターが神経細胞に見られる脳の領域の1つである海馬は、学習と記憶に大きな役割を果たしている。研究者らは、カリウムチャネルの遺伝子変異などによってクラスターが破壊されると、重篤な神経疾患を引き起こすことを知っていた。しかし、その理由は明らかではなかった。
「我々は、シナプスなどに存在する他の種類のイオンチャネルクラスターの機能を長い間、知っていた。しかし、細胞体上のはるかに大きな構造物が、神経細胞の生理機能に果たす役割については知られていなかった」とTrimmer博士は語った。
Experiment Flooded Calcium Channels with “Decoys”
The experiment that revealed the function of the neuronal clusters was designed by Nicholas C. Vierra, PhD, a postdoctoral researcher in Trimmer’s lab and lead author for the study.
“We developed an approach that let us uncouple the calcium channel from the potassium channel clusters in neurons. A key finding was that this treatment blocked calcium-triggered gene expression. This suggests that the calcium channel-potassium channel partnership at these clusters is important for neuronal function,” Dr. Vierra said.
For their experiment, the researchers essentially “tricked” the calcium channels at these clusters by flooding the neurons with decoy potassium channel fragments. When the calcium channels grabbed onto the decoys instead of the real potassium channels, they fell away from the clusters.
As a result, the process known as excitation-transcription coupling, which links changes in neuronal electrical activity to changes in gene expression, was inactivated.
“There are a lot of different calcium channels, but the particular type of calcium channel found at these clusters is necessary for converting changes in electrical activity to changes in gene expression,” Dr. Trimmer said. “We found that if you interfere with the calcium-signaling proteins located at these unusual clusters, you basically eliminate excitation-transcription coupling, which is critical for learning, memory, and other forms of neuronal plasticity.”
Dr. Trimmer and Dr. Vierra hope their findings will open new avenues of research.
“A lot of research has focused on calcium signaling in dendrites–the sites where neurons receive signals from other neurons. Calcium signaling in the cell body of neurons has received less attention,” said Dr. Vierra. “Now we understand much more about the significance of signaling at these specific sites on the cell body of the neuron.”
“We are only at the beginning of understanding the significance of this signaling, but these new results may provide information that could shape new research into its role in brain function, and perhaps eventually into the development of new classes of therapeutics,” said Dr. Trimmer.
Additional authors on the study include Samantha C. O’Dwyer, Collin Matsumoto, and L. Fernando Santana, Department of Physiology and Membrane Biology, UC Davis School of Medicine.
カルシウムチャネルに "おとり"を流す実験
神経細胞クラスターの機能を明らかにした実験は、トリマー研究室のポスドク研究員で、本研究の筆頭著者であるNicholas C. Vierra博士が考案したものだ。
「我々は、神経細胞内のカリウムチャネルのクラスターからカルシウムチャネルを切り離す方法を開発した。その結果、カルシウムチャネルが引き金となって起こる遺伝子発現を抑制することができた。これは、カルシウムチャネルとカリウムチャネルのクラスターでの連携が、神経細胞の機能に重要であることを示唆している」とVierra博士は述べている。
今回の実験では、おとりのカリウムチャネル断片を神経細胞に流して、クラスターのカルシウムチャネルを実質的に「だます」ことに成功した。カルシウムチャネルが、本物のカリウムチャネルではなく、おとりのカリウムチャネルにつかまると、クラスターから離れていった。
その結果、神経細胞の電気的活動の変化と遺伝子発現の変化を結びつける「励起-転写結合」と呼ばれるプロセスが不活性化されたのである。
Trimmer博士は、「カルシウムチャネルにはさまざまな種類があるが、このクラスターで見られる特定の種類のカルシウムチャネルは、電気的活動の変化を遺伝子発現の変化に変換するのに必要だ」と述べている。「我々は、これらの特異なクラスターに存在するカルシウムシグナル伝達タンパク質を阻害すると、学習や記憶などの神経細胞の可塑性に重要な興奮と転写の結合が基本的に失われることを発見した」と述べている。
Trimmer博士とVierra博士は、今回の発見が新たな研究の道を開くことを期待している。
Trimmer博士は、「多くの研究では、神経細胞が他の神経細胞からの信号を受け取る場所である樹状突起でのカルシウムシグナルに注目している。これまでの研究では、神経細胞が他の神経細胞から信号を受け取る場所である樹状突起でのカルシウムシグナルに注目が集まり、神経細胞の細胞体でのカルシウムシグナルはあまり注目されていなかった。」「今回、神経細胞の細胞体上の特定の場所でのシグナル伝達の重要性について、より深く理解することができた。」「我々は、このシグナル伝達の重要性を理解し始めたばかりだが、今回の新しい結果は、脳機能におけるこのシグナル伝達の役割に関する新たな研究を形成する情報を提供し、ひいては新しいクラスの治療薬の開発につながるかもしれない」と述べている。
本研究の他の著者には、カリフォルニア大学デービス校医学部生理学・膜生物学教室のSamantha C. O'Dwyer、Collin Matsumoto、L. Fernando Santanaがいる。
