中枢神経系における生命情報の多様性の制御メカニズムと機能解明
Mechanisms and functions underlying molecular diversity in central nervous system（日本神経化学会推薦）
代表研究者 東海大学

飯島

協同研究者 バーゼル大学

崇利

Tokai University

Takatoshi IIJIMAPeter Scheiffele

The University of BaselPeter SCHIFFELE

協同研究者 東海大学

鈴木暁子

Tokai University

Satoko SUZUKI

協同研究者 東海大学

飯島陽子

Tokai University

Yoko IIJIMA

協同研究者 東海大学

日高千晴

Tokai University

Chiharu HIDAKA

協同研究者 東海大学

田中正視

Tokai University

Masami TANAKA

The vertebrate central nervous system (CNS) is the most complicated but well-organized system. Neuronal cell
development is controlled by a highly organized sequence of developmental events that consist of proliferation,differentiation, migration, and maturation. However it is still questionable and mysterious how huge diversity ofneuronal cell types and complexity of neural circuits are established by quite limited number of genes (<25,000 genes inhuman).
Alternative RNA splicing through the selective exclusion or inclusion of pre-mRNA sequences is a powerfulsystem for transcriptomic and proteomic diversity. The resulting molecular repertories are thought to be essential for
generating biological complexity in mammalian systems. Splicing regulation is likely prominent in the vertebrate CNS.
Therefore, neuronal alternative splicing events may contribute to each step of this developmental sequence, which is
expected to contribute greatly to the complexity and specificity of neural circuits. The aim of my work is tounderstand molecular mechanisms underlying alternative pre-mRNA splicing in neurons, in particular its
regulation by cell-type specific factors and neuronal activity.
To characterize neural alternative splicing programs, I currently characterized many substrate RNAs
controlled by neural splicing factors SAM68 and SLM that we identified in my postdoctoral works. I am thenanalyzing the functional relevance of identified activity-regulated splicing isoforms using biochemical, cellbiological and physiological approaches. Importantly de-regulation of neuronal splicing events leads toneurological disorders. Therefore, my work will contribute to further understanding and identifying treatment
strategies for these diseases.
研究目的れているのかは未だに大きな謎となっている。選択1, 神経系における生命情報の多様化のメカニズム

的スプライシングは単一の遺伝子から複数の遺伝子およびその機能解明産物を生み出し生命情報を多様化させる重要な仕組

ヒト成体脳は約 1000 億個にも及ぶ神経細胞のみである。脳は選択的スプライシングの最も盛んなネットワークからなり、どの組織よりも最も複雑な臓器であり、高等動物における複雑な組織構造と機臓器である。複雑な脳構造の構築と高次機能の発現能発現に強く寄与していることが予想される。そこには膨大な情報量を必要とすることが予想されるが、で申請者らは、中枢神経系において選択的スプライ

これに対してヒト遺伝子の総数は僅か２−３万個程シングを制御するメカニズムに注目し、これまでに度に過ぎない。このような限られた遺伝子数のなか興味深いファクターとして、RNA 結合タンパク質でどのように哺乳類の生命高次現象がプログラムさSAM68 を同定してきた。SAM68 は、中枢神経系で主要なシナプス形成因子であり自閉症の原因遺伝子

ト 社 の exon microarray を 使 っ て 野 生 型 ととして知られる Neurexin の選択的スプライシングをSAM68/SLM1 ダブルノックアウトマウス間でエキ神 経 活 動 依 存 的 に 制 御 する こ と を 明 ら か に し た

ソンレベルでの発現比較を行った。その結果、300(Iijima et al., Cell. 2011)。さらに、SAM68 には二つの個以上のエキソンで有意な変動 (FC>1.5; p= 0.05)

ファミリー分子 SLM1 と SLM2 があり、これらは特が認められた。その中には神経疾患に関わる遺伝子定の神経細胞群に限局して発現し神経細胞種に特異の一部をコードするエキソンが多く含まれており、的な Neurexin のスプライシング制御を行っているこ

RT-qPCR によりノックアウトマウスと野生型とのスとを明らかにしてきた (Iijima et al., J. Cell Biol.

プライシング比率を詳しく比較したところ、特に神2014)。そこで今後のメインは、SAM68/SLM による経・精神疾患との関連性が示されている IL1rap（精選択的スプライシングを中心とし、時空間的選択的神遅滞）, Ank3 (自閉症、統合失調症、知的障害),スプライシングプログラムの制御機構と、それのコ

Pcdh15（自閉症、統合失調症、Usher syndrome）などードする生命情報の多様性と神経系での機能的役割が劇的なアイソフォーム変化を示した。全体的に、を理解することを目指した。

SAM68 ノックアウトマウスでは 3’UTR 部位を含む

2, 広汎性発達障害における RNA 制御異常の解明

エキソンの選択的スプライシング比率が変化してい

近年 RNA レベルでの生命情報発現の多様化のる傾向が非常に強く、遺伝子産物の C 末端側の長さコントロールの破綻が多くの疾患の発症や病態と関が通常とは異なったアイソフォームが多く出現して連していることが明らかになりつつあり、とくに多いることが分かった。これにより、SAM68 ノックア

いのは神経・精神疾患であることから、スプライシウトマウスにおいて神経系では本来膜タンパク質でング異常などに起因する RNA 情報発現変化によっあるはずの細胞接着因子が分泌型タンパク質に変化ておこる精神・神経疾患の分子病態に注目している。

してしまうなど劇的な生化学的異常所見が示された。

最近、申請者らは in vitro 系自閉症モデル（(Iijima et al.,1, in vitro 自閉症モデルをもちいた網羅的トランスク

Sci. Rep., 2016, in press) を用いた独自のアプローチ

リプトーム解析により、広汎性発達障害におけるトランスクリプト近年、生命情報の多様化メカニズムの破綻が複数のームレベルでの異常について調べてきた。エキソン

神経・精神疾患の発症に密接に関係していることがアレイによる網羅的トランスクリプトーム解析によあきらかになりつつある。最近当研究室とバーゼルって複数の遺伝子や特定のスプライシングバリアン大学との共同研究で in vitro 自閉症モデルを確立しトの特徴的な発現変動を見いだしており、これらと(Iijima et al., Sci. Rep., 2016, in press)、このモデルを用疾患との関連性を検討している。そこで第二に、時いて広汎性発達障害における遺伝子発現変動および空間的 RNA 情報制御の破綻が神経機能に与える影スプライシング変化の有無を検討した。その結果、響を調べ、広汎性発達障害の発症や分子病態との関特定の抑制性神経細胞の発現するタンパク質をコー連性を明らかにすることを目指す。また、自閉症のドする遺伝子発現が有意に低下していること、興味分子病態はもとより、現在のモデルでの RNA 制御深いことに神経ペプチドを含めた複数の分泌性因子異常により生成された特異的な遺伝子産物を同定すの顕著な減少が見られる等、in vitro レベルの解析にることによって、バイオマーカーによる確定的診断より非常に明確な自閉症リスクファクターの薬理効方法や新アプローチによる治療法の確立に貢献する果を明らかにすることができた。さらに興味深いこことを目的とした。とに、有意に変動した遺伝子群の中でヒト精神疾患との関連性が指摘されている、または遺伝子改変動

研究経過

物で精神疾患様の行動異常が報告されている遺伝子

1, 神経系スプライシング因子 SAM68/SLM1 の標的数は、Down: 12(8) /62 genes,

RNA 分子の網羅的同定と機能解析

閉症スペクトラム関連の遺伝子数)であり、精神疾患

本研究では SLM による組織・細胞種特異的およびに関連した遺伝子が、強く濃縮されている傾向があSAM68 による神経活動に依存的なスプライシングる。また、多くはないが一部には発現変化とともに活動の 2 つの機構に注目し、これらのスプライシンスプライシング変化を伴う分子が存在することも分

グ因子標的 RNA の網羅的検索を行った。アジレン

かった。現在はこれらの情報に基づいて、in vivo で

Up: 2 (1) /78 genes(自の解析を行い、自閉症の発症や病態との関連性を調具体的に細胞機能における分子多様性の普遍的な生査している。

理意義の一端を解き明かすことができると信じる。
2, 神経系における RNA 制御学の研究状況と精神疾

考察

患との因果関係

1, 神経系における生命情報の多様性について

RNA 研究のなかでも non-coding RNA 関連の一部

選択的スプライシングは比較的古くから知られた概の研究は、幅広くさまざまな研究分野で注目され、念であり、その中心メカニズムは多くの研究者によめざましい進展を遂げているにも関わらず、全般的って解明されてきた。特定のスプライシングアイソに神経科学領域での RNA 制御の研究は今一歩進んフォーム間の生化学的・機能的違いなども分子によでいない。しかしながら、医学的・臨床学的な観点っては複数のグループによって詳細な研究がなされにおいては、pre-mRNA スプライシングや RNA 編集ており、Neurexin はその典型例である（Boucard et al.,などの異常が自閉症、統合失調症などの神経発達疾

2003; Chih et al., 2006; Aoto et al., 2013）。しかしなが患や ALS やパーキンソン病などの神経変性疾患をら、本研究のように選択的スプライシングを制御すはじめとした多くの精神・神経疾患を引き起こすこる特異的なメカニズムについて注目している研究はと が 明 ら か に な り つ つ あ り (Licatalosi & Darnell,

意外にも少ない。近年の研究において、シナプスタ

2006)、精神活動をはじめとした高等動物の高次的なンパク質をコードする複数の pre-mRNA が時空間的生命活動における RNA 制御の役割について注目さな選択的スプライシング制御を受け、シナプス接着れ始めている。の特異性や可塑性に強く関与する可能性が示唆され興味深いことに、申請者の研究対象であるスプラてきたものの (Xie & Black, 2001)、細胞間ネットワ

イシング因子 SAM68/SLM の複数の新規標的 RNA

ークの多様性・特異性を構成する要素として選択的は、精神疾患の発症や病態と密接な関係をもつタンスプライシングに目を向けている例はさらに少ない。

パク質をコードしており、疾患との関連性を解明す全体的に、エピジェネティクス変化も含めた遺伝子るための重要なヒントを多分に含んでいるのに加え、情報発現の多様化と高次生命現象との相関関係をク

最近採択者ら独自のアプローチで検討してきた in

リアに証明するような報告はまだ乏しく、とくに哺vitro 自閉症モデルで、転写後レベルで興味深い遺伝乳類のような高等動物では非常に少ない。

子発現やスプライシング変動があることを掴んだ

近年採択者は神経系における選択的スプライシン（飯島ら, 未発表データ）。これらを足がかりとして、グにおいて、特に興味深いスプライシング因子群と神経機能異常の分子メカニズムを紐解いていくことその制御メカニズムを同定し、これまでに大きなツができれば、将来的にはヒトでの ASD の症状との関ールやヒントを得てきた。申請者は neurexin の選択連性を明らかにし、バイオマーカーによる確定的診的スプライシングの制御因子として RNA 結合タン断方法の確立や治療の可能性に繋がると信じる。

パク質 STAR ファミリー (SAM68, SLM1 およびSLM2) を同定し、SAM68 は神経活動依存的なスプ

参考文献

ライシング、また SLM1 と SLM2 は特定の神経細胞

1.

Aoto, J., Martinelli, D.C., Malenka, R.C., Tabuchi,に限局した特異的スプライシングを制御することを

K., Sudhof, T.C., 2013. Presynaptic neurexin-3

明らかにした (Iijima et al., 2011 & 2014)。さらに、本alternative

課題においては、これら SAM68/SLM によるスプラ

postsynaptic AMPA receptor trafficking. Cell 154,

イシングプログラムの同定を、ノックアウト動物を75-88.

用いて網羅的なトラクスクリプトーム解析によって2.

splicing trans-synaptically controlsBoucard, A.A., Chubykin, A.A., Comoletti, D.,

明らかにしてきた。今回エキソンマイクロアレイのTaylor, P., Sudhof, T.C., 2005. A splice code for

使用によって SAM68/SLM の新規標的 RNA だけで

trans-synaptic cell adhesion mediated by binding ofなく、典型的なスプライシングパターン等を知るこ

neuroligin 1 to alpha- and beta-neurexins. Neuronとができた。今後これらの情報をもとに、神経系に48, 229-236.

おける選択的スプライシング制御がどのように高次の神経機能に寄与するのか知ることによって、より

3.

Chih, B., Gollan, L., Scheiffele, P., 2006.
Alternative

splicingcontrols

selectivetrans-synapticinteractionsof

神経接着因子の時空間的な選択的スプライシン

theグ制御」 BMB2015 (2015.12.01, 神戸)

neuroligin-neurexin complex. Neuron 51, 171-178.
4.

5.

Iijima, T., Wu, K., Witte, H., Hanno-Iijima, Y.,
Glatter, T., Richard, S., Scheiffele, P., 2011.

誌上発表

SAM68

1.

regulates

neuronal

activity-dependent

alternative splicing of neurexin-1. Cell 147,

Barbara Biemanns, Josef Bischofberger and Peter

1601-1614.

Scheiffele.

Iijima, T., Iijima, Y., Witte, H., Scheiffele, P., 2014.

Differentiation of Neocortical Neurons in Response

Neuronal cell type-specific alternative splicing isto Prenatal Valproate Exposure. Scientific Reports

regulated by the KH domain protein SLM1. The(2016, in press)

Journal of cell biology 204, 331-342.
6.

7.

Yoko Iijima, Katharina Behr, Takatoshi Iijima,

2.

Distinct

Defects

inSynaptic

Takatoshi Iijima, Chiharu Hidaka and Yoko Iijima.

Li, Q., Lee, J.A., and Black, D.L. (2007). Neuronal

Spatio-temporal regulations and functions ofregulation of alternative pre-mRNA splicing. Natneuronal alternative RNA splicing in developing andRev Neurosci. 8: 819-831.

adult brains. Neuroscience Research (2016, in press)

Licatalosi, D.D., Darnell, R.B., 2006. Splicing(T.I. is a corresponding author)

regulation in neurologic disease. Neuron 52,93-101.

3.

Yoko Hanno-Iijima, Masami Tanaka and Takatoshi
Iijima. Activity-dependent bidirectional regulation ofGAD isoform expression in a homeostatic fashion is研究の発表

mediated by BDNF-dependent and independent

口頭発表

pathways. PLoS ONE 10(8): e0134296 (2015) (T.I.

1.

飯島崇利 「神経系 RNA 結合タンパク質によるis a corresponding author)