脳発生における細胞内輸送機構が果たす役割の解明とその進化的意義の検討
The role of the intracellular transport in the brain development and evolution
The Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics

派遣期間
研究機関
研究指導者

難波 隆志
2014 年 4 月 1 日～2016 年 3 月 31 日
The Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics
Pfotenhauestr. 108, 01307 Dresden, Germany
Prof. Dr. Wieland B. Huttner

The evolutionary expansion of the mammalian brain, especially the neocortex, enables us to obtain thehigher cognitive abilities. One of the principle factors for the neocortical expansion in evolution is increasing
neurons followed by progenitor cell expansion. Recently, we have identified a human specific gene ARHGAP11B
which expresses higher in the neural progenitor cells in the developmental human neocortex. Ectopic expressionof ARHGAP11B in the embryonic mouse brain promotes progenitor cell proliferation. Although ARHGAP11B
has RhoGAP domain, ARHGAP11B did not show strong GAP activity for RhoA. This result suggests that thefunction of ARHGAP11B is independent from RhoA signaling. Therefore, it can be speculated that ARHGAP11B
has novel molecular function for progenitor cell expansion. To understand the novel molecular function of
ARHGAP11B, firstly we made various truncated mutants of ARHGAP11B and examined their effects on theprogenitor cell proliferation. Then we identified novel interacting partners that specifically bind to ARHGAP11B
through the region that has responsibility for the progenitor cell proliferation. Most of the identified proteins areinvolved in intracellular transport. Now we are analyzing the function of identified interacting partners ofARHGAP11B in neocortical development.

研究目的

が、AP はその細胞生物学的性質から限られた領域

我々の脳、特に大脳新皮質は進化の過程において（脳室面）でしか分裂することが出来ないので細胞顕著な変化を遂げてきた。神経細胞の数に着目する数の顕著な増加は困難である。しかし、BP はそのよと、ヒト大脳新皮質はマウス大脳新皮質に比べてうな細胞生物学的制約から自由であることから、そ1000 倍もの神経細胞を有していることが知られての細胞数を著しく増加させることが可能であり、進いる。このような神経細胞数の増加は主に 2 つの要化の過程で増加した神経細胞の主要な産生細胞であ因によって制御されていると考えられている。一つると考えられている。実際に、発達期マウス大脳新は神経細胞を産生する期間の延長であり、もう一つ皮質と比較すると、ヒトを含めた霊長類の発達期大は神経前駆細胞の多様化と神経前駆細胞数の増加で脳新皮質では非常に多くの BP が存在しており、まある。本研究では主に後者に着目した。

たその増殖能、多様性ともに高いことが知られてい胎生期大脳新皮質の神経前駆細胞は大別して 2 種る。BP の中でも特に basal radial glial cell (bRGC)と呼類存在する。脳室帯（ventricular zone; VZ）に存在し、ばれるタイプは発達期マウス大脳新皮質ではごくわ

核が脳室に面した状態で有糸分裂が起こる頂端側神ずかにしか存在しないのに対し、発達期ヒト大脳新経前駆細胞（apical progenitor; AP）と主に脳室下帯皮質では oSVZ (outer SVZ)に存在する BP の半数以上（subventricular zone; SVZ）に存在し、核が脳室からを占めていること、またそれらの細胞は高い細胞増離れた状態で有糸分裂が起こる基底側神経前駆細胞殖能を持つことが過去の研究より判明している。し（basal progenitor; BP）である。多数の神経細胞を生かしながら、ヒト bRGC がどのようなメカニズムでみ出すには神経前駆細胞の増加が必要になってくる

そのような高い増殖能を獲得し、その数を増加させているのかに関しては未解明の部分が多い。本研究

ン酸化を抑制しないことが明らかとなった。この結では、ヒト bRGC の特異性を形作る分子メカニズム

果は ARHGAP11A と異なり ARHGAP11B には RhoAを明らかにし、大脳新皮質の進化メカニズムの一端活性を抑制する分子機能が欠失していることを示しを解明することを目的とした。ている。これは部分的遺伝子重複の結果生じた GAP（GTPase-activating protein）ドメインの C 末領域欠研究経過損の為だと考えられる。

発達期のヒト大脳新皮質に存在する RGC に特異上記の結果より、ARHGAP11B が BP 細胞増殖を的な遺伝子を同定するため、我々はまずマウス及び促進するカニズムはコピー元の遺伝子機能から予測

ヒトの大脳新皮質より apical RGC (aRGC)、bRGC、されるものではなく、全く新規のメカニズムであるneuron を FACS を用いて分離・回収し、それらの細ことが示唆された。そこで ARHGAP11B の BP 細胞胞におけるトランスクリプトーム解析を行った。そ増 殖 促 進 に 重 要 な 領 域 の同 定 を 試 み た 。 複 数 のの結果ヒト神経細胞には発現しておらず、aRGC 及ARHGAP11B 変異体を作成し、子宮内電気穿孔法をび bRGC に特異的に発現しており、さらにマウスゲ用いて前述と同様な実験を行ったところ、BP 細胞増ノムには存在していない遺伝子としてヒト特異的遺殖を促進しない変異体を複数見出すことが出来た。

伝子 ARHGAP11B を同定した。ARHGAP11B は進化的続いて、それらの領域に未知の相互作用分子が結合に保存されている遺伝子 ARHGAP11A から４６０万することにより ARHGAP11B が BP 細胞増殖を促進年前に部分的な遺伝子重複の結果生じた。ヒト亜族している可能性を考え、新規相互作用分子の同定をとチンパンジー亜族の分岐は大凡 600 万年前と考え免疫沈降法および質量分析法により試みた。その結られているので、チンパンジーなどの霊長類には存果、多数の ARHGAP11B 結合分子を新たに同定する

在しないが、現生人類（Homo sapiens）やネアンデことが出来た。同定された相互作用分子の多くは細ルタール人（Homo neanderthalensis）などのヒト属に胞内分子輸送に関連していた。今後はそれらの相互のみ存在していることになる。実際にネアンデルタ作用分子と ARHGAP11B が結合することによってどール人とデニソワ人のゲノムには ARHGAP11B が存のような役割を神経発生・進化において担っている在していることが確認されている。のかを中心に解析してゆく予定である。

続いて ARHGAP11B の神経発生における影響を調べるために、子宮内電気穿孔法を用いて胎生期 13考察日目のマウス大脳新皮質に ARHGAP11B を導入した。

我々の脳の進化を単一の遺伝子、シグナル伝達系遺伝子導入 1 日後に対照群と比較すると、に結び付けるのはおおよそ現実的な考えではない。

ARHGAP11B 過剰発現群では有意に BP の細胞増殖

本研究課題のように一つの遺伝子発現に着目し、そが促進されていた。また、BP の形態を詳細に解析すの解析を行った場合、それは進化の過程で起こったると、通常のマウス SVZ に存在する多極性の細胞である限られた局面のみを明らかにしただけであるとはなく、一本の長い突起を持つ細胞の割合が増加しもいえる。しかしながら、本研究課題で明らかにしていることも判明した。この形態は発達期ヒト脳につつある ARHGAP11B の役割は予想以上に幅広い可

多く存在している bRGC と非常に良く似ていること

能 性 が 持 ち 上 が っ て き た。 本 研 究 で 同 定 さ れ たからも、ARHGAP11B 過剰発現はマウス神経前駆細ARHGAP11B 新規結合分子は非常に多岐にわたって胞の「ヒト化」を促進していることが示唆された。

おり、それらは細胞内の様々な分子輸送に関わってそれでは ARHGAP11B はどのような分子メカニズいることが知られている。現在我々は、ARHGAP11B

ムで神経前駆細胞の増殖を制御しているのであろう

は多種多様な細胞内分子輸送関連分子に影響を及ぼか ? ARHGAP11B の コ ピ ー 元 の 遺 伝 子 で あ る

すことで、複数のシグナル伝達系のハブとしての役

ARHGAP11A は低分子量 G 蛋白質 RhoA の活性を抑割を担っているという可能性を考えている。

制することが知られている。そこで ARHGAP11B の一般的に遺伝子重複によって生まれた遺伝子は選RhoA 活性に与える影響を RhoA のエフェクターで択圧から解放され、コピー元の遺伝子機能にとらわある Rho キナーゼの基質 MYPT1 のリン酸化を指標れる必要がないと考えられている。本研究においてにして調べたところ、ARHGAP11B は MYPT1 のリ同定した ARHGAP11B はその典型例であるともいえる。大元の RhoAGAP という比較的限られた機能を失った代わりに、多様な細胞内分子輸送経路を制御しうる構造を持つに至ったという事実は、ARHGAP11B が今後さらに研究を進めてゆくべき分子であることを強く示唆するものである。今後はARHGAP11B がどのように細胞内輸送に影響を及ぼし、脳発生・進化を制御しているのかについて、網羅的に解析してゆく予定である。
研究の発表
口頭発表
誌上発表
1.

Florio M, Albert M*, Taverna E*, Namba T*,Brandl H, Lewitus E, HaffnerC, Sykes A, Wong FK,
Peters J, Guhr E, Klemroth S, Prüfer K, Kelso J,
Naumann R, Nüsslein I, Dahl A, Lachmann R,Pääbo S and Huttner WB. Human-specific gene
ARHGAP11B

promotesbasal

progenitor

amplification and neocortex expansion. Science
347:1465-1470, 2015. (*equally contributed)
2.

Florio M, Namba T, Long K. The tortuous routes of
migrating neurons in the folding neocortex. JNeurosci. 36:3887-3889, 201