成熟脳におけるシナプス改変・維持過程を担う新しい分子機構
A Novel Mechanism Reconstructing and Maintaining Mature Neural Networks.
（日本生理学会推薦）

代表研究者

慶應義塾大学掛川 渉

Keio University School of Medicine

Wataru KAKEGAWA

協同研究者

慶應義塾大学

柚﨑 通介

Keio University School of Medicine

Michisuke YUZAKI

慶應義塾大学三浦

Keio University School of Medicine

Eriko MIURA

会里子

Neuronal circuits are continually refined throughout life by repeating synapse formation and elimination. The C1q
family proteins, which are characterized by a conserved global C1q domain, are reportedly expressed in various brain
regions and they regulate synapse formation, elimination and maintenance (Yuzaki, Curr Opin Neurobiol, '17; Stephanet al., Annu Rev Neurosci, '12). Among them, C1q-like protein 1 (C1qL1), a novel C1q-familiy protein, is selectively
expressed at cerebellar climbing fiber (CF)-Purkinje cell synapses (CF synapses) and it’s essential for CF synapse
formation and strengthening during development (Kakegawa et al., Neuron, '15). Although C1qL1 is still abundantly
expressed at CF synapses in adulthood, it remains unclear whether and how C1qL1 works in mature cerebellum. To
address this issue, we first introduced recombinant C1qL1 into CF synapses in adult C1qL1-KO mice. Interestingly,
exogenous C1qL1 completely rescued synaptic abnormalities observed in C1qL1-KO mice; retracted CF territories,
impaired CF synaptic transmission, abrogated synaptic plasticity and impaired motor learning. Furthermore,
microRNA-mediated C1qL1 deletion in adult WT mice induced C1qL1-KO mouse-like abnormalities, which wererestored by microRNA-resistance form of C1qL1. These results demonstrated that C1qL1 is essential for the CF synapse
maturation and maintenance throughout life. Because C1qL subfamily (C1qL1-4) is widely expressed at excitatory
synapses in various brain regions, it may contribute to general mechanisms for synaptic integrity in the CNS.

研究目的

ァミリー分子が注目されている。例えば、補体 C1q

超高齢社会を迎えた我が国において、認知症や加は正常発達や加齢、そして病的過程でのシナプス除齢に伴う記憶障害への対応は、喫緊の課題の１つで去 (刈り込み) にかかわることが報告されているある。記憶は脳内の神経細胞どうしをつなぐ「シナ(Stephan et al., Annu Rev Neurosci, '12)。また、私たちプス」に蓄積されると考えられているが、幼少期には、遺伝子欠損マウスの解析により、C1q ファミリ

いったん構築されたシナプス回路は、成熟期になっーに属する Cbln1 が、運動記憶を担う小脳の平行線ても尚、環境に応じてダイナミックに改変されるこ維－プルキンエ細胞間シナプス (平行線維シナプとが最近になって分かってきた。そのため、成熟脳

ス; Fig. 1) の形成と機能に関わることを報告したにおけるシナプスが、どのような分子メカニズムを(Matsuda et al., Science, '10; Hirai et al., Nat Neurosci,

介して改変され、そして、維持されるのかを明らか'05)。Cbln1 は、シナプス後部に発現するデルタ２型にすることは、学術面ばかりでなく臨床面においてグルタミン酸受容体 (GluD2) およびシナプス前部もきわめて重要な課題であり、社会的な要請に応えに発現する接着分子 Neurexin と３者複合体を構築するものである。

ることでシナプス形成を誘導する免疫関連分子であ

近年、シナプスを制御する分子として、免疫系をることから、これまでに報告のないまったく新しいささえる補体 C1q やその機能ドメインを持つ C1q フ

タイプの分泌性シナプス形成因子 (シナプスオーガ(Fig．1) Two major excitatory synaptic inputs to cerebellar Purkinje cells: parallel fiber synapse (PF synapse; blue)and climbing fiber synapse (CF synapse; green) and C1q-family molecules regulating cerebellar synapse integrity
and motor learning (Cbln1 and C1qL1). Cbln1 is released from PF terminals to make these synapses. C1qL1,
which is released from CF terminals, is essential for CF synaptic competition and strengthening during
development. In this study, we examined the functional roles of C1qL1 in mature cerebellum.
ナイザー) として、現在精力的に研究されている因子 3 (brain-specific angiogenesis inhibitor 3; 以下、(Yuzaki, Curr Opin Neurobiol, '17, '11; Yuzaki andBAI3 と略す) と選択的に結合することも明らかに

Aricescu, Trends Neurosci, '17; Martinelli and Südhof,

した。これらの結果は、C1qL1-BAI3 結合を介するシEur J Neurosci, '11; Fig. 1)。

グナリングが、登上線維シナプスの成熟化および機プルキンエ細胞は、平行線維に加えて、延髄下オリーブ核から投射する登上線維により強い興奮性入能に重要な役割を果たしていることを示唆している(Kakegawa et al., Neuron, '15)。

力を受ける (登上線維シナプス; Figure 1)。登上線維

上記の通り、Cbln1 や C1qL1 といった C1q ファミ

は、運動学習時のエラー信号を、教師信号としてプリー分子が脳内シナプスの形成や機能制御に重要でルキンエ細胞に送ることで、小脳依存性運動記憶・あることは、私たちの研究を含め多くのグループに学習の獲得に必須な役割を果たすと考えられている

よって支持されつつあるが、いったん神経回路が形(Ito, Physical Rev, '01)。興味深いことに、私たちは最成された成熟脳でのシナプス改変・維持過程におい近、Cbln1 と同じ C1q ファミリーに属する C1q 様分て、C1q ファミリー分子がどのように関与している

子 1 (C1q-Like protein 1; 以下、C1qL1 と略す) が、かについては、これまで行ってきた生まれつき遺伝登上線維の起始核である延髄下オリーブ核に選択的子を欠く遺伝子欠損動物の解析では不明である。そに発現し、登上線維終末から分泌されることで、同

こで本計画では、C1qL1 分子が成熟期における登上シナプスを成熟化させ、運動記憶を制御することを線維シナプス機能および運動記憶学習をどのように明らかにした (Kakegawa et al., Neuron, '15; Fig. 1)。さ制御しているかを解析し、その結果をもとに、C1qらに私たちは、登上線維終末から放出される C1qL1ファミリー分子の普遍的かつ新しい動作原理の理解がプルキンエ細胞に発現する脳特異的血管新生抑制を深めることにした。

イ ニン 酸型 グル タミ ン酸受 容体 の局 在様 式を 調
研究経過

節 し、 シナ プス 機能 を制御 して いる こと を明 ら

ま ず 、 成 熟 期 小 脳 の CF シ ナ プ ス に お け る

か にし た (Matsuda et al., Neuron, '16)。ま た、C1qL

C1qL1 の 重 要 性を 調べ るた め、成 熟 C1qL1 欠損

サ ブ フ ァ ミリ ー は 、 Cbln1 と 同 様 に、 シ ナ プス

マ ウ ス の 登 上 線 維 シ ナ プ ス に 外 来 性 C1qL1 を前 部 に お い て Neurexin と 結 合 し う る こ と も in

導 入し た。 その 結果 、生後 発達 期に 刈り 込ま れvitro 実 験 に よ り 示 さ れ て い る (Matsuda et al.,な かっ た過 剰な 登上 線維が 、成 熟期 にお いて もNeuron, '16)。 し た が っ て 、 平 行 線 維 シ ナ プ ス に刈 り込 まれ 、最 終的 に１つ のプ ルキ ンエ 細胞 にお ける Neurexin-Cbln1-GluD2 複 合 体と 同様 、登１ 本の 登上 線維 線維 が投射 する 、成 熟し た野 生

上 線維 シナ プス にお いても C1qL1 が BAI3 お よ型 マウ スに 特徴 的な 、いわ ゆる “１ 本支 配” のび Neurexin と ３ 者 複 合体を 構築 し、 機能 を制 御投 射様 式を 示し た 。また 、C1qL1 の 発 現に 伴い 、し てい る可 能性 が推 察され る。 今後 、こ れら の１ 本の 強い 登上 線維 はより 強化 され 、シ ナプ ス

分 子群 が各 脳領 域に おける 機能 的神 経回 路の 形

応 答も 増大 した 。す ると、 C1qL1 欠 損マ ウス で成 にど のよ うに 関与 してい るか につ いて より 詳

観 察さ れた シナ プス 可塑性 障害 や運 動記 憶・ 学

細 に明 らか にし てい きたい 。

習 異常 もほ ぼ完 全に 回復す るこ とが 分か った 。
次 に、 成熟 期野 生型 マウス に発 現す る内 在性

参考文献

C1qL1 を 、 RNA 干 渉 法 を 用い て急 性除 去し た。

1.

Hirai et al., Nat Neurosci, '05

レ ン チ ウ ィ ル ス ベ ク タ ー を 駆 使 し C1qL1 除 去

2.

Ito, Physical Rev, '01

用 microRNA を 登 上 線 維起 始核 ニュ ーロ ンで あ

3.

Kakegawa et al., Neuron, '15

る 下オ リー ブ核 細胞 に発現 させ ると 、感 染細 胞

4.

Martinelli and Südhof, Eur J Neurosci, '11に おい て、きわ めて 効率よ く C1qL1 発現 を抑 え

5.

Matsuda et al., Neuron, '16

る こと がで きた 。次 に、C1qL1 を 急 性 除去 した

6.

Matsuda et al., Science, '10

細 胞か らの 登上 線維 投射様 式を 形態 学お よび 電

7.

Stephan et al., Annu Rev Neurosci, '12

気 生理 学的 に観 察し たとこ ろ、 C1qL1 が 除去 さ

8.

Yuzaki, Curr Opin Neurobiol, '17

れ た登 上線 維で は、 発達期 にい った ん形 成さ れ9.

Yuzaki, Curr Opin Neurobiol, '11

た シナ プス がは ずれ 、同時 に同 線維 の退 縮も 認

10. Yuzaki and Aricescu, Trends Neurosci, '17

め られ た。 また 、 C1qL1 が 急性 除去 され たマ ウス では 、シ ナプ ス可 塑性に 加え 、運 動記 憶・ 学研究の発表

習 が著 しく 障害 され た。さ らに 、 C1qL1 除去 さ

口頭発表

れ た細 胞 に microRNA 耐 性 を有 す る C1qL1 を 発

1. 掛川渉, 柚﨑

通介：D-セリン―デルタ受容

現 させ ると 、その 表現 型が 改善 され たの に対 し、体シグナリングを介する新規グリア―ニューロ

BAI3 と の 結合 能を 欠いた 変異 型 C1qL1 を発 現ン相互作用の解明. 文科省科学研究費補助金新さ せた 場合 、表現 型の 回復 は認 めら れな かっ た。

学術領域 (グリアアセンブリ) 班会議 (東京)2016 年 1 月.

考察

2. Kakegawa W ： A novel D-serine signaling for以 上の 所見 から 、登 上線維 シナ プス は成 熟期

synaptic plasticity and motor learning. 文科省科学に おい ても ダイ ナミ ックに 改変 され 、そ の過 程

研究費補助金新学術領域 (記憶ダイナミズム)に おい て C1qL1-BAI3 相 互 作用 が重 要な 役割 を班会議 (静岡) 2016 年 6 月.

担 っ て い る こ と が 示 唆 さ れ た (論 文 投 稿 準 備

3. 掛川

渉：シナプス分子群がもたらす運動記憶中 )。興味深いことに、C1qL1 の 類 似分 子 (C1qL2,ダイナミズムの解明. 次世代脳プロジェクト・若C1qL3) は 、 小 脳 以 外 の 脳 領 域 に 広 く 発 現 し て手シンポジウム (東京) 2016 年 12 月.

い る。 興味 深い こと に、私 たち は近 年、 海馬 顆

4. 鈴木 邦道，掛川 渉，三浦 会里子，エレグハー

粒 細 胞 ― CA3 シ ナ プ ス に 限 局 し て 発 現 す るト ジョナサン，クレイトン アンバー，アリセC1qL2 お よ び C1qL3 が 同シ ナプ スに 発現 する カク エイ ラドゥー，柚﨑 通介：新しいデザイナ

(2016) 34:3181-3184.

ーシナプスコネクターを用いたシナプス形成・可塑性の制御. 第 94 回日本生理学会大会 (静岡)6.

2017 年 3 月.

掛川 渉, 柚﨑 通介：「強きをたすけ弱きをく

グナリング. 実験医学

7.

通介：GRAPHIC HOT PRESS渉, 柚﨑

Metabolism, and Application. Springer Books(2016).
8.

Matsuda K, Budisantoso T, Mitakidis N, Sugaya Y,
Miura E, Kakegawa W, Yamasaki M, Konno K,Uchigashima M, Abe M, Watanabe I, Kano M,
Watanabe M, Sakimura K, Aricescu AR, Yuzaki M:
Trans-synaptic modulation of kainate receptor
functions by C1q-like proteins. Neuron (2016)
Elegheert J, Kakegawa W, Clay JE, Shanks N,Behiels E, Matsuda K, Kohda K, Miura E,
Rossmann M, Mitakidis N, Motohashi J, Chang VT,
Siebold C, Greger IH, Nakagawa T, Yuzaki M,Aricescu AR: Structural basis for integration ofGluD receptors within synaptic organizer complexes.
Science (2016) 353:295-299.

5.

掛川渉, 柚﨑and Cerebellar Disorders. Springer Books (2016).
9.

Wakayama S, Kiyonaka S, Arai I, Kakegawa W,Matsuda S, Ibata K, Nemoto YL, Kusumi A, Yuzaki
M, Hamachi I: Chemical labelling for visualizing
native AMPA receptors in live neurons. Nature
Communications (2017) 8:14850 (open access).

10. 河野まや, 掛川渉, 柚﨑

通介：中枢神経の可塑性とは. 特集―ニューロリハビリテーショ

90:752-767.
4.

Kohda K, Kakegawa W, Yuzaki M: Long-term
depression (LTD). From Essentials of Cerebellum

新しい分子. 細胞工学 (学研メディカル秀潤社)(2015) 34:692-693.

Kakegawa W, Yuzaki M: Physiological functions ofthe cerebellum. From D-Amino Acids: Physiology,( 羊 土 社 ) (2015)－C1ql1: 脳内シナプスの形態と機能を制御する

3.

通介：「補体ファD-serine mediated through δ2 glutamate receptors in33:1777-1780.
掛川恵子, 柚﨑

Review 神経 2016 (中外医学社) (2016) 35-43.

じく」－シナプス刈り込みを担う新規 C1ql1 シ

2.

渉, 松田

ミ リー分子 」とシナ プス形 成・維持 . Annual

誌上発表
1.

掛川

通介：Current Topics－シナプスに架かる記憶への架け橋：Neurexin－Cbln1－GluD2 三 者 複 合 体 構 造 . 実 験 医 学 ( 羊 土 社 )ンの進歩より Clinical Neuroscience (中外医学社)
35: 523-527.
11. 松田恵子, 掛川渉, 柚﨑通介：脳神経機能における素過程・構造をコントロールする分子群－１７章 中枢神経系における分泌型シナプ
ス形成因子. 脳の分子論 (東京化学同人社) 印
刷中.