特集

カルパインプロジェクトの研究内容紹介―カルパインからタンパク質へのメッセージ
CONTENTS◆特集……………………………………………………… 1
・カルパインプロジェクトの研究内容紹介―カルパインからタンパク質へのメッセージ◆Topics……………………………………………………… 4
・ヒトの前頭葉「運動前野」は複数の領域が役割分担することで目的達成のための行動を実現させている・思春期児童における低筋力と精神病症状の関連における終末糖化産物の意義
・神経変性疾患患者脳に蓄積する異常型タウ、αシヌクレ
イン及び TDP-43 の構造学的、生化学的分類◆開催報告………………………………………………… 7・2022年度 第2回 都医学研都民講座
・2022年度 第3回 都医学研都民講座

Oct. 2022

No.047◆編集後記………………………………………………… 8

カルパインプロジェクトの研究内容紹介―カルパインからタンパク質へのメッセージ
カルパインが発現する細胞や組織の種類（骨格筋、神経、皮膚など）

プロジェクトリーダー

によって様々な疾患への関与が報告されています（表 1）。

小野 弥子

またカルパインの遺伝子変異が疾患の原因となることも明らかになり、疾患との関係性を中心に、カルパインが身体の中で果たしている役割が注目されて、現在まで約 60 年以上に渡って世界の様々な研究室でカルパイン研究が展開されてきています。
環境の変化が起きると細胞はタンパク質の働きを調節して速やかに対応します。そんな時、カルパインというタンパク質はどのように振る舞い、その結果として何が起こるのでしょうか？私達のプロジェクトでは、カルパインが働タンパク質に働きかけるプロテアーゼ

きかけるべき（＝分解する）タンパク質を選別する仕組み

ヒトの身体を作り上げている数十兆の細胞の中では、常と、相手型タンパク質の働きが分解によってどのように変にタンパク質が作られて分解される「タンパク質代謝」と化するのか（図 2）に注目しています。これらを手がかりに、いう現象が起きています。
これは細胞がパンクしないため、カルパインから他のタンパク質（すなわち、基質タンパクまた個体レベルでの健康維持のために非常に重要です。こ質）への働きかけが健康な状態へとつながる仕組みを理解の時、タンパク質を分解する役割を担うのはこれまたタンし、また、もし、そこから外れてしまった場合にはどのよパク質で、これらは “ プロテアーゼ ” と呼ばれます。

うに対処できるのか、を解明することを目指しています。

カルパインはそのようなプロテアーゼの一種としてタンパク質に働きかける（自身も）タンパク質です（文献 1）。

カルパインとしてのルール

ヒトには全体で 15 種類のカルパインが存在しており、プカルパインにはカルシウム（Ca2+）との結合により活性ロテアーゼドメインと様々な機能調節ドメインから構成さ化するという性質があります（図 2）。そして、細胞の外れています（図 1）。多くのカルパインについて、それら側における状況変化を伝える手段の１つとして、細胞内の都医学研 NEWS Oct. 2022 No.047

1カルシウム濃度が変動するという現象があります。その変カルパインがきちんと働かないと困る…

化を受けて、カルパインが相手方のタンパク質に対して様々な疾患において細胞内のカルシウム濃度が上昇する「今、こんな状況です」→「一緒に状況に対応しましょう！」

ことがあります。その場合、カルパインは過剰に働いてし→「まずは、ここを分解します」と働きかけるイメージが、まうため、カルパインの働きを抑える阻害剤は、細胞内全様々な状況で想定され、実験結果とともに定着してきてい体に対して「落ち着こう！」というメッセージを送れるとます。

考えられます。この目的はカルパインに直接結合しない分近年、このステップにカルシウム濃度以外の要素が加わ子によっても実現することが可能です。近年、カルパインることによって、カルパインの中で様々な役割分担が存在が直接のターゲットではないけども抑制されている、といするのではないかということが徐々に明らかになってきまう状況を引き起こす分子が複数同定されており、カルパイした。例えば、カルパイン 1 と 2 は非常に類似の構造を持ンが活性化する場面全体を調節するメカニズムが注目されちますが、活性化に必要なカルシウム濃度が 100 倍違いまています（文献 7）。

す。この２種類のカルパインは、カルパインファミリー全

逆にカルパインの働きが悪かったり、機能しなかったり体においてはサブユニット CAPNS1 を共有する例外的なするために発生した疾患については、カルパインの機能を分子です（図 1）。それぞれの機能の違いは “ ジキルとハ補ったり修復するアプローチが必要です。それぞれ対象とイド ” と称される場合もあります（文献 2）。私達は、そなるカルパインの機能や性質を活用すべく、様々な取り組のメカニズムの１つとして、カルパイン 1 と 2 が微妙な基みが並行して行われています。

質特異性の違いを示すこと、また、それぞれが活性化した後の寿命が異なることによって機能の違いを果たしている可能性を見出しました（文献 3）。

限定的に分解するプロテアーゼであればこそプロテアーゼとしてタンパク質を分解するカルパイン活性化したカルパインが、実際にはどのような形で機能が、どうして相手側のタンパク質に働きかけることができしているのか？についても現在色々な知見が集まりつつあるのか？理由の一つは分解の仕方が「限定的」であるからります。例えば、カルパイン同士が複合体を形成したり、だと考えられています。カルパインは細胞内のタンパク質プロテアーゼドメイン単体が切り出されたりすることにを分解しますが、何らかのルールの下、限定的にこの位置よって活性を示す可能性も示唆されています（文献 4,5,6）。と決めて切っているようです。そのルールは複雑で、例え

図１

カルパインは、PC1 及び PC2 から構成されるプロテアーゼドメインの前後に様々な機能調節ドメインを持つ。また、カルパイン 1 と 2 には機能調節サブユニットが存在する。

2

カルパインプロジェクトの研究内容紹介
ばこのアミノ酸配列で切る、というようには決められてい参考文献

ませんが、ある程度はコンピューターの力を借りて予測可

１．秦勝志 他 . 医学のあゆみ (2018) 267 (13) 1003-1008.

能であると考えられます（文献 8）。予測結果と実験結果

２．Buadry, M. (2019) Curr Neuropharmacol. 17 (9) 823-829. doi: 10.2
174/1570159X17666190228112451

を合わせると、カルパインが基質タンパク質の構造を変化させることで、タンパク質のもつ機能を活性化させたり、あるいは抑制したり、とタンパク質の働きを調節する役割を持っていることが示唆されます。その際、細胞内でカルパインが分解・機能修飾すべき相手方タンパク質の近くに移動するメカニズムが、さらにカルパインの限定的な振る舞いを支えていることも指摘されています。カルパインは生物の進化の過程において広く長く保存されて来ました。
基質となるタンパク質とカルパインの関係性、それを取り巻く細胞内の環境がどのように変遷してきたのか、ということも、今後明らかになることが期待されます。

３．Shinkai-Ouchi, F. et al. (2020) Biosci Rep. 40 (11) BSR20200552.
doi: 10.1042/BSR20200552
４．Hata, S. et al. (2016) J Biol Chem. 291 (53) 27313-27322. doi:
10.1074/jbc.M116.763912
５．Hata, S. et al. (2020) Biochim Biophys Acta Protein Proteom.
1868 (7) 140411. doi: 10.1016/j.bbapap.2020.140411
６．Gal, J. et al. (2022) Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 1869 (9) :119298. doi: 10.1016/j.bbamcr.2022.119298
７．Weber, JJ. Et al. (2019) Biochem Pharmacol. 168 :305-318. doi:
10.1016/j.bcp.2019.07.002
８．Shinkai-Ouchi, F. Et al. (2016) Mol Cell Proteom. 15 (4) 12621280. doi: 10.1074/mcp.M115.053413

おわりに
都医学研ではマウスや細胞のモデル系を用いてカルパインがタンパク質を分解することと細胞や個体の機能との関係に注目したカルパイン研究を実施しています。今後、カルパインの機能異常が関わる疾患に有用な知見を得ることを目指し、カルパイン研究を次の段階へと進めて行きたいと思います。

表1

図2（＊カルパイン自体の遺伝子変異が関与するものをカルパイノパチーと称する。
）

ンパク質の多くは、複数のドメイン構造を持つ。正しく認識され、正しい位置で分解されると、ヒトのカルパインについて、様々な疾患病態への関与が報告されている。

カルパインはカルシウム (Ca2+) との結合により活性化する。カルパインが分解すべき基質タ細胞の機能が調節される。
（ドメイン：機能に大切な構造の単位のこと。図は 3 つのドメインを持つ例。
）

都医学研 NEWS Oct. 2022 No.047

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Topics
ヒトの前頭葉
「運動前野」
は複数の領域が役割分担することで目的達成のための行動を実現させている
脳機能再建プロジェクト 主席研究員

中山 義久

ヒトは目的を達成するために行為を選択し実行しています。

実験の結果、行動目的の決定過程、行動目的から行為へ変換

例えばドアを開けるという行動の目的を達成するためには、ドする過程、行為の準備過程の各ステップにおいて、いずれも運アの種類やドアの状況に応じて「右に動かす」「左に動かす」「ド動前野の領域が活動することがわかりました。さらに、運動前アノブを回す」などの行為を行う必要があります（図１Ａ）。前野の中において、それぞれのステップで活動する領域が異なる

頭葉の高次運動野がこのような目的に基づいた行為を選択することもわかりました。行動目的の決定には運動前野の前方の下行動に関わることが、これまでの臨床研究や動物実験によって部、行動目的から行為へ変換する過程には前方の上部が活動し、示唆されています。この一連の行動を計画する過程には、目的行為の準備には運動前野の後方部から運動野（一次運動野）にを決め、その目的に基づいて行為を選び、その行為を準備するまたがる領域が活動していました（図２）。この結果は、行動計といった複数のステップがありますが、高次運動野がそれぞれ画の複数のステップそれぞれに対応するメカニズムが脳内に実のステップにどのように関与するかは明らかにされていません

現されており、運動前野内の異なる部位が行動の計画過程でのでした。

それぞれ異なるステップの処理を担うことを示唆しています。

今回私たちの研究グループでは、行動の目的と行為を切り分高齢ドライバーがアクセルとブレーキを踏み間違える事故がける行動課題を作成し（図１Ｂ）、目的に基づいた行為を選択す

しばしば問題になりますが、この事故は行為の目的は理解してる過程への高次運動野の「運動前野」の関与を、ヒトを対象にいるものの、それを正しく行為として表現することができなくなる現象であると考えられます。複数の行動計画のステップが脳のレベルで分かれて表現されていることを示唆する今回の結分けることができます。それぞれのステップの背景にある脳の果は、この「わかっているのにできない」現象を理解するため機能的役割を明らかにするため、この行動課題を行っている被の重要な手がかりになることが期待されます。今回の研究で見験者の脳活動を、超高磁場（７テスラ）磁気共鳴装置を利用し出された運動前野の役割分担の視点を発展させることで、認知た機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を用いて測定する実験を行い症や高次脳機能障害の病態理解や新たなリハビリテーション法ました。の開発に繋がることが期待されます。

図１ 行動目的に基づく行為の例と行動課題

図２ 行動の計画過程と活動が見られた脳領域

Topics調べる研究を実施しました。目的と行為を時間的に分離することで、目的を達成する行動の準備過程の複数のステップを切りA : 行動の目的と行為の関係。目的と行為は必ずしも一対一に対応しない。

B : 実験で用いた行動課題。行動目的に基づいて、手元のレバーを用いて行為を実行する。

4

思春期児童における低筋力と精神病症状の関連における終末糖化産物の意義
鈴木 一浩
統合失調症プロジェクトリーダー 新井 誠



統合失調症プロジェクト 協力研究員


古くから統合失調症患者さんには、やせ型、低筋力が多いこタを用いて検討を行い、この仮説によって十分に説明可能な因とが報告されています［1］。これまでの大規模なコホート研究

果関係が存在しているようだということがわかりました（図）。

でも、10 代後半の低筋力がその後の精神疾患発症のリスクであ

これまでに低筋力と統合失調症との関連について多くの報告がることが報告されています。しかし、その背景にあるメカニズありますが、今回の研究により、そのメカニズムとして AGEsムは、はっきりとわかっていませんでした。私達はこれまでにが関与している可能性があると考えられます。AGEs の上昇を統合失調症の病態に AGEs［2］が関与する可能性を明らかに防ぐための適切な運動や適切な栄養摂取は、予防策の一つとししています。そこで今回、私たちは低筋力が AGEs の上昇を引て重要になるのかもしれません。思春期はストレスが増大するき起こし、それが精神病症状を生じさせるのではないかと着想

ライフステージであり、統合失調症の好発年齢です。出来る限し研究を行いました。本研究は東京ティーンコホートの参加者

り早期に気づいて適切な対処法をともに考えることが大切です。

3,171 名の思春期児童のうち、12 歳と 14 歳時に尿検体を提供

思春期から、低筋力や AGEs の値について注意深く様子を見守していただいた 1,542 名の思春期児童を対象に研究を行いましることも意義があると考えられます。

た。12 歳と 14 歳時において、筋力として握力を、AGEs として早朝第一尿中のペントシジン値を測定しました。縦断的な解析の結果から、低筋力が続くことにより AGEs が上昇するということがわかりました。そこで、12 歳時の低筋力が 13 歳時のAGEs 上昇を介して、14 歳時の思考障害を引き起こすのではな［1］クレッチマー（1888 ～ 1964）は、著書において体型と気質の関連を報告し、細長型において統合失調症になじみのある気質が多いことを報告した。これは抗精神病薬などの薬剤が開発される前の観察結果であり、この関連性は薬剤による影響を受けていないと考えられる。
［2］タンパク質と糖が反応して産生される終末糖化産物の総称。老化や糖尿病等さまざまな疾患との関連が指摘されている。

いかという仮説について、
256 名の思春期児童を対象としたデー

12歳 思考障害

13歳 思考障害

12歳 尿中ペントシジン

13歳 尿中ペントシジン

12歳 握⼒性別

14歳 思考障害

握⼒は両⼿の平均値を⽤いた。尿サンプルは早朝第⼀尿を使⽤した。思考障害は親による⼦供の⾏動チェックリストを⽤いて測定した（実線はp＜0.05、点線はp≧0.05を⽰す）。
12歳の低筋⼒は13歳のAGEs上昇を介して、 14歳の思考障害と関連する可能性を⽰している。

図: 12歳握⼒、 13歳AGEsと14歳思考障害の縦断関係

図 12 歳握⼒、13 歳 AGEs と 14 歳思考障害の縦断関係

都医学研 NEWS Oct. 2022 No.047

5Topics
神経変性疾患患者脳に蓄積する異常型タウ、αシヌクレイン及びTDP-43の構造学的、生化学的分類
樽谷 愛理
認知症プロジェクトリーダー 長谷川 成人

認知症プロジェクト 客員研究員



異常型に構造変化したタンパク質の細胞内蓄積及びその脳内ンパク質の折りたたみ構造が明らかとなり、構造情報を基にし拡大は、多くの神経変性疾患の神経病理学的特徴です。アルツた疾患分類も示されました。そこで我々は、タウオパチー、シハイマー病やピック病ではタウ、パーキンソン病やレビー小体

ヌクレイノパチー及び TDP-43 プロテイノパチー患者脳に蓄積型認知症ではαシヌクレイン、筋萎縮性側索硬化症では TDP-する異常型タンパク質の構造学的、生化学的分類について解説

43 が病理を構成するタンパク質として同定されています。また、しました。さらに、神経変性疾患患者脳に蓄積する異常型タン

これらのタンパク質が蓄積する疾患群は、それぞれタウオパ

パク質は、自身を鋳型に増幅し、細胞間を伝播することが実験

チー、シヌクレイノパチー、TDP-43 プロテイノパチーと総称的に証明されています。この実験的伝播において、患者脳由来され、各プロテイノパチー内では多様な病理像が観察されます。

異常型タンパク質の構造学的、生化学的性質が引き継がれるこ

患者脳に蓄積する異常型タンパク質は、アミロイド様の線維構とは、異常型タンパク質の構造情報が病理形成だけでなく、そ造をとり、リン酸化やユビキチン化等の様々な翻訳後修飾を受の脳内拡大においても決定的な意味をもつことを示します。我々けています。興味深いことに、同一プロテイノパチー内におけは、神経変性疾患における構造多型形成の意義やその形成に関る異常型タンパク質の構造学的、生化学的性質は、疾患ごとに与する遺伝的、環境的要因についても議論しました。本総説で異なりますが、同疾患群では共通です。これは、一つの病因タ示される主要な神経変性疾患の構造学的、生化学的分類は、神ンパク質から異なる高次構造を呈する異常型、すなわち構造多経変性疾患の早期治療、診断を可能にする疾患修飾薬や抗体療型が形成されることを示唆します。最近では、クライオ電子顕法、分子プローブの開発に貢献することが期待されます。

微鏡を用いた単粒子解析により、患者脳から抽出した異常型タ神経変性疾患患者脳に蓄積する異常型タンパク質の構造学的特徴
アルツハイマー病

進行性核上性麻痺

ピック病

大脳皮質基底核変性症

多系統萎縮症

筋萎縮側索硬化症

αシヌクレインTDP-43特徴病変

病理構成タンパク質

タウ

線維形態

Topics

折りたたみ構造

図 神経変性疾患患者脳に蓄積する異常型タンパク質の構造学的特徴

6開催報告2022年度 第2回 都医学研都民講座 （2022年6月20日 開催）「マススクリーニングが変える脊髄性筋萎縮症の未来」
こどもの脳プロジェクトリーダー

佐久間 啓

今回の都民講座では、小児の難治性神経疾患に対する新生児前に治療を開始したことによって元気に成長していく姿がビデ

マススクリーニングの試みについて取り上げさせていただきま

オで紹介され、講演の中でも最も印象的なシーンだったと思いした。最初に東京女子医科大学の齋藤加代子先生が、病気の概ます。脊髄性筋萎縮症の診療をライフワークとされてきた齋藤要と治療法について説明されました。脊髄性筋萎縮症は脊髄の先生の熱い思いが、『新生児マススクリーニングが必要です』と運動神経細胞が変性して失われていくために筋力が次第に低下いうタイトルに表されていると感じました。

し、小児期に発症する重症型では呼吸筋の筋力低下により人工続いて東京医科歯科大学の水野朋子先生より、日本における呼吸器を使用しなければ生存できないという大変重い病気です。

脊髄性筋萎縮症の新生児マススクリーニングの現状についてお

かつては治療法がない不治の病でしたが、近年画期的な新薬が話がありました。マススクリーニングの実施方法から問題点に次々に開発され「治せる病気」になりました。具体的には核酸至るまでとてもわかりやすく解説していただきました。このマ医薬品や遺伝子治療薬品を用いて運動神経細胞の変性の原因でススクリーニングが一部の都道府県では開始されているというある遺伝子の異常を修正するのですが、筋力低下が進行してしことでしたが、全国的に統一された制度の下で行われているわ

まった場合はこれらの治療薬をもってしても改善は見込めませけではありません。全ての患者さんが治療薬の恩恵を受けるこん。そこでできるだけ早期に病気を発見して、症状が出現するとができるように、新生児マススクリーニングの体制を整備す

前に治療を開始することを目的として、生まれたばかりの赤ちゃるとともに、国民のみなさんにもその重要性を理解していただんの血液を検査して脊髄性筋萎縮症を診断する試み（新生児マく必要があります。

ススクリーニング）が我が国でも始まっています。治療薬がな
ければ重い障害を残す可能性が高かった患者さんが、発症する参加された皆様からは医学的な内容に踏み込んだ専門的な質問も寄せられ、この問題に対する関心の高さが伺われました。

東京女子医科大学 齋藤先生

開催報告

佐久間プロジェクトリーダー

都医学研 NEWS Oct. 2022 No.047

7

開催報告
2022年度 第3回 都医学研都民講座 （2022年7月22日 開催）「ワクチン開発の過去・現在・未来」
感染制御プロジェクトリーダー

安井 文彦

7 月 22 日（金曜日）、「ワクチン開発の過去・現在・未来」

チンのサイエンス；分子から倫理まで」と題してオンラインでと題して、東京大学医科学研究所教授の石井健先生を講師におお話しいただきました。新型コロナウイルスのワクチン開発で迎えして 2022 年度第 3 回都医学研都民講座をハイブリッド方

一躍注目を浴びた mRNA ワクチンを中心にこれまでに開発さ式で開催しました。

れてきたワクチンの種類とそれらの免疫誘導のメカニズムにつまず、私から、「古くて新しいワクシニアウイルスベクターワ

いて、免疫学の視点から詳細にお話し頂きました。また、ワククチンの開発」と題してお話ししました。ワクシニアウイルスチン研究が、従来の経験則から、免疫学や微生物学を基にしたは、有史以来、人類を最も苦しめてきた感染症の一つである天細胞レベルでの理解、さらには分子（遺伝子）の発現変化を基然痘の根絶に貢献したワクチンです。天然痘の根絶後の現在でに構築したデータベースとそこから見出されるバイオ・マーカー

は、ワクシニアウイルスが持つ利点である副作用が少なく、免の同定といった包括的なシステムワクチン学へと発展してきた疫を誘導する能力が高いといった特徴を活かし、他の感染症やことで、科学的な知見に基づいた有効性と安全性の高いワクチ腫瘍溶解性ワクチンへの応用も期待されています。およそ 200ンの開発が進められていることを解説して頂きました。さらに、年前にイギリスの医師であるエドワード・ジェンナーによってワクチンの開発は感染症対策にとどまらず、アルツハイマー病はじめられたとする天然痘に対するワクチン接種の歴史や、そ等の神経疾患、動脈硬化症等の循環器疾患やがんを対象としたのワクチンであるワクシニアウイルスの特徴とワクチン・ベクものに展開していることもお話しいただきました。

ターとして他の感染症への応用について、現在研究を進めてい講演後には、「mRNA ワクチンが今後の様々なワクチン開発る新型コロナウイルス感染症ワクチンの開発を含めてお話ししの中心となる可能性」や「ワクシニアウイルスをベクター用いました。

る上での安全性」に関する質問など、非常に的確な質問を多く続いて、石井先生には、海外出張先であるトルコから「ワク東京大学医科学研究所 石井先生頂き、ワクチン開発への関心の高さを実感いたしました。

安井プロジェクトリーダー

編集後記
盛夏に新型コロナウイルス感染症が再拡大し、熱中症のリスクにも留意しなければならない厳しい日々が続いていますが、本号刊行の頃には収束に向かっている

開催報告ことを願っております。本号の特集では、カルパインプロジェクトの小野弥子リーダーに最新のご研究内容を紹介していただきました。カルパインの生体内での役割や種々の疾患との関わりについて明快に解説され、私もたいへん勉強になりました。また TOPICS では、いずれもトップジャーナルに掲載された研究成果が各研究員によって平易に説明されており、さらなる展開が楽しみな内容です。今Oct. 2022

No.0472022 年 10 月発行●編集発行

後も国内外へ向けての研究成果の発信と、都民の健康増進・疾病予防に向けた取り組みを都医学研 NEWS で紹介して参ります。またより良い誌面作りのため、読者の皆様からのフィードバックをお待ちしております。

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