2022年2月19日
日本学術会議・公開シンポジウム「子どもの毒性学：子供の高次脳機能への化学物質曝露影響の把握に関わる、臨床、応用および基礎科学の現状と展望」

AUTS2遺伝子と脳神経発達、そして精神疾患

国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 病態生化学研究部

星野 幹雄
http://www.ncnp.go.jp/nin/guide/r_diag/お母さんのお腹の中のごく初期の胎児の脳

大人の脳神経板
Neural plate
この過程では、遺伝子プログラム、が働いている
いきなり出来上がるのではなく、ステップ・バイ・ステップに作られる

脳発達・脳形成は段階的におこる神経細胞の産生神経細胞の移動
神経突起の伸長シナプスの形成

神経細胞の誕生と移動

神経前駆細胞(ラディアルグリア)(Kwan et al., Development, 2012)脳発達・脳形成は段階的におこる神経細胞の産生神経細胞の移動
神経突起の伸長シナプスの形成

神経細胞の誕生と移動
神経細胞
(移動後)

神経細胞
(移動中)

(Kwan et al., Development, 2012)脳発達・脳形成は段階的におこる神経細胞の誕生

神経細胞の移動神経突起の伸長シナプスの形成脳発達・脳形成は段階的におこる神経細胞の誕生

神経細胞の移動神経突起の伸長シナプスの形成やっと、脳ができる

しかし、いろんな原因で、その発達がうまくいかないことがある

遺伝要因と環境要因

精神疾患・てんかん等の病態モデル
神経発達障害仮説

遺伝要因・遺伝子に傷
胎性期・周産期の問題

環境要因

思春期・青年期の心理社会的ストレス

神経発達障害による生物学的脆弱性

ウイルス感染、親の年齢
早産

外来化合物・毒物の摂取等

発症

病勢の進行

脳発達・脳形成は段階的におこる 厳密な遺伝子プログラム
環境による攪乱

神経細胞の産生

小脳症 etc

神経細胞の移動滑脳症・てんかん etc

神経突起の伸長

回路形成異常 etc

シナプスの形成

自閉スペクトラム症
統合失調症 etc

疾患脳解析：疾患とシナプス数
自閉スペクトラム症ではシナプス増加
自閉スペクトラム症

通常脳

統合失調症ではシナプス減少
通常脳必ずしも常にこうだとは限りませんが、、、

統合失調症

脳神経発生・発達の研究●●

その障害によってもたらされる脳疾患の研究
まず、脳神経系の発生・発達メカニズムについて研究し、次に、その障害によってどのように疾患の原因・誘因となるかを研究
外来化合物、毒物との関連については、最後に触れます。。

AUTS2 (Autism Susceptibility Candidate 2)遺伝子
自閉スペクトラム症 (ASD) 2002

欠失転座

知的障害
ADHD
統合失調症
うつ病
薬物依存

1.3 M base

逆位てんかん

言語発達障害
失読症
構音障害

重複転座

様々な精神・神経発達障害の誘因・原因

AUTS2遺伝子の変異と相貌

Am J Hum Genet (2013)

AUTS2 症候群
脳神経機能の変化+ 相貌の変化

Auts2は脳神経系の様々な部位で発現する

Embryo (E14)Adult (P21)

CxHP

CbBedogni et al., Gene Exp Pat 2010
(GenePaint.org)

前頭前皮質（大脳皮質の前方）
海馬、小脳、など

分子機能は不明 → この遺伝子異常でどのようにして疾患が引き起こされるかも不明

AUTS2のタンパク質の構造

しかし分子機能は、ほとんどわかっていなかった。
脳発達における役割もよくわかっていなかった。

AUTS2の細胞内での働き、脳発達における働きの解明
AUTS2遺伝子の変異による患者さんではどのような脳発達異常があり、どのように疾患が惹起されるか、
すなわち、患者さんの病態解明

発達過程の大脳におけるAUTS2の発現

マウス大脳(E14.5)

神経細胞で発現する（特に興奮性神経細胞）核にもそれ以外（細胞質）にも存在するように見える。

海馬培養神経細胞におけるAUTS2の細胞内局在神経突起の先端部分に特に濃縮。
そこで、アクチン細胞骨格と重なって見えるAUTS2 遺伝子の細胞内での強制発現実験
N1E-115 cells (with serum)

Rac1V12Lamellipodia (%)

FL-RoundLamellipodia
Suppressed bydominant-negative Rac1

AUTS2はラメリポディアを引き起こす。

細胞骨格 と AUTS2の細胞内での機能
AUTS2

抑制
促進

フィロポディア

ラメリポディア

AUTS2の細胞質での機能
AUTS2促進抑制
Elmo2P-Rex1

Doc180ITSN1/2

Rac1

Cdc42

ラメリポディア

フィロポディア

(網目状アクチン）(糸状アクチン）細胞の形を変える

細胞内での役割

細胞質 vs 細胞核

NLS

NLS

AUTS2

PR1

PR2

Proline rich1

Proline rich2

細胞質

His repeat

1261 aa細胞核

細胞内での役割(Gao et al., Nature., 2014)(Hori et al., Cell rep., 2014)

転写を制御する因子として働く(PRC複合体1の構成因子として）細胞骨格系を制御する

Gao et al, Nature. 2014

Hori et al, Cell Rep. 2014

神経発達にはどのような役割があるのか？

AUTS2はどの段階で働いているのか？
実は・・・全てに関わってました
重要なはずです。。。

神経細胞の産生細胞核のAUTS2
Shimaoka et al, 論文準備中

神経細胞の移動細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

神経突起の伸長細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

シナプスの形成細胞核のAUTS2
Hori et al, iScience 2020
Yamashiro et al, iScience 2020

AUTS2はどの段階で働いているのか？

神経細胞の産生細胞核のAUTS2
Shimaoka et al, 論文準備中

神経細胞の移動細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

神経突起の伸長細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

シナプスの形成細胞核のAUTS2
Hori et al, iScience 2021
Yamashiro et al, iScience 2021

子宮内エレクトロポレーションによる脳室帯への遺伝子導入 （GFP）
E14にE15
子宮胚の脳室へのDNA注入

子宮内での発生electroporation
利点

E17

簡便に効率良く遺伝子を導入できる

P0

遺伝子導入細胞の形態を詳細に観察できる

エレクトロポレーション

マウスの解剖・解析

Auts2 ノックアウト(KO)マウス - 神経細胞移動の障害
組織固定
GFP EP

Auts2 KO

KO ヘテロ

胎生18日
KO ホモ

神経細胞移動

正常マウス

胎生14日

ノックアウトマウスでは、神経細胞の移動に障害。 細胞質なんです。
Data 出せないですけど→ AUTS2が神経細胞移動に関与している。
→ 患者さんでも同様の脳発達障害がある可能性

AUTS2はどの段階で働いているのか？

神経細胞の産生細胞核のAUTS2
Shimaoka et al, 論文準備中

神経細胞の移動細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

神経突起の伸長細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

シナプスの形成

細胞核のAUTS2
Hori et al, iScience 2021
Yamashiro et al, iScience 2021

神経軸索の伸長の評価
GFP EPマウス

胎生14日

組織固定
胎生18日

正常マウス

ノックアウト

細胞質なんです。
ノックアウトでは、神経軸索の伸長に障害。
Data 出せないですけど→ AUTS2が神経軸索伸長に関与している。
→ 患者さんでも同様の脳発達異常がある可能性

AUTS2はどの段階で働いているのか？

神経細胞の産生細胞核のAUTS2
Shimaoka et al, 論文準備中

神経細胞の移動細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

神経突起の伸長細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

シナプスの形成細胞核のAUTS2
Hori et al, iScience 2020
(Yamashiro et al, iScience 2020)

Auts2ノックアウトマウスではシナプス(spine)の数が増加する
大脳皮質

正常

KOホモ

海馬

正常

KOヘテロ KOホモ
Hori et al,iScience, 2020

AUTS2は、シナプスの数を制限する（ができすぎないようにする）機能があるのかもAUTS2によるシナプス数の制御と、病理興奮性シナプス新生を抑制

興奮性シナプスの数を適正に保つ

AUTS2遺伝子変異
Auts2ノックアウトマウス

E/I imbalance

興奮性シナプス刈り込みを促進
興奮性シナプスの数が増える

脳内での興奮性/抑制性のバランスが崩れる

病態につながるAUTS2の機能が損なわれると、脳の機能はどうなるのか？

神経細胞の産生細胞核のAUTS2
Shimaoka et al, 論文準備中

神経細胞の移動細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

神経突起の伸長細胞質のAUTS2
Hori et al, Cell Rep 2014

シナプスの形成細胞核のAUTS2
Hori et al, iScience 2021
Yamashiro et al, iScience 2021

ノックアウトマウスを使った行動解析

AUTS2ノックアウトマウスの行動解析
オープンフィールドテスト

名古屋大学医学部
山田先生、永井先生との共同研究

3チャンバーテスト

新規物体認識テスト

Training

高架十字迷路テスト

恐怖条件付けテスト
Conditioning

24 hrs24 hrs

ContextRetention

Tone行動解析試験
運動活動テスト

何を調べるのか
運動機能KOマウス (A型）
Decreased

オープンフィールドテスト
Time spent in inner sector
Distance traveled ratio
Total distance traveled
高架十字迷路テスト% Open arm time
% Open arm entry
Total arm time
Total arm entry
３チャンバーテスト
Sociability
Social novelty
新規物体認識テスト
Exploratory index
Total exploration time
恐怖条件付けテスト
Tone-dependent
Context-dependent
Nociceptive threshold
プレパルス驚愕反応抑制(PPI)PPIStartle reflex at 120 dB

不安関連テスト

不安の低下
Increased
Increased
Decreased

No change
No change
Decreased

不安の低下
Increased (p=0.11)
Increased
Decreased (p=0.06)
No change

不安の低下
No change
Increased
No change
No change

No change
No change

社会性の低下Decreased
Decreased

記憶力記憶の低下
Decreased
No change

記憶の低下
Decreased
No change

記憶・学習記憶の低下
Decreased
Nochange
皮膚感覚過敏Decreased

No change
Nochange
皮膚感覚過敏Decreased

不安関連行動KO マウス (B型）
No change (60 min)or decreased (first 15min)疾患モデル動物として、十分に役立ちそう
社会性行動

皮膚感覚Sensorimotor gating

No change
聴覚過敏 Increased

Decreased 統合失調症様Increased 聴覚過敏

遺伝要因と環境要因

精神疾患・てんかん等の病態モデル

AUTS2遺伝子をモデルとして遺伝要因・遺伝子に傷胎性期・周産期の問題

環境要因

思春期・青年期の心理社会的ストレス
外来化合物・毒物の摂取等

神経発達障害による生物学的脆弱性

発症

病勢の進行

アセフェート投与によるAuts2遺伝子の発現変化

Auts2 mRNA Cortex （1438680_at）14

溶媒投与対照群

2週齢
投与

11週齢
投与

溶媒

溶媒

12-13週齢

神経行動毒性解析

アセフェート溶媒

溶媒

アセフェート*<P 0.052w

11w

1210

行動解析
幼若期投与群**<P 0.01

形態解析

864

成熟期投与群

遺伝子発現解析

20Vehicle

アセフェート（7、20、70 mg/kg）
単回強制経口投与

溶媒

2週令曝露

11週令曝露種村先生・菅野先生のデータ

37

遺伝要因と環境要因の相互作用
遺伝要因
遺伝子発現への影響

環

神経発達障害による生物学的脆弱性

境
要因

外来化合物
発症

病勢の進行
AUTS2は外来化合物によって影響を受ける一つの例かもしれないContributors
Hoshino Lab (NCNP)
Kei Hori
Kazumi Shimaoka
Kunihiro
Saki Egusa
Reika Shiraishi
Kouta Kanno （現・鹿児島大）
Shinichiro Taya
Ryoya HashimotoTakeshi Hayashi
Asami Sakamoto
Satoshi Miyashita
Mikio Hoshino

Behavior analysis
Nagoya Univ. Grad. Sch. of Med
Wei ShanKiyofumi Yamada
Taku Nagai

Conditional KO mouse
Niigata Univ., Brain Res Inst.
Manabu Abe
Maya Yamazaki
Kenji Sakimura
Program of Bio. Sci., Hiroshima Univ.
Takuya Imamura