Iwasato

• 研　究　概　要

　　　　　私たち哺乳類の脳は高度な情報処理能力をもちますが，その基盤となるのは複雑でありながら精緻に構築された神経回路です。その発達の仕組みを真に理解するためには，分子から動物個体までの統合的な研究が必要不可欠です。成長が早く繁殖が容易なマウスの実験動物としての歴史は長いですが，近年のマウス遺伝学（発生工学）技術のめざましい発展および関連リソースの整備によって，脳研究におけるマウスの重要性はますます高まっています。本研究室では，最先端のマウス遺伝学技術を駆使し，哺乳類神経回路が発達し機能する仕組みを明らかにすることを目指します。

現在進行中の研究テーマ

（１）体性感覚系の発達と機能の統合的解析
（２）神経回路の形成，成熟，機能におけるαキメリンの役割
（３）上記研究のための新規マウス系統の開発

（１）体性感覚系の発達と機能の統合的解析
　　　　　人格の形成に子ども時代の生育環境が重要な働きをすることはよく知られています。また，子どものある一定の時期に特定の言語に触れることによってその言語を母国語として獲得できますが，大人になってから外国語を習得することは難しいことを私たちは経験的に知っています。すなわち脳が正常に発達するためには，子どもの時期に適切な刺激を受けることが必要なのです。
　　　　　子どもの脳が外部からの刺激を受けて発達する仕組みと，そうした仕組みが異常になれば大人での脳機能にどのような影響を及ぼすかはまだほとんど未解明の課題です。それを明らかにすることを目標に，本研究室では，マウスの体性感覚系を用いて研究をしています。


なぜマウスを用いるのか？
　　　　　もちろん，発生工学を自由自在に使える唯一の哺乳類だからです。


なぜ体性感覚系を研究するのか？
　　　　　動物は、いわゆる五感とよばれる様々な感覚によって、自分の周囲の世界を認識していますが、それぞれの感覚の重要度は動物によって異なります。ヒトやネコなどにとっては視覚が最も重要な感覚ですが、マウスやラットなどの齧歯類は夜行性であるため、視覚は貧弱です。かわりに嗅覚とともにヒゲからの体性感覚が非常に鋭敏であり、ヒトが目に頼るのと同様にヒゲに頼って生活しています。それに対応して，マウスやラットでは体性感覚野は大脳皮質の大きな面積を占め（図１），高度に発達しているのです。
　　　　　さらに，マウスやラットの体性感覚野の優れているのは，ヒゲからの入力を大脳皮質に伝える神経回路がヒゲからの刺激を受けて発達する様子が，組織学的に検出できるという驚くべき特長をもっていることです。この組織学的構造は「バレル」（図１）とよばれますが，これを解析することにより，脳の神経回路が発達する過程を詳細に解析することが可能となります。


どのように研究するのか？
　　　　　私達の研究の最大の特徴は，最先端のマウス遺伝学（発生工学）の手法を自ら開発しながら解析を行っていることです（後述）。作製した遺伝子変異マウスは，これまで組織学や分子生物学の手法を主に用いて解析し，様々なレベルでのバレル形成異常を見つけてきました。今後は，行動学，イメージングなどさらに幅広い技術を取り入れて統合的に解析を進めていきたいと考えています。それによって，子どもの時期に神経回路がどのように発達するか，また，その異常がおとなでの行動にどのような影響を与えるかの理解に貢献することが期待されます。



（２）神経回路の発達と機能におけるαキメリンの役割
　　　　　私たちは、左右の手で異なった動きをしたり、左右の足を交互に出して歩いたりすることができます。こうした一見当たり前のようなことも、左半身と右半身の運動を制御する神経回路が、脊髄の左右で分離しているからこそ可能なのです。左右の神経回路の混線を防ぐ仕組みに、エフリンとEphという２種類の膜タンパク質の相互作用が必要であることは知られていましたが、エフリン-Ephシグナルがどのような下流の伝達機構を介して機能するかについては未解明でした。われわれは、“ミッフィー”変異マウスの発見という幸運をきっかけに、αキメリンという蛋白質がその謎を解く重要な鍵を握っていることを突き止めました。

これまでの経緯
ミッフィー変異マウスを発見
　　　　　本研究は、理研内の共同研究として行っていた仕事の中から、ウサギのように左右の足をそろえて跳ねるマウスが発見されるという偶然の幸運から始まりました。この劣性変異を「ミッフィー」変異と名付け新規突然変異系統として確立しました（図２）。

ミッフィー変異マウスでの神経回路形成の異常を発見
　　　　　このような歩き方の異常は神経回路の異常が原因であろうと仮説を立て，それを実験によって検証しました。片側の大脳皮質運動野に順行性トレーサーを注入し，脊髄まで伸びる皮質-脊髄路軸索の走行を解析しました。野生型マウスでは、これらの神経軸索は延髄で正中線（体を左右に分ける面）を越え、反対側の脊髄に入ります（図３A）。その後脊髄背側の白質を下行し順次灰白質に入りますが、脊髄内で左右が再交叉して混線することはありません。一方、ミッフィー変異マウスでも、延髄での左右交叉は正常でしたが、その後脊髄灰白質において多くの軸索が正中線を再び越えて同側に戻ってきて、左右混線していることがわかりました（図３B, C）。　
　　　　　歩行を制御する神経回路として、中枢パターン発生器とよばれる脊髄内の局所回路も重要です。トレーサーを脊髄の片側に注入する実験で、この局所回路でもミッフィー変異マウスでは交叉してはいけない軸索が交叉して左右混線していることを見つけました。すなわち、手足の動きを制御する二つの主要な神経回路が左右混線していたわけです。

ミッフィー変異の原因遺伝子（αキメリン遺伝子）を発見
　　　　　ポジショナルクローニングを行い、ミッフィー変異マウスの染色体では「αキメリン」という蛋白質をコードする遺伝子がトランスポゾン挿入によって壊れていることを見つけました。さらに，αキメリンのトランスジェニックマウスを作製し、それを用いてミッフィー変異マウスにαキメリンを発現させると歩き方が大幅に改善しました。また，αキメリン遺伝子欠損マウスを作製し、ミッフィー変異マウスと同様の歩行異常、回路異常を示すことを見つけました。これらの結果により、αキメリン欠損がミッフィー変異の原因であると結論づけることに成功しました。

αキメリンは運動系神経回路形成にどのように機能するのか？
　　　　　αキメリンは、RacというRhoファミリーGタンパク質に特異的な不活化因子であることが知られていましたが、その生体での機能は不明でした。では，αキメリンは回路形成にどのように関与するのでしょうか？
　　　　　詳細は省略しますが，京都大学との共同研究を通して行った生化学など一連の解析により，「脊髄の正中線において、エフリン-Ephシグナルが、αキメリンを介して、軸索伸長のアクセル役であるRacの働きを抑制することによって、左右の神経回路混線を防いでいる」ことを明らかにすることに成功しました（図3c）。

今後の展望
　　　　　神経回路は，軸索誘導，シナプス形成，精緻化など多くの過程を経て，発達します。神経回路発達の幅広い局面において細胞表面の受容体から細胞骨格へのシグナル伝達は重要ですが，その実体はほとんど未解明です。私達は，幸運からはじまった一連の研究により，運動系神経の軸索誘導においてαキメリンという想定外のシグナル伝達分子が重要な役割を担うことを，明らかにしました。
　　　　　αキメリンは発達期および成体の脳で広く発現しており，また，アクチン細胞骨格の制御因子であることから，軸索誘導，シナプス形成，神経活動依存的回路成熟など哺乳類神経回路の様々な局面で重要な働きをすることが期待されます。私達は，αキメリンの機能を解析するための様々な変異マウスを世界に先駆けて作製しています（未発表）。こうしたマウスを様々な観点から解析することにより，未だ明らかとなっていない哺乳類神経回路の発達と機能の機構に迫れると考えています。



（３）神経回路発達研究のための新規マウス系統の開発
　　　　　私たちの研究の最大の特徴は，最先端のマウス遺伝学（発生工学）の手法を自ら開発しながら解析を行っていることです。従来の遺伝子ノックアウト法では全身のすべての細胞で標的遺伝子の機能が失われます。その場合，遺伝子ノックアウトマウスで何らかの異常がみられたとしても，その分子が重要な働きをしていることまではわかりますが，神経回路のどこで働いているのかという重要な情報を得ることができません。そういった情報を得るためには，回路の一部でのみ標的遺伝子をノックアウトするということが必要になります（図４）。私たちは，世界に先駆けて大脳皮質，海馬，嗅球でのみ標的遺伝子をノックアウトする手法の開発に成功しました（図５）。その後も回路の様々な部分で特異的に遺伝子をノックアウトする手法を開発しながらこの分野では世界の先頭にたって研究を行っています。すなわち，自分たちの研究に最適なオーダーメードのマウスを自ら作製することにより，それまで世界中の誰も踏み込めなかった重要な課題に挑戦することが可能となるのです。