シナプス接着因子

シナプス接着因子（英語名：synaptic adhesion molecules, 同義語：シナプス局在性細胞接着因子）

用語の定義：シナプス接着因子は、細胞接着因子のうちシナプスに局在し、シナプスの形成ないしは機能面での修飾を担うものである。

概要：一般的な細胞接着因子同様、多くのものは1回膜貫通型タンパク質で、細胞外領域に細胞接着に関与するドメイン構造を有する。細胞内領域は軒並み短く、C末にPDZ結合配列を持ち、それを介してシナプス足場タンパク質と結合するタイプのものが多いが、全てがそうではない。接着因子と言う名称から、シナプス同士を単に結び付ける機能をイメージしがちだが、殆どの場合、接着機能だけでなく、シナプス結合を介した細胞内シグナルに関与し、シナプスのダイナミックな形態変化やシナプス伝達機能の調節に寄与している。ただし、シナプス接着因子が伝達する細胞内シグナルに関しては、研究が遅れている。

シナプス形成能のスクリーニングとして、これらの遺伝子を導入した線維芽細胞をニューロンと共培養し、遺伝子導入線維芽細胞表面でのシナプス形成の有無を調べる手法（artificial synapse formation assay）が用いられている。ただし、この実験でシナプス形成能が確認されたものでも、遺伝子欠損動物でシナプスの形成不全が見られるものはごく一部である。これは、シナプス形成には、複数のシナプス接着因子が機能的にオーバーラップしながら働いているからだと考えられる。

シナプス接着因子の中には、シナプス前終末と後終末の両方に存在してホモ結合により機能するもの、シナプス前終末と後終末の両方に存在するが、別の種類の接着因子とヘテロ結合するもの、シナプス前終末ないしは後終末のどちらかのみに局在し、それぞれの間でヘテロ結合するものなどがある。また、これらの結合にカルシウムが必要なものと、そうでないものがあり、この性質によって分類されることもある。

シナプス接着因子の中で、自閉症や統合失調症などとの関連が示唆されるものが多い。

接着に関わる細胞外ドメインには、LNS (laminin A, neurexin, and sex hormone-binding protein)ドメイン、Cadherinドメイン、Ig (immunoglobuline)ドメイン、LRR (leucine-rich repeats)などがあり、これらはしばしばリピート構造を呈している。

Neurexin/Neuroligin

Neurexinは、シナプス前終末に局在する１回膜貫通型タンパク質で、哺乳類では3種類の遺伝子が存在する（NRXN1, NRXN2, NRXN3）。それぞれの遺伝子は、上流にあるプロモーターによって転写されるα-Neurexinと、遺伝子の中ほどにあるプロモーターによって転写されるβ-Neurexinの二つのアイソフォームを産生する。α-Neurexinは、細胞外領域に６個のLNS ドメインと、３個のEGF様リピートを持ち、細胞内領域は短く、C末にPDZ結合配列を有し、これを介してCASKと結合する。β-Neurexinは、α-Neurexinのうち、1-5番目のLNSドメインと３個のEGF様リピートを欠く構造になっており、N末に短いβ-Neurexin特有の配列を持つ以外は、α-Neurexinの6番目のLNSドメインからC末にかけて共通の配列を有している。Neurexinタンパク質はシナプス後終末にも局在するという報告もあるが、議論が分かれている (1)。

Neuroliginは、β-Neurexinとカルシウム依存的に結合する分子として単離された１回膜貫通型タンパク質で、シナプス後終末特異的に局在する。ヒトでは5種類の遺伝子が存在する（NLGN1, NLGN2, NLGN3, NLGN4X, NLGN4Y）が、げっ歯類ではNLGN4Yに相当するものは確認されていない。Neuroliginは、細胞外領域にアセチルコリンエステラーゼ様ドメインと、細胞内領域にNeurexinとは異なるクラスのPDZ結合配列を有し、これを介してPSD-95と結合する。Neuroliginのシナプスにおける機能は、各アイソフォームで異なる。NLGN1は、興奮性シナプス後終末に局在し、欠損マウスでNMDA受容体を介したシナプス伝達の異常をきたす。一方、NLGN2は、抑制性シナプス後終末に局在し、欠損マウスでGABA受容体を介したシナプス伝達の異常をきたす。NLGN3は興奮性・抑制性両方のシナプス後終末に局在するが、欠損マウスで明確なシナプス異常は見られない。NLGN4* (げっ歯類のNLGN4は本当にヒトのNLGN4Xの相同分子か議論の余地が残る)は、グリシン作動性抑制性シナプスとの関連が示唆されている。

NeurexinとNeuroliginの結合：NeurexinとNeuroliginは、シナプス間隙において、互いの細胞外ドメインを介して結合する。結合様式としては、Neuroliginがシナプス後終末にcis 2量体として存在し、それぞれのアセリルコリンエステラーゼ様ドメインに、シナプス前終末側から伸びてきたNeurexinのLNSドメインが、カルシウムイオンを介して１つずつ結合し、ヘテロ4量複合体を形成する。Neurexinの第4選択的スプライスサイトがこの結合の特異性を制御している。NeurexinとNeuroliginの結合は、シナプスの結合よりも、成熟により関与していると考えられている。Neurexin、Neurolignが細胞内でどのようなシグナル伝達に関与しているかは今のところ殆どわかっていない。

近年、Neurexinのリガンドとして、Neuroligin以外に、LRRTMやCbln1が同定されている。また、NeruexinおよびNeuroliginは自閉症との関連が示唆されており、自閉症患者から見つかったNeurolign-3の変異を導入したマウスで、社会行動の異常が起こることが確認されている (2)。

Cadherin

Classical cadherinは、細胞外に５個のcadherin ドメイン（EC1-5）を有する1回膜貫通型タンパク質で、カルシウム依存性のホモ結合によって機能している。これらタンパク質はまずcis 2量体を形成し、このcis 2量体同士が細胞間でtransに結合し、強固な細胞接着を生み出している。Classical cadherinの細胞内領域は、Cateninファミリータンパク質と結合し、細胞骨格の再編などに関するシグナル伝達を誘導している。N-cadherinは、脳で発現する代表的なClassical cadherinであり、シナプスの前および後終末の両方に局在し、ホモ結合によりシナプスを架橋している。N-cadherinは、シナプスの発達において広汎な調節的な役割を果たしていると考えられ、Cateninシグナルを介してLTPに伴うシナプス後終末の形態変化を担ったり、シナプス前終末でのシナプス小胞の集積に関与していると考えられている。

Protocadherinは、細胞外に4-7個のcadherinドメインを有し、Classical cadherinと異なり、細胞内領域にCateninファミリーとの結合モチーフを持たない。約80種類のProtocadherin遺伝子が同定されており、シナプスで機能するものも存在する。

その他に、Drosophilaではcadherinリピートを有するGPCRであるFlamingoが、シナプスの特異性の獲得に関与していることが知られている。Calsynteninもcadherin関連タンパク質で、シナプス後膜肥厚に局在しているが、機能は今のところ不明である。

Igドメインタンパク質

SynCAMは、細胞外に3個のIgドメイン、細胞内にPFRMとNeurexin類似のPDZドメイン結合配列をを含む1回膜貫通型タンパク質で、脊椎動物では4種類の遺伝子が知られている。カルシウム非依存的なホモ結合およびファミリータンパク質間のヘテロ結合による細胞接着を担う。SynCAM同士の結合強度はsialic acidなどのN-glycanによって制御されている。SynCAM 1 の過剰発現で興奮性シナプスの数が増加し、逆に、SynCAM1の欠損により、興奮性シナプスの数や伝達が減少することから、興奮性シナプスの形成維持に寄与していると考えられる。成熟シナプスにおいて、SynCAM1は長期抑制を負に制御し、空間学習記憶に影響を与えることが知られている。他のSynCAMファミリータンパク質の脳での機能はまだあまり解析されていないが、SynCAM2とSynCAM1が強く結合すること、SynCAM2がシナプスを誘導すること、SynCAM3/nectin-like molecule1が、軸策末端とグリア細胞の接触面に存在することから、これらがSynCAM1とシナプス形成において機能的にオーバーラップしている可能性が示唆される。

LAR-type RPTPs (receptor phosphor-tyrosine phosphatase)には、LAR (leukocyte-associated receptor), RPTPσ, RPTPδがある。これらの細胞外領域は、3つのIgドメインと８つのfibronectin type III repeatからなる。LAR-type RPTPsは細胞内でα-liprinとの結合を介してシナプス形成を起こすと考えられている。細胞外の結合相手としてNGL (netrin-G ligands)と、neurotrophin 受容体のTrkCが知られており、これらのことからRPTPsがシナプス前終末で機能していることが示唆される。

NCAM/L1ファミリーもシナプス形成や機能獲得に関与していることが知られるIgドメインタンパク質である。NCAMはシナプス前終末で神経筋接合部の形成、特にリリースサイトの分布を制御したり、シナプス小胞のリサイクルの機能の成熟に重要な役割を果たしていることが知られている。シナプス後終末では、NCAMがクラスタリングすることにより細胞骨格の足場タンパク質が集積し、LTPの形成に寄与していると考えられている (3)。

SidekickやDscamは、網膜においてシナプス形成の位置決定に関与していることが知られている。C. elegansのSyg-1とSyg-2は、1個のニューロン内でシナプスが形成される位置をガイドする役割を果たしている。

LRR (leucine-rich repeat)タンパク質

LRRTMs (leucine-rich repeat transmembrane neuronal proteins)は、細胞外領域に10個のLRRを持つ1回膜貫通型タンパク質で、細胞内領域にclass I PDZ結合配列を有する。哺乳類では4つの遺伝子が知られている（LRRTM1-4）。Neurexinと第4選択的スプライスサイト 依存的に結合し、Neuroliginとともに、Neurexinを介したシナプス成熟因子として注目されている。Neuroliginがシナプス成熟の比較的後期に働くのに対してLRRTMは、シナプス形成期から成熟初期に働いていると考えられているが、LRRTM1の単独ノックアウトマウス、LRRTMの複数のアイソフォームの同時ノックダウンで、明確なシナプスの数の減少は見られない（ただしLRRTM2単独のshRNAのノックダウンでシナプスの数が減少する報告もある (4)）。LRRTMsは興奮性シナプス特異的に機能していると考えられており、ノックアウトマウスやノックダウンニューロンでAMPA受容体を介したシナプス伝達の異常が認められる。もともとLRRTMsのシナプス形成能は、artificial synapse formation assay のスクリーニングで見出された (5)。

SALMs (synaptic adhesion like molecules)は、細胞外領域に、N末から順に6個のLRR、単一Igドメイン、fibronectin IIIドメインを含む1回膜貫通型タンパク質で、脊椎動物では5つのSALMsタンパク質が存在する。SALM1-3は細胞内領域のC末にPDZ結合配列を有し、これを介してPSD-95と結合するが、SALM4-5は、PDZ結合配列を持たない。SALMsは、PSD-95との結合を介して興奮性シナプスの形成を促進したり、AMPAやNMDAタイプのグルタミン酸受容体と相互作用することが知られているが、接着因子としての機能はまだよくわかっていない。

NGLs (netrin-G ligands)はnetrin-G1に結合するものとして同定された1回膜貫通型タンパク質で、LRRC4 (leucine-rich repeat/LRR-containing glycoprotein 4)とも呼ばれる。細胞外領域にLRR、単一Igドメイン、短い細胞内領域にPDZ結合配列を有し、これを介してPSD-95と結合する。脊椎動物で3種類のNGLs (NGL1-3)が存在する。NGLsはシナプス後終末に局在し、NLG1とNGL2はシナプス前終末のnetrin-G1と-G2と相互作用し、NGL3はLAR-type RPTPsと相互作用する。NGL2の過剰発現でNMDA受容体がシナプス後終末にリクルートされるが、AMPA受容体はリクルートされないことが示されている (6)。

Ephrin-Eph 受容体型チロシンキナーゼ

Ephrin-Eph受容体型チロシンキナーゼは、リガンドと受容体の関係にあるシグナル誘導タンパク質であるが、シナプスにおける機能も示されている。Ephrinは哺乳類では8種類のメンバーがあり、これらは構造の違いからAとBの二つのサブファミリーに分けられる。Ephrin A (Ephrin A1-5) は、GPI (glycosylphosphatidylinositol)アンカーによって細胞膜に結合しているタイプで、Ephrin B (Ephrin B1-3) は、1回膜貫通型タンパク質である。Eph 受容体型チロシンキナーゼは16個のメンバー（哺乳類では14個）から成る1回膜貫通型タンパク質で、これらのうち、Ephrin Aと相互作用するものをEphA (EphA1-8, EphA10), Ephrin B 相互作用するものをEphB (EphB1-4, EphB6)として分けられている。Ephrin AはGPIアンカーで細胞膜に付着しているため細胞内ドメインが無いが、Ephrin B, EphAおよびEphBは細胞内領域を介してシグナル伝達に関わる。特にEphrin BとEphBは、双方性にシグナル伝達をするため、どちらも受容体とリガンドの両方の側面を有していることになる。またこれらのC末にPDZ結合配列があり、これを介してPICK1, syntenin, GRIP, PDZ-RGSなどと結合する。

EphBは、シナプス後終末に局在し、シナプス前終末のEphrinBと結合することによりシナプス後終末で、RhoAやRac1を含むいくつかのsmall Rho family GTPasesと連動し、スパインのアクチン細胞骨格を再構築することが知られている。EphB1-3の複合欠損マウスでは、シナプス密度の減少と、樹状突起のスパインの形態異常がみられる (7)。海馬ニューロンの培養系において、EphB2はEphrinとの結合を介してシナプス前終末の分化を誘導することが示されている (8)。更にシナプス後終末のEphB2はNMDA受容体とcisに相互作用することも示唆されている (9)。一方、リガンドであるEphrin Bはシナプス前終末だけでなく興奮性のシナプス後終末にも存在することが示されており、スパインの密度と成熟やAMPA受容体の輸送を促進していると思われる (10)。

Integrin

Integrinは、その他の重要な接着因子で、シナプスの成熟を促進する。Integrinは1サブユニットの欠損でLTPに障害が出ることなど、シナプスの生理的機能にも関与している。

1. H. Taniguchi et al., J Neurosci 27, 2815 (Mar 14, 2007). 2. K. Tabuchi et al., Science 318, 71 (Oct 5, 2007). 3. D. Muller et al., Neuron 17, 413 (Sep, 1996). 4. J. de Wit et al., Neuron 64, 799 (Dec 24, 2009). 5. M. W. Linhoff et al., Neuron 61, 734 (Mar 12, 2009). 6. S. Kim et al., Nat Neurosci 9, 1294 (Oct, 2006). 7. M. Henkemeyer, O. S. Itkis, M. Ngo, P. W. Hickmott, I. M. Ethell, J Cell Biol 163, 1313 (Dec 22, 2003). 8. M. S. Kayser, A. C. McClelland, E. G. Hughes, M. B. Dalva, J Neurosci 26, 12152 (Nov 22, 2006). 9. M. B. Dalva et al., Cell 103, 945 (Dec 8, 2000). 10. I. Segura, C. L. Essmann, S. Weinges, A. Acker-Palmer, Nat Neurosci 10, 301 (Mar, 2007).

（執筆者：田渕克彦、担当編集委員：尾藤晴彦）