「シナプシン」の版間の差分

{{box|text=　シナプシンは、神経系に広く分布する非膜貫通型の[[シナプス小胞]]結合蛋[[白質]]で、[[神経終末]]に局在している。系統発生学的に1つの共通遺伝子から派生した遺伝子ファミリーを構成し、[[哺乳類]]では3つの遺伝子から成るシナプシンI、II、IIIが存在する。中でも、シナプシンIとIIは、複数のプロテインキナーゼ、フォスファターゼによって刺激依存的にリン酸化・脱リン酸化を受け、その結果、[[シナプス]]小胞や[[細胞骨格]]蛋白質への結合状態が変化することから、リン酸化によってシナプス小胞の局在を制御する蛋白質として、注目を集めてきた。近年、ノックアウト[[マウス]]の解析等から、シナプシンI、IIは、[[シナプス前]]においてシナプス小胞の予備のプールを維持・安定化するために不可欠の分子であり、連続刺激の際にシナプス小胞を動員し、シナプス[[抑圧]]を制限する上で、重要な役割を果たすことがわかってきた。}}

　シナプシンは、1970年代にPaul Greengard教授らのグループが、[[ラット]]脳のシナプス膜画分で[[cAMP]]依存性プロテインキナーゼ（プロテインキナーゼｰA、[[PKA]]）によってリン酸化される主要な蛋白質のひとつとして発見した<ref name=ref1> D Gitler, G J Augustine <br> Synapsins and regulation of the reserve pool. <br> Encyclopedia of Neuroscience, Academic Press: 2009, 709-717 </ref> <ref name=ref2><pubmed> 20438797 </pubmed ></ref>。これらのリン酸化蛋白質は、プロテインI、プロテインIIと命名され、さらに、プロテインIIIが見いだされた。このうち、プロテインIとIIIは脳に特異的に発現し、シナプス膜画分、特にシナプス小胞画分に多く存在することから、シナプシンI、IIと改名された。一方、プロテインIIは脳以外にも広く分布し、PKAの調節サブユニットであることが判明した。

　生化学的な蛋白精製の結果、シナプシンIは86kDaと80kDaの2つのアイソフォーム（IaとIb）から、シナプシンIIは74kDaと55kDaの2つのアイソフォーム（IIaとIIb）からなることがわかった。また、シナプトソームを用いて、脱分極刺激など細胞内へのCa²⁺流入を起こすような刺激や、ドパミン、[[セロトニン]]、[[ノルアドレナリン]]など細胞内のcAMPを上昇させるような刺激を与えると、シナプシンI、IIのリン酸化が増大することがわかった。これらリン酸化が、シナプシンのシナプス小胞や細胞骨格蛋白質への結合を劇的に低下させることから、「シナプシンとそのリン酸化によるシナプス小胞の局在の調節」というモデルが提唱された<ref name=ref3><pubmed> 8430330 </pubmed ></ref> <ref name=ref4><pubmed> 10212475 </pubmed ></ref>。神経終末におけるシナプス小胞は、[[形質膜]]から離れたところに存在する予備のプールと、刺激が到達した際に直ちに放出可能な形質膜直下のプールを含むリサイクルプールとに大別され、予備のプールが80-90%と大部分を占める。上述の古典的モデルでは、特に、Ca²⁺/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼII（[[CaMKII]]）によるシナプシンIのリン酸化が、予備のプールから放出可能なプールへのシナプス小胞の移行を促進しているのではないか、と提唱された。

　リン酸化によるシナプシンの蛋白機能の修飾についても、シナプシンIに特異的なカルボキシル末端側のCaMKIIによるリン酸化よりもむしろ、各シナプシンアイソフォームに共通の、アミノ末端側におけるPKAあるいはCa²⁺/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼI（CaMKI）によるリン酸化に注目が集まりつつある<ref name=ref5 />。

　シナプシンは系統発生学的によく保存された蛋白質ファミリーで、ほとんどの動物に存在する。無脊椎動物ではその遺伝子は1個だが、ほとんどの脊椎動物では3個となり、シナプシンI、II、IIIに対応する。哺乳類ではそれぞれの遺伝子から選択的スプライシングによって複数のアイソフォーム（Ia-b、IIa-b、IIIa-f）が形成され、そのうち主なものは、シナプシンIa、Ib、IIa、IIb、IIIaの５種類である<ref name=ref1 /> <ref name=ref5 /> <ref name=ref2 />（図1）。

　ドメインAは、すべてのシナプシンに共通するよく保存されたアミノ末端の短い領域で、シナプス小胞膜のリン脂質と直接結合する。また、PKAとCaMKIによってリン酸化される部位（site 1；ラットシナプシンIではSer-9）を含む（図2）。このリン酸化部位は、各アイソフォームに共通して存在し、シナプス小胞への結合を可逆的に調節している。

　ドメインBは、比較的小さなアミノ酸が多く、アイソフォーム間で変動があり、ドメインAとCを繋ぐリンカー部分と考えられている。シナプシンIでは、ここにERK-[[MAPキナーゼ]]（ERK1/2- [[MAPK]]）によってリン酸化される２カ所の部位（site 4，Ser-62；site 5，Ser-67）が存在する（図2）。

　ドメインCは、大変よく保存された長い領域で、[[アクチン]]、スペクトリン、[[チュブリン]]、ニューロフィラメントといった細胞骨格蛋白質やシナプス小胞のリン脂質と結合する部分、さらに、シナプシン同士がホモ二量体、あるいはヘテロ二量体を形成するための結合領域を含んでいる。このドメインは[[ATP]]とも結合し、その結晶構造の解析から、ATPを利用する何らかの酵素機能を持つ可能性が推定されているが、精製したシナプシンI、IIは、いずれもATPを分解しない。

　ドメインDは、シナプシンIに特徴的で、CaMKIIによってリン酸化される２カ所の部位（site 2，Ser-566；site 3，Ser-603）を含む（図2）。さらに、ERK1/2- MAPKとサイクリン依存性キナーゼ（cdk1/5）によってリン酸化される部位（site 6；Ser-549）とそれに隣接したcdk1/5によってリン酸化される部位（site7；Ser-551）が存在する。このドメインは、SH3領域を含む蛋白質と結合する領域やCaMKII、[[rab3]]と結合する領域も含んでいる。

[[ファイル:Yokoyamagata Fig 2.jpg|サムネイル|右|400px|'''図2：シナプシンIの主なリン酸化部位とそれぞれに対応するプロテインキナーゼ、フォスファターゼ'''<br>Site 1はシナプシン各アイソフォームに共通、site 2-7はシナプシンIに特異的。CaMKI，Ca²⁺/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼI；CaMKII，Ca²⁺/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼII；[[cdk5]]，サイクリン依存性キナーゼ5；MAPK，ERK1/2-MAPキナーゼ；PKA，プロテインキナーゼｰA，cAMP依存性プロテインキナーゼ；PrP2A，プロテインフォスファターゼ2A；PrP2B，プロテインフォスファターゼ2B，カルシニューリン。（<ref name=ref6 />より改変引用）]]

　シナプシンI に特異的なCaMKIIによるsite 2、3のリン酸化は、その立体構造を大きく変化させ、アクチン並びにシナプス小胞への結合を大きく低下させる。尚、site 3は、CaMKII以外に、p21活性化キナーゼ（PAK）によってもリン酸化される。

　上述したセリン・スレオニンキナーゼによるリン酸化については、それぞれ部位特異的に脱リン酸化するフォスファターゼがあることがわかっている<ref name=ref6><pubmed> 14501147 </pubmed ></ref> <ref name=ref2 />（図２）。すなわち、site 1、2・3は、プロテインフォスファターゼ2Aによって、site 4・5、6は、プロテインフォスファターゼ2B（[[カルシニューリン]]）によって、それぞれ脱リン酸化を受ける。

　シナプトソームに脱分極刺激を行うと、site 1、site 2/3のリン酸化が増大するのに対し、site 4/5、6はリン酸化が減少する。前者はPKA/CaMKI、CaMKIIの活性化、後者はカルシニューリンの活性化によると考えられる。また、脱分極刺激により、シナプシンの大部分がシナプス小胞から離れることから、シナプシンのリン酸化・脱リン酸化は、シナプス小胞の動態を制御する重要な因子であると考えられている<ref name=ref3 /> <ref name=ref4 /> <ref name=ref2 />。

　シナプシンは、中枢神経系・末梢神経系に広く分布するが、非神経組織にはほとんど発現していない。シナプシンI、IIは、神経終末に局在し、シナプス小胞に結合しているが、形質膜直下のシナプス小胞よりも、むしろ膜から離れたところにある予備のプールのシナプス小胞に局在している。またその一部は、シナプス小胞から遊離した状態でも存在している。さらにシナプス小胞の中では、[[グルタミン酸]]、[[GABA]]、ドパミン・セロトニン・ノル[[アドレナリン]]、[[アセチルコリン]]といった古典的な神経伝達物質を含む小さなシナプス小胞（small synaptic vesicle）の細胞質側の表面に付着しているが、[[神経ペプチド]]を含む大きな濃い芯のあるシナプス小胞（large dense-core synaptic vesicle）には存在しない。また、シナプシンは、感覚器官のリボンシナプスを除いて、ほとんどのシナプスに存在し、アイソフォーム毎に異なる分布を示す。シナプシンIIは[[興奮性]]グルタミン酸作動性シナプスに、シナプシンIは[[抑制性]][[GABA作動性]]シナプスに比較的多い<ref name=ref4 /> <ref name=ref1 /> <ref name=ref5 /> <ref name=ref2 />。

　一方、シナプシンIIIは細胞体に主に発現し、[[成長円錐]]にも発現するが、神経終末には局在しない。シナプシンIIIの一部のアイソフォームは非神経組織にも発現している。

[[ファイル:Yokoyamagata Fig 3.jpg|サムネイル|右|400px|'''図３：神経終末におけるシナプシンの役割'''<br>左は野生型（WT）、右はシナプシンI/II/IIIトリプルノックアウトマウス（TKO）のシナプス前終末の模式図。シナプシン（橙色）はシナプス小胞に2価性に結合し、小胞の可動性を制限し安定化することにより、集合体としての予備のプールの形成に必須であると考えられる（左図）。シナプシンI/II/III TKOでは、予備のプールのシナプス小胞の可動性が高まり、集合体としての構造が崩れてしまう（右図）。予備のプールの維持・安定化は、連続刺激の際に放出可能なシナプス小胞を動員するために重要な役割を果たすと考えられる。但し、シナプシン以外にも、シナプス小胞の可動性を制限し、固定化に貢献する分子が存在する可能性がある（青色）。]]

　一方、シナプシンI/II のDKO、シナプシンI/II/IIIのTKOでは、[[海馬]][[興奮性シナプス]]において、シナプス小胞の総数が大きく減少し、特にTKOでは、形質膜直下から離れたところに存在する予備のプールのシナプス小胞が選択的に減少していた<ref name=ref4 /> <ref name=ref1 /> <ref name=ref2 />。これは、ヤツメウナギやイカのシナプスへのシナプシン抗体やドメインEペプチドの注入実験の結果とも一致するものであった。従って、シナプシンはシナプス小胞の予備のプールを維持し、安定化させるために必須の分子であると考えられる。さらに、TKOでは予備のプールのシナプス小胞の可動性が増大し、[[軸索]]への拡散傾向が見られたことから、シナプシンは、予備のプールのシナプス小胞の可動性を特異的に制限することにより、集合体としての構造を維持していると考えられる<ref name=ref7><pubmed> 22442064 </pubmed ></ref>（図３）。

　従来、脱分極刺激により、シナプシンの大部分がシナプス小胞から離れることが、カエルの神経筋シナプスやラットのシナプトソーム等で観察されていた<ref name=ref3 /> <ref name=ref4 />。さらに、蛍光ラベルしたシナプシンIaを海馬培養神経細胞に発現させた実験系でも、連続刺激によってシナプシンIがシナプス部から拡散するのが観察されている<ref name=ref8><pubmed> 11685225 </pubmed ></ref>。このシナプシンIの拡散のスピードは、CaMKII（site 2/3）あるいはPKA（site 1）によるリン酸化部位を非リン酸化型に変異させると遅くなり、またこのとき、シナプス小胞の[[開口放出]]のスピードも遅くなった。逆に、シナプシンI/II DKOの海馬培養神経細胞では、連続刺激によるシナプス小胞の開口放出が速くなっており、これらに非リン酸化型のシナプシンIaを発現させると、放出のスピードが遅くなった。これらの結果から、シナプシンは連続刺激の際のシナプス小胞の動態を抑制する調節因子として働き、その機能はリン酸化によってさらに調節されているものと考えられる。

　site 1、site 2/3以外にも、ERK1/2-MAPK・カルシニューリンによるsite 4/5、6のリン酸化・脱リン酸化がシナプス小胞の動態を調節するとされるなど、実際の生体内では、複数のプロテインキナーゼ・フォスファターゼが、複雑に絡み合って制御を行っていると考えられる。

=== シナプシン以外の蛋白質によるシナプス小胞プールの制御の可能性 ===

　前述のように、シナプシンは予備のプールの小胞を固定化することにより、シナプス小胞のプール全体の調節に貢献すると考えられるが、シナプシン自身は、予備のプールとリサイクルプールとの分画には直接関わらない、あるいは、予備のプールからリサイクルプールへの移動には、シナプシン以外の蛋白質のリン酸化が関わっているという説もあり、リサイクルプールの大きさを規定するメカニズムは未だ不明である<ref name=ref10><pubmed> 18077680 </pubmed ></ref> <ref name=ref7 />。

　さらに、海馬興奮性神経終末の電子線トモグラフィーを用いた三次元再構成によると、シナプス小胞同士を繋ぐ短いフィラメントや、シナプス小胞と[[シナプス前膜]]を繋ぐ長いフィラメントが観察され、特に前者はその大きさからシナプシンではないかと考えられていたが、野生型のみならず、シナプシンI/II/III TKOでも観察されたことから、シナプシン以外の蛋白分子もこれら構造物を構成している可能性がある<ref name=ref11><pubmed> 17596435 </pubmed ></ref>。

# シナプス小胞の架橋・固定化には、シナプシンのみならず、それ以外の蛋白質も関与している可能性がある。

* [[神経伝達物質放出]]

* [[カルモジュリンキナーゼ]]