「DARPP-32」の版間の差分

 

　DARPP-32は、ドーパミン情報伝達効率を制御するリン酸化タンパク質である。ドーパミン神経の投射を受ける神経核、特に線条体や側坐核に多く発現している。DARPP-32のThr34がcAMP依存性タンパク質リン酸化酵素（PKA）によりリン酸化されると、プロテインホスファターゼ1（PP1）活性を抑制する。PP1活性の抑制はPP1基質タンパク質のリン酸化を促進し、PP1基質タンパク質の機能変化を誘導する。ドーパミンによるD₁受容体刺激によって活性化されたPKAは、PKA基質をリン酸化すると同時に、DARPP-32をリン酸化してPP1活性を抑制することにより、PKA/PP1基質のリン酸化を効率よく促進する。また、DARPP-32は、ドーパミンと他の神経伝達物質（グルタミン酸、アデノシン、アセチルコリンなど）のシグナルを統合する分子としても重要である。遺伝子改変マウスを用いた行動解析により、DARPP-32は薬物依存、パーキンソン病、統合失調症などの病態とその治療薬の作用発現に重要であることが明らかにされている<ref name=ref1><pubmed> 10433257 </pubmed></ref> <ref name=ref2><pubmed> 14744247 </pubmed></ref>。

　DARPP-32は、[[ドーパミン]]神経の投射を受ける[[線条体]]組織において、cAMP依存性タンパク質リン酸化酵素（PKA）によりリン酸化されるタンパク質として、1983年に[[wikipedia:ポール・グリーンガード|Paul Greengard]]博士らにより発見された<ref><[[pubmed]]> 6296685 </pubmed></ref>。[[電気泳動]]（[[SDS-PAGE]]）において32 kDaの分子量であったため、“ドーパミンおよび[[cyclic AMP]]によりリン酸化が制御される32 kDaのタンパク質”としてDARAPP-32と名付けられた。Greengard博士は、DARPP-32を中心とするドーパミン情報伝達の解明により、2000年の[[wikipedia:ja:ノーベル生理・医学賞|ノーベル生理・医学賞]]を受賞している。

[[ファイル:Fig1 DARPP-32 構造.jpg|thumb|350px|'''図1．DARPP-32の構造とリン酸化サイト'''<br>マウスのDARPP-32アミノ酸配列とリン酸化サイトを上段に示す。Thr34がリン酸化されるとPP1活性を抑制し、Thr75がリン酸化されるとPKA活性を抑制する。また、P-Ser97は核外移行シグナル（NES）として機能する。下段には、ヒトのDARPP-32アミノ酸配列とt-DARPPアミノ酸配列を示す。<br>[[PKA]]: [[cAMP依存性タンパク質リン酸化酵素]]、[[CK2]]: [[カゼインキナーゼ2]]、[[CK1]]: [[カゼインキナーゼ1]]、[[PP1]]: [[タンパク質脱リン酸化酵素1]]、[[PP2B]]: [[タンパク質脱リン酸化酵素2B]]/[[カルシニューリン]]]]

 

　194-205アミノ酸（[[マウス]] 194; [[ラット]] 205; [[ヒト]] 204）より構成される酸性タンパク質である。[[リン酸化]]により機能が制御されるタンパク質であり、4つのリン酸化サイトThr34 ([[cAMP依存性タンパク質リン酸化酵素]])、Thr75 ([[Cdk5]])、Ser97 ([[カゼインキナーゼ2]])、Ser130 ([[カゼインキナーゼ1]])（マウスアミノ酸配列による）]の機能的意義が明らかにされている<ref name=ref2 />（図1）。N末端の7-11アミノ酸配列（KKIQF）は[[PP1触媒サブユニット]]（[[PP1c]]）と結合する。さらに、[[スレオニン]]34（Thr34）を含む領域は、Thr34がリン酸化されるとPP1c活性部位と結合してPP1c活性を抑制する<ref><pubmed> 9651542 </pubmed></ref>。セリン（Ser）97近傍の103-111アミノ酸配列は[[核外移行シグナル]]（nuclear export signal, NES）となっており、Ser97がリン酸化されたDARPP-32は[[chromosome region maintenance 1 protein]]（[[CRM1]]）と結合して核外に移行する<ref name=ref3><pubmed> 18496528 </pubmed></ref>。

　[[Inhibitor-1]]のN末端 40アミノ酸配列はDARPP-32と40％の相同性があり、PP1c結合モチーフを持つ。さらに、inhibitor-1のThr35がPKAによりリン酸化されるとPP1c活性部位と結合して活性を抑制する。DARPP-32と異なり、inhibitor-1は[[中枢神経系]]および末梢組織に幅広く発現する<ref name=ref4><pubmed> 10662690 </pubmed></ref>。

== 発現 ==

　中枢神経において、[[黒質]]と[[腹側被蓋野]]から多くのドーパミン神経の投射を受ける線条体（[[背側線条体]]；[[被殻]]と[[尾状核]]）、[[側坐核]]（[[腹側線条体]]）、[[嗅結節]]に高い発現がみられる。線条体では、[[直接路]]（ドーパミン[[D1受容体]]を発現）と[[間接路]]（ドーパミン[[D2受容体]]を発現）の2つのタイプの[[中型有棘神経細胞]]（medium spiny neuron, MSN）にDARPP-32は発現しており、[[コリン]]作動性[[介在神経]]、[[GABA作動性]]介在神経、ドーパミン[[神経終末]]での発現は認められていない<ref name=ref2 /> <ref name=ref5><pubmed> 2191086 </pubmed></ref>。ドーパミン神経の投射が比較的少ない脳部位では、[[大脳皮質]]や[[海馬]]などで低いレベルではあるが発現を認める<ref><pubmed> 6319625 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 1353788 </pubmed></ref>。

 

　線条体の中型有棘神経細胞の[[細胞質]]、[[樹状突起]]、[[軸索]]に発現している。DARPP-32は、細胞質分画に発現するタンパク質として分離されたが<ref><pubmed> 6319627 </pubmed></ref>、[[免疫染色]]により核内にも存在することが示唆されていた<ref name=ref5 />。その後、DARPP-32はSer97のリン酸化状態によって細胞質—核内をシャトリングしていることが明らかにされた<ref name=ref3 />。また、DARPP-32の結合タンパク質はPP1c以外には知られていなかったが、[[細胞骨格]]の安定性と[[スパイン]]形態の[[可塑性]]に関わる[[β-アダクチン]]と結合することが報告された<ref><pubmed> 26639316 </pubmed></ref>。

　DARPP-32の最も重要な機能は、Thr34がPKAによりリン酸化されたP-Thr34 DARPP-32によるPP1活性の抑制である。DARPP-32はN末端7-11残基（KKIQF）にPP1c結合モチーフを持ち、この結合モチーフを介してPP1cと結合する。さらに、DARPP-32のThr34がPKAによりリン酸化されるとPP1c活性部位に対する親和性が増し、PP1活性を抑制する<ref name=ref4 />（図1）。

 

　PP1により機能が制御されるタンパク質として、[[NMDA型グルタミン酸受容体]]、[[AMPA型グルタミン酸受容体]]、[[Na+チャネル|Na⁺チャネル]]、[[Ca2+チャネル|Ca²⁺チャネル]]、[[Na+,K+-ATPase|Na⁺,K⁺-ATPase]]、[[ヒストンH3]]などが知られている<ref name=ref1 /> <ref name=ref2 /> <ref><pubmed> 21779236 </pubmed></ref>。

 

　NMDA型[[グルタミン酸受容体]][[GluN1]] (NR1) サブユニット（Ser897）、AMPA型グルタミン酸受容体[[GluA1]] (GluR1) サブユニット（Ser845）はPKAによりリン酸化されるが、同時にP-Thr34 DARPP-32がPP-1による脱リン酸化を抑制するため、これらのPKA/PP-1基質のリン酸化が効率良く促進される。

 

　DARPP-32はPKAの他に、[[Cdk]]5（Thr75）、CK2（Ser97）、CK1（Ser130）によりリン酸化される。Cdk5によってリン酸化されたP-Thr75 DARPP-32はPKAを抑制する。つまり、DARPP-32はThr34あるいはThr75のリン酸化により、PP-1抑制タンパク質としてもPKA抑制タンパク質としても機能する<ref><pubmed> 10604473 </pubmed></ref>。

 

　Ser97、Ser130のリン酸化は、DARPP-32分子内メカニズムによりThr34リン酸化・脱リン酸化のキネティクスを調節している。CK2によるSer97のリン酸化はThr34のPKAによるリン酸化を促進し<ref><pubmed> 2557337 </pubmed></ref>、CK1によるSer130のリン酸化はThr34の[[タンパク質脱リン酸化酵素2B]] ([[PP2B]], [[カルシニューリン]]）による脱リン酸化を抑制する<ref><pubmed> 9461512 </pubmed></ref>（図1）。その結果、Ser97、Ser130のリン酸化により、ドーパミンD₁受容体/PKA/DARPP-32シグナルは促進される。

 

　Ser97のリン酸化はDARPP-32の細胞質—核内シャトリングの調節に重要である。CK2によりリン酸化されたP-Ser97 DARPP-32は核外に輸送されるが、ドーパミンD1受容体刺激によってPKAが活性化されるとPP2Aが活性化されてP-Ser97が脱リン酸化され、DARPP-32が核内に蓄積する<ref name=ref3/>。

　DARPP-32のリン酸化レベルは、プロテインキナーゼによるリン酸化とプロテインホスファターゼによる脱リン酸化のバランスによって決定される。ドーパミンD₁受容体や[[アデノシン]][[A2A受容体|A_2A受容体]]によって活性化されるPKAシグナルはThr34をリン酸化し、グルタミン酸によるNMDA型グルタミン酸受容体やAMPA型グルタミン酸受容体の刺激に伴うCa²⁺シグナルによって活性化されるPP2BはP−Thr34を脱リン酸化する。このようにドーパミンD₁受容体やアデノシンA_2A受容体シグナルと、NMDA型グルタミン酸受容体・AMPA型グルタミン酸受容体シグナルは、Thr34のリン酸化を介して拮抗的に統合される<ref name=ref6><pubmed> 9334390 </pubmed></ref>。P-Thr34 DARPP-32は、PP2Bに加え、PKAにより活性化されるPP2A/[[B56δ]]によっても脱リン酸化される。

 

=== ドーパミンによるPKA/DARPP-32/PP1シグナル調節 ===

　ドーパミンD₁受容体刺激は[[Gs/olfタンパク質]]を介して[[アデニル酸シクラーゼ]]を活性化し、cAMP/PKA/P-Thr34 DARPP-32シグナルを促進してPP1を抑制する。一方、ドーパミンD₂受容体はGiタンパク質を介してアデニル酸シクラーゼを抑制するため、cAMP/PKA/P-Thr34 DARPP-32シグナルは抑制されてPP1は活性化する<ref name=ref6 />。

 

　ドーパミンD₁受容体刺激はPKAを介してPP2A/B56δを活性化し、P-Thr75を脱リン酸化する<ref><pubmed> 17301223 </pubmed></ref>。P-Thr75 DARPP-32によるPKAの抑制がはずれるため、cAMP/PKA/P-Thr34 DARPP-32シグナルは効率よく伝達されるようになる<ref name=ref7><pubmed> 11050161 </pubmed></ref>。また、活性化されたPP2A/B56δはP-Ser97も脱リン酸化するため、P-Thr34/dephospho-Ser97 DARPP-32が核内に蓄積して核内PP1を抑制する<ref name=ref3 />。

　DARPP-32はドーパミン作用増幅因子であるとともに、複数の[[神経伝達物質]]シグナルの統合分子としても重要である。線条体は、大脳皮質と[[視床]]からの興奮性グルタミン酸作動性入力を受ける。グルタミン酸は、NMDA型グルタミン酸受容体およびAMPA型グルタミン酸受容体を介するCa²⁺シグナルの活性化に加え、[[代謝型グルタミン酸受容体]]（mGluR）シグナルを活性化してDARPP-32リン酸化を調節する。その結果、グルタミン酸シグナルはドーパミン/PKA/DARPP-32/PP1シグナルと複雑な相互作用を示す<ref><pubmed> 15657149 </pubmed></ref>。さらに、線条体におけるDARPP-32リン酸化は、アセチルコリンを神経伝達物質とする介在神経や、アデノシン、[[セロトニン]]、[[GABA]]、[[エンケファリン]]、[[ニューロテンシン]]などにより調節を受けている<ref name=ref2 />。

 

 

 

 

 

　一方、間接路神経のDARPP-32は、自発行動、コカインによる移所運動の増加を抑制するが、ハロペリドールによるカタレプシーを促進する。また、これらの行動変化は、それぞれの神経におけるDARPP-32のリン酸化状態と相関性がある<ref name=ref8 />。

== 精神神経疾患におけるDARPP-32の関与 ==

=== 薬物依存症 ===

　[[コカイン]]の急性投与により、マウスの線条体においてP-Thr34 DARPP-32の増加およびP-Thr75 DARPP-32の減少が起こる<ref name=ref7 />。DARPP-32欠損マウス<ref name=ref10><pubmed> 9694658 </pubmed></ref>、T34A DARPP-32点変異マウス<ref name=ref11><pubmed> 16123776 </pubmed></ref>、D₁R-DARPP-32-Flag/D₂R-DARPP-32-Mycマウス<ref name=ref8 />、および直接路神経選択的DARPP-32欠損マウス<ref name=ref9 />の解析の結果、直接路神経におけるDARPP-32のThr34リン酸化がコカイン急性投与による自発運動増加に必要であることが明らかにさらた。その他、DARPP-32欠損マウスでは、[[アンフェタミン]]、コカイン、[[モルヒネ]]、[[ニコチン]]、[[テトラヒドロカンナビノール]]（[[大麻]]の主成分）の全身投与による線条体での[[細胞外シグナル調節キナーゼ]] ([[ERK]]) 活性化が抑制されることより<ref><pubmed> 15608059 </pubmed></ref>、DARPP-32は幅広い[[依存性薬物]]のドーパミン作用を増強していると考えられる。

　DARPP-32欠損マウスでは、コカインによる[[条件付け場所嗜好性試験]]（CPPテスト; conditioned place preference test）においてコカイン条件付けが減弱すること<ref><pubmed> 11955461 </pubmed></ref>や、CPPボックスでコカイン条件付けを行ったマウスを再びCPPボックスに戻すと側坐核でのP-Thr34 DARPP-32が増加することから<ref><pubmed> 18554320 </pubmed></ref>、薬物依存とDARPP-32の関連が示唆されている。コカイン慢性投与では、Cdk5誘導によるP-Thr75 DARPP-32増加と、P-Thr75 DARPP-32によるPKA抑制のためP-Thr34 DARPP-32減少をきたす<ref><pubmed> 11268215 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 26142455 </pubmed></ref>。また、T34A DARPP-32点変異マウスでは、コカイン急性投与による自発運動量増加が減弱しているにも関わらず、コカイン慢性投与により惹起される自発運動量が野生型マウスよりも増大しており、行動逆耐性がより強く形成される<ref name=ref11 />。このことは、直接路神経とは別の神経（例えば、間接路神経<ref name=ref9 />）において、行動逆耐性の形成をDARPP-32が抑制していることを示唆している。

　[[パーキンソン病]]の病態では、線条体におけるドーパミン作用の低下により、直接路神経ではP-Thr34 DARPP-32の低下、間接路神経ではP-Thr34 DARPP-32の増加が想定される。しかし、[[6-ヒドロキシドーパミン]]（[[6-OHDA]]）により黒質ドーパミン神経を片側的に破壊したパーキンソン病[[モデル動物]]では、線条体組織においても<ref name=ref12><pubmed> 12665799 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 16029214 </pubmed></ref> <ref name=ref13><pubmed> 17596448 </pubmed></ref>、直接路神経と間接路神経を個別に解析しても<ref name=ref14><pubmed> 22753408 </pubmed></ref>、P-Thr34 DARPP-32の明らかな変動は捉えられておらず、代償的な調節機構が働いていると考えられる<ref><pubmed> 22877786 </pubmed></ref>。

 

　パーキンソン病治療薬の[[レボドパ]]（[[L-DOPA]]）長期服用に伴う[[副作用]]として、ジスキネジアとよばれる[[不随意運動]]が問題となる。ジスキネジアには、ERK活性化を伴う直接路神経の過剰興奮が関与している<ref><pubmed> 21886608 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 18279379 </pubmed></ref>。ジスキネジア病態モデル[[動物]]の線条体では、P-Thr34 DARPP-32が増加し、ERK活性化を促進している<ref name=ref12 /> <ref name=ref14 />。また、DARPP-32欠損マウス<ref name=ref13 />、T34A DARPP-32点変異マウス<ref name=ref14 />、および直接路神経選択的DARPP-32欠損マウス<ref name=ref9 /> <ref name=ref14 />ではジスキネジア様行動異常が減弱することから、ジスキネジアにおける直接路神経過剰興奮の病態にDARPP-32の関与が示唆される。

　線条体や側坐核の間接路神経に発現するDARPP-32はドーパミンD₂受容体作用に対して拮抗的に作用するため<ref name=ref6 /> <ref name=ref8 />、[[抗精神病薬]]の主な薬理作用であるドーパミンD₂受容体アンタゴニストと類似の作用（[[陽性症状]]の改善）を持つと考えられる。線条体の間接路神経において、定型抗精神病薬であるハロペリドールの投与によりP-Thr34 DARPP-32が増加し<ref name=ref9 />、その結果、[[カタレプシー]]の発現を増強する<ref name=ref8 />。つまり、間接路神経でのDARPP-32作用は、抗精神病薬の副作用である[[錐体外路症状]]にも関係している。一方、DARPP-32は[[前頭葉]]（[[前頭前皮質]]）においてもドーパミンD₁受容体によるリン酸化調節を受けており<ref><pubmed> 16687181 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 21833500 </pubmed></ref>、[[陰性症状]]や認知機能障害の原因とされる[[中脳]]—皮質ドーパミン系の低活動や、抗精神病薬の陰性症状や認知機能障害に対する治療効果にも関与すると考えられる。

　[[アンフェタミン]]（[[覚せい剤]]、ドーパミン神経伝達の亢進）、[[ <small>D</small>-リセルグ酸ジエチルアミド]]（LSD、セロトニン神経伝達の亢進）、[[フェンシクリジン]]（PCP、グルタミン酸神経伝達の抑制）などの薬物は、それぞれ異なる機序で実験動物に統合失調症様の行動異常を引き起こす。これらの薬物をDARPP-32欠損マウス<ref name=ref10 />、DARPP-32点変異マウス（T34A、T75A、S130A）<ref><pubmed> 14631045 </pubmed></ref>に投与しても統合失調症様の行動異常が起きないことから、統合失調症の病態にDARPP-32の関与が示唆される。

 

　[[統合失調症]]患者において、抗精神病薬治療とは関係なく、前頭前皮質の神経細胞でDARPP-32タンパク質が減少していることが報告されている<ref><pubmed> 12150646 </pubmed></ref> <ref name=ref15><pubmed> 17521792 </pubmed></ref>。DARPP-32 mRNAについては、発現が前頭前皮質で低下しているという報告があるが<ref><pubmed> 18573638 </pubmed></ref>、不変<ref><pubmed> 16786528 </pubmed></ref>あるいは増加<ref><pubmed> 20874815 </pubmed></ref>という報告もあり、意見の一致を見ていない。また、双極性障害患者においても前頭前皮質におけるDARPP-32発現の低下が報告されている<ref name=ref15 />。さらに、統合失調症および[[双極性障害]]の前頭前皮質でDARPP-32のN末端を欠失した[[スプライスバリアント]]であるt-DARPP (truncated isoform of DARPP) [[mRNA]]が増加しているという報告がある<ref><pubmed> 23295814 </pubmed></ref>。[[動物実験]]では、出生前の[[リポ多糖]]類暴露による統合失調症モデル動物において前頭前皮質のDARPP-32の減少が見られるが<ref><pubmed> 17180123 </pubmed></ref>、すべての統合失調症モデル動物においてDARPP-32の発現が低下するわけではない<ref><pubmed> 22820052 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 16132062 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 23313709 </pubmed></ref>。