「シナプシン」の版間の差分

<font size="+1">[http://researchmap.jp/read0179444/ 山肩 葉子]</font><br>

DOI：<selfdoi />　原稿受付日：2014年10月1日　原稿完成日：2014年10月3日<br>

同義語：プロテインI 、III

{{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]]結合タンパク質で、[[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]]、[[ホスファターゼ]]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]]タンパク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タンパク質として、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、[[シナプス前部]]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[[wikipedia:ja:ポール・グリーンガード|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A]]、[[PKA]]）によってリン酸化される主要なタンパク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<br>{{DOI|10.1016/B978-008045046-9.01776-9}}</ref> <ref name=ref2><pubmed> 20438797 </pubmed ></ref>。これらのリン酸化タンパク質は、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。

　生化学的なタンパク質精製の結果、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、[[ドーパミン]]、[[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タンパク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>。

 

　その後、シナプシンI、II、III遺伝子のノックアウトマウスの作製・解析が進み、近年ではシナプシンI、IIが相補的な役割を果たすと理解され、これらが2量体を形成し、2価性にシナプス小胞に結合して架橋することにより、神経終末においてシナプス小胞の予備のプールを維持・安定化する上で必須の分子であること、またその結果、連続刺激の際に放出可能なシナプス小胞を動員し、シナプス抑圧を制限する上で、特に重要な役割を果たすことがわかってきた<ref name=ref1 /> <ref name=ref2 /> <ref name=ref5>'''M V Khvotchev, J Sun'''<br>Synapsins.<br>Encyclopedia of Neuroscience, Academic Press: 2009, 705-708<br>{{DOI|10.1016/B978-008045046-9.01374-7}}</ref>。

 

　リン酸化によるシナプシンのタンパク質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|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 />。

[[ファイル:Yokoyamagata Fig 1.jpg|サムネイル|右|400px|'''図1：哺乳類のシナプシン各アイソフォーム（Ia, Ib; IIa, IIb; IIIa）のドメイン構造'''<br>左側がアミノ末端、右側がカルボキシル末端。]]

 

　シナプシンは系統発生学的によく保存されたタンパク質ファミリーで、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=ref2 /> <ref name=ref5 />（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]]といった細胞骨格タンパク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]]/[[cdk5|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]]を含むタンパク質と結合する領域やCaMKII、[[rab3]]と結合する領域も含んでいる。

*ドメインEは、カルボキシル末端に存在し、シナプシンIa、IIa、IIIaに共通かつ、よく保存されており、シナプシンが[[シナプス前終末]]にターゲッティングされるための、重要な要素のひとつと考えられている。また、シナプス小胞の動態に影響を及ぼす領域とも考えられている。

[[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、ホスファターゼ'''<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、プロテインホスファターゼ2A；PrP2B、プロテインホスファターゼ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ホスファターゼがあることがわかっている<ref name=ref2 /> <ref name=ref6><pubmed> 14501147 </pubmed ></ref>（図２）。すなわち、site 1、2・3は、プロテインホスファターゼ2Aによって、site 4・5、6は、プロテインホスファターゼ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=ref2 /> <ref name=ref3 /> <ref name=ref4 />。

　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]]、ドーパミン・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有芯顆粒（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=ref1 /> <ref name=ref2 /> <ref name=ref4 /> <ref name=ref5 />。

　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）。]]

 

　シナプシンI、II、IIIの単体、ダブル、トリプルノックアウトマウス（KO、DKO、TKO）が作製されたが、それらの脳の構造や形態には大きな異常が認められないことから、シナプシンは正常な脳の発達には必ずしも必要ではないと考えられる<ref name=ref1 /> <ref name=ref5 />。

　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=ref1 /> <ref name=ref2 /> <ref name=ref4 />。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> <ref name=ref8><pubmed> 22933803 </pubmed ></ref>（図3）。

　シナプシンI/II DKOやシナプシンI/II/III TKOの海馬興奮性シナプスでは、通常のシナプス伝達には異常が認められなかったが、連続刺激を与えた際に観察されるシナプス抑圧が、野生型の場合よりも遙かに速く起こり、かつ増強していた<ref name=ref1 /> <ref name=ref2 /> <ref name=ref4 />。これは、連続刺激の際に放出可能なシナプス小胞の補充が追いつかず、その数が不足するために起こるものと考えられる。従って、シナプシンは、通常のシナプス伝達には必ずしも必要ではないが、形質膜から離れた予備の小胞プールを維持することにより、連続刺激の際に放出可能な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と考えられる。

　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=ref9><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・ホスファターゼが、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I/II/III TKOの海馬培養神経細胞にシナプシン各アイソフォームを単体で導入したところ、シナプシンIIaのみが、シナプス小胞の予備のプールとシナプス抑圧を一定程度回復させることができた。従って、シナプシンファミリーの中ではシナプシンIIaがその一義的な役割を担うと考えられる <ref name=ref1 /> <ref name=ref10><pubmed> 18945891 </pubmed ></ref>。

　シナプシンI/II/III TKOの海馬の抑制性シナプスでは、興奮性シナプスとは異なり、通常のシナプス伝達自体が低下していた。一方、連続刺激の際のシナプス抑制には著変がなかった。また、シナプス小胞の総数が減少していたが、興奮性シナプスとは異なり、予備のプールだけでなく、[[放出可能プール]]も含めて全体的に減少していた。従って、興奮性シナプスと抑制性シナプスでは、シナプシンが異なる働きをしていると考えられる<ref name=ref1 /> <ref name=ref2 />。

 

　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、シナプシン以外のタンパク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=ref7 /> <ref name=ref8 /> <ref name=ref11><pubmed> 18077680 </pubmed ></ref>。

　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、シナプシン以外のタンパク質分子もこれら構造物を構成している可能性がある<ref name=ref12><pubmed> 17596435 </pubmed ></ref>。

# シナプス小胞の固定化・集合化には、おそらく、ドメインCを介するホモ二量体、ヘテロ二量体の形成により、シナプス小胞を2価性に結合し架橋することが役立っている。

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

* [[神経伝達物質]]

* [[カルシウムカルモジュリン依存性タンパク質キナーゼ]]