「神経型PASドメインタンパク質」の版間の差分

NPASファミリーに属する最初のメンバーは、1990年代後半から2000年代初頭にかけて同定された。NPAS1は、低酸素応答転写因子HIFファミリー、特にHIF1αやHIF2αと相同性を持ち、当初はHIF3αのアイソフォーム（IPAS［inhibitory PAS domain protein］）として報告された側面もある<ref name=Hogenesch1997><pubmed>9079689</pubmed></ref><ref name=Makino2002><pubmed>12119283</pubmed></ref>（Hogenesch et al. 1997; Makino et al., 2002）。NPAS2（別名MOP4［members of PAS superfamily 4］）は、概日リズムの中核因子であるCLOCKとの高い相同性から発見され、哺乳類の概日時計におけるCLOCKの機能的パラログとして同定された<ref name=Hogenesch1997><pubmed>9079689</pubmed></ref><ref name=Reick2001><pubmed>11441147</pubmed></ref>（Hogenesch et al., 1997; Reick et al., 2001）。その後、NPAS3（別名MOP6）が脳での発現パターンと神経発生における潜在的な役割に基づいてクローニングされ<ref name=Zhou1997><pubmed>9012850</pubmed></ref><ref name=Kamnasaran2003><pubmed>12746393</pubmed></ref>（Zhou et al., 1997; Kamnasaran et al., 2003）、NPAS4（別名MOP8, NXF, Le-PAS）は、神経細胞の活動、特に膜脱分極やカルシウム流入に応答して迅速かつ一過的に発現が誘導される最初期遺伝子IEG（immediate early gene）として、複数の研究グループによって独立に同定された<ref name=Ooe2004><pubmed>14701734</pubmed></ref><ref name=Moser2004><pubmed>15363889</pubmed></ref><ref name=Shamloo2006><pubmed>17156197</pubmed></ref>（Ooe et al., 2004; Moser et al., 2004; Shamloo et al. 2006）。これらの発見とそれに続く研究により、NPASファミリーが神経系の発生、シナプス機能、可塑性、学習・記憶、概日リズム、代謝調節など、極めて多様な生命現象において重要な役割を担っていることが明らかになった。特にNPAS3とNPAS4は神経系での発現が顕著であることから"neuronal" PAS domain proteinと命名された経緯があるが、NPAS1やNPAS2のように神経系以外の組織（肝臓、肺など）での機能も報告されている<ref name=Bersten2013><pubmed>24263188</pubmed></ref>（Bersten et al., 2013）。

NPASファミリータンパク質は、その機能発現に必須な共通のドメイン構造を有している<ref name=Gu2000><pubmed>10836146</pubmed></ref><ref name=Kewley2004><pubmed>14643885</pubmed></ref>（Gu et al., 2000; Kewley et al., 2004）（図１）。

1. N末端領域：この領域はメンバー間で多様性が高く、特定の機能は一概には言えないが、転写活性化ドメインの一部や他のタンパク質との相互作用部位を含むことがある。

機能を発揮する基本的なメカニズムとして、NPASタンパク質は細胞質または核内で、適切なパートナーとヘテロ二量体を形成する<ref name=Greb-Markiewicz2018><pubmed>29899116</pubmed></ref>（Greb-Markiewicz, et al. 2018）。この複合体が核内に移行（または核内で形成）し、標的遺伝子の調節領域に存在するE-box配列に結合することで、リクルートした転写共役因子群とともにクロマチン構造の変化やRNAポリメラーゼIIの動員を介して、転写を活性化または抑制する。

哺乳類において、NPASファミリーは以下の4つの主要なメンバーによって構成される（図１）。これらはアミノ酸配列、特にbHLHドメインとPASドメインにおいて高い相同性を示すが、それぞれ異なる遺伝子にコードされ、発現パターンや生理機能、制御機構において独自の特徴を持つ。

NPAS1（Neuronal PAS domain protein 1）：当初、低酸素誘導因子HIF3αの転写抑制型アイソフォーム（IPAS）として同定された経緯があり、HIFファミリーとの関連が深い<ref name=Hogenesch1997><pubmed>9079689</pubmed></ref>（Hogenesch et al. 1997; Makino et al., 2002）。HIF3α遺伝子からは複数のスプライシングバリアントが生成され、NPAS1はその一つであるが、HIF3αとは独立した機能も持つ。主に脳と脊髄で発現しており、NPAS3と共に生後の海馬での神経新生に重要な役割を果たすことが示されている<ref name=Michaelson2017><pubmed>28499489</pubmed></ref>（Michaelson et al. 2017）。肺における発現が見られ、気管形成に関与している<ref name=Levesque2007><pubmed>17110583</pubmed></ref>（Levesque et al., 2007）。

NPAS2（Neuronal PAS domain protein 2）：概日リズム制御因子であるCLOCKの最も近縁なパラログである<ref name=Hogenesch1997><pubmed>9079689</pubmed></ref>（Hogenesch et al., 1997）。主に前脳領域（大脳皮質、線条体、海馬）および概日リズムの中枢である視交叉上核（SCN［suprachiasmatic nucleus］）で高発現している（Reick et al., 2001）。SCNにおいては、CLOCKと共に転写フィードバックループのコアを形成し、概日時計の発振に関与するが、CLOCK非存在下でもある程度の時計機能を維持できる（Parekh et al. 2019）。また、末梢組織（肝臓など）の概日時計や代謝調節、睡眠・覚醒サイクル、さらには学習・記憶への関与も報告されている<ref name=Dudley2003><pubmed>12843397</pubmed></ref><ref name=Garcia2000><pubmed>10864874</pubmed></ref>（Dudley et al., 2003; Garcia et al., 2000）。前述の通り、ヘムを結合しCOセンサーとして機能するユニークな特徴を持つ<ref name=Dioum2002><pubmed>12446832</pubmed></ref>（Dioum et al., 2002）。

NPAS3（Neuronal PAS domain protein 3）：主に中枢神経系で強く発現しており、特に発生期の脳や、成熟脳の海馬（特に歯状回）、嗅球、線条体、大脳皮質（特に辺縁皮質）、視床、松果体などで顕著な発現が確認されている<ref name=Brunskill2005><pubmed>16190882</pubmed></ref><ref name=Michaelson2017><pubmed>28499489</pubmed></ref>（Brunskill et al., 2005; Michaelson et al., 2017）。神経発生過程における神経細胞の分化、移動、生存に必須であり、NPAS3ノックアウトマウスでは重篤な神経発達異常（海馬形成不全、脳室拡大など）とそれに伴う行動異常（学習障害、多動性など）を示す<ref name=Brunskill2005><pubmed>16190882</pubmed></ref><ref name=Michaelson2017><pubmed>28499489</pubmed></ref>（Brunskill et al., 2005; Michaelson et al., 2017）。また、ドーパミン作動性神経系の調節や、精神機能維持における重要性が、ヒト遺伝学的研究からも強く示唆されている<ref name=Kamnasaran2003><pubmed>12746393</pubmed></ref><ref name=Pickard2009><pubmed>18317462</pubmed></ref>（Kamnasaran et al., 2003; Pickard et al., 2009）。

NPAS4（Neuronal PAS domain protein 4）：NXF（neuronal transcription factor）, Le-PAS（limbic system expressed PAS protein）など、複数の名称で報告されてきた<ref name=Ooe2004><pubmed>14701734</pubmed></ref><ref name=Moser2004><pubmed>15363889</pubmed></ref><ref name=Shamloo2006><pubmed>17156197</pubmed></ref>（Ooe et al., 2004; Moser et al., 2004; Shamloo et al. 2006）。最も顕著な特徴は、神経活動（特に興奮性シナプス入力や、それに伴う細胞内カルシウム濃度の上昇）に応答して、ニューロン内で迅速かつ一過的に転写が活性化される最初期遺伝子（IEG）である点である<ref name=Lin2008><pubmed>18815592</pubmed></ref>（Lin et al., 2008）。主に興奮性ニューロンで発現するが<ref name=Lin2008><pubmed>18815592</pubmed></ref><ref name=Bloodgood2013><pubmed>24201284</pubmed></ref>（Lin et al., 2008; Bloodgood et al., 2013）、抑制性ニューロンでの発現も報告されている<ref name=Spiegel2014><pubmed>noPMID</pubmed></ref><ref name=Yoshihara2014><pubmed>25088421</pubmed></ref>（Spiegel et al., 2014; Yoshihara et al., 2014）。海馬、大脳皮質、扁桃体、線条体、嗅球などの脳領域で高発現し、神経活動依存的な遺伝子発現プログラムを制御するマスターレギュレーターとして機能し、特に抑制性シナプスの形成・維持を通じた神経回路の恒常性維持、シナプス可塑性、学習・記憶形成に不可欠な役割を担うことが明らかにされている<ref name=Lin2008><pubmed>18815592</pubmed></ref><ref name=Bloodgood2013><pubmed>24201284</pubmed></ref><ref name=Ramamoorthi2011><pubmed>22194569</pubmed></ref><ref name=Spiegel2014><pubmed>noPMID</pubmed></ref><ref name=Yoshihara2014><pubmed>25088421</pubmed></ref><ref name=Yoshihara2014><pubmed>25088421</pubmed></ref><ref name=Sun2022><pubmed>36343253</pubmed></ref>（Lin et al., 2008; Bloodgood et al., 2013; Ramamoorthi et al., 2011; Spiegel et al., 2014; Yoshihara et al., 2014; Sun & Lin, 2016）（図３）。

これら4つのNPASメンバーは、基本的な構造と作用機序（適切なパートナーとのヘテロ二量体形成とE-boxへの結合）を共有しつつも（図２）、それぞれが異なる時空間的発現パターン、異なる標的遺伝子群、そして異なる生理機能を持つことで、生命現象の多様な側面を分担して制御していると考えられる。

NPASファミリーメンバーの発現は、組織および細胞レベルで特異的なパターンを示す。

NPASファミリータンパク質はすべて転写因子であるため、その主要な機能部位は細胞核内である。細胞質で合成された後、核移行シグナル（NLS［nuclear localization signal］）やパートナー分子との結合などによって核内に輸送されると考えられる。核内では、パートナー分子とヘテロ二量体を形成し、標的遺伝子のDNA（E-box配列）に結合して転写複合体を形成する。NPAS4は、神経活動に応じて発現量がダイナミックに変化し、核内存在量や活性が時間経過と共に厳密に制御されていると考えられる。一部のbHLH-PASタンパク質では、リン酸化などの翻訳後修飾によって核-細胞質間シャトリングが制御される例も知られており<ref name=Kondratov2003><pubmed>12897057</pubmed></ref>（Kondratov et al., 2003）、NPASファミリーにおいても同様の制御機構が存在する可能性が考えられるが、詳細なメカニズムはまだ十分に解明されていない。

NPASファミリータンパク質は、分子レベルでの転写調節因子としての機能を通じて、個体レベルでの多様な生理現象に関与する。

リガンド応答性：NPAS2はヘムをリガンドとして結合し、細胞内のガス状分子（CO, O2, NO）の濃度変化に応じてその立体構造や転写活性が変化する可能性が示唆されている<ref name=Dioum2002><pubmed>12446832</pubmed></ref><ref name=Gilles-Gonzalez2005><pubmed>15598487</pubmed></ref>（Dioum et al., 2002; Gilles-Gonzalez & Gonzalez, 2005）。これにより、NPAS2は細胞の代謝状態（例：ヘム生合成レベル）やガス環境を感知し、概日リズムや代謝関連遺伝子の発現を調節する役割を担っていると考えられる<ref name=Kitanishi2008><pubmed>18479150</pubmed></ref>（Kitanishi et al., 2008）。NPAS1, 3, 4も、PAS-Bドメイン内にリガンド結合ポケットを有することが構造的に示されており<ref name=Wu2016><pubmed>noPMID</pubmed></ref><ref name=Sun2016><pubmed>26987258</pubmed></ref>（Wu et al., 2016; Sun et al., 2022）（図２）、これらのタンパク質は未知の内因性リガンドによって活性が制御されている可能性が考えられる。

分子レベルでの転写調節機能を通じて、各NPASメンバーは個体レベルで以下のような多様な生理機能を発揮する。

1. NPAS1：