商品情報

記事ID : 33561
研究用

自閉スペクトラム症におけるGEF Trioの役割 CYTOSKELETON NEWS 2018年1月号

このエントリーをはてなブックマークに追加

CYT_201801_1.jpg

自閉スペクトラム症におけるGEF Trioの役割

神経発達症、自閉スペクトラム症 (ASD)などの知的障害は、神経細胞の樹状突起や樹状突起スパインの発育異常と関連があります。ASDは、行動障害が複雑に組み合わさったもので、社会的相互作用やコミュニケーションの欠陥、限定された行動パターンが特徴です。最近の研究では、世界人口の1%がASDと考えられています1。樹状突起スパインは、F-アクチンと、構造・機能が柔軟に変化するスパインとによって構成されています。RhoファミリーであるGTPアーゼが動的アクチンを制御しており、スパインはこの動的アクチンに依存しています。実際、RacとPAKのエフェクタータンパク質が、樹状突起スパインの発生・伸長・枝分かれといった、正常な脳の発達と機能の制御に必須です2-4

最近の遺伝学の研究により、個々の知的障害者は、RhoファミリーGTPアーゼ活性化タンパク質 (GAP) などの RhoファミリーであるGTPアーゼシグナリング、セリン/スレオニンキナーゼ(PAK3)、Rac/Cdc42グアニン交換因子 (GEF) αPIX5に変異があることが分かってきました。しかも、PAK阻害因子であるFRAX486は、最も一般的な遺伝性の自閉症および認知症である脆弱X症候群 (FXS) に対する効果的な治療薬です。FRAX486は、FXS6in vivoモデルにおいて、樹状突起スパインを正常な形態に戻し、異常行動を改善します。その上、in vivoでのASDモデルであるShank3ノックアウトマウスにおいて、Rac1の活性化により、またはアクチン脱重合タンパク質であるコフィリンを阻害することで、ASD様の表現型を改善しました7-12

Rhoファミリーの一員であるGEF Trioは、多機能でマルチドメインを持つGEFであり、発育中の脳で広く分布しています13-15(図1)。神経細胞において最も多くTrioが発現するのは、出生前/初期の新生児期です。これは、Trioが初期の神経細胞の発育で重要な役割があることを示しています13-15。多くのTrioのアイソフォームは、場所と成長に特異的な、そのアイソフォーム独自の発現パターンを示します(図1)。海馬と皮質の神経細胞では、Trio-9は有力なアイソフォームです13,14。Trioは2つの別々のGEFドメインを通じて、RhoファミリーであるGTPアーゼのRhoAとRac1の活性化を媒介し、神経伝達において重要な、アクチンが元となる多数の構造変化を制御しています16-17

CYT_201801_2.jpg
図1. Rhoファミリー GEF TrioにおけるASD関連変異
A.多ドメインにまたがるミスセンス変異   B. GEF1ドメインがすべて欠失することにより起きる16エキソンの欠失
C. 一つのヌクレオチドが欠失することでGEF1/DH1ドメインで形成されるストップコドン
∗ それぞれの変異は認知障害の診断に利用できる。(Trioのアミノ酸配列は NCBI Reference Sequence: NP_009049.2 より)

Trio/Rac1による神経伝達の制御

本稿では、Trioが媒介するRac1の活性化と、Rac1が媒介していると考えられている細胞骨格のF-アクチンの再構築と、それが元となり、海馬と皮質の樹状突起スパインにて引き起こされるグルタミン酸の作用による神経伝達の変化に焦点を当てます。

グルタミン酸による神経伝達が機能しない障害は、ASDと関連があると考えられています18-21。最近、Trio、Rac1、グルタミン酸が作用して起きる神経伝達と、ASDとの関連が研究が始まりました。海馬の培養切片の神経細胞における野生型の-の過剰発現は、AMPAレセプター(AMPAR)が媒介する興奮性シナプス後電流 (eEPSC) の上昇を引き起こし、Trioのノックダウンは逆の効果をもたらします22。重要なことは、NMDAレセプター(NMDAR) が媒介するシナプスの活動は、いずれかの処理により明確に引き起こされるわけではないことです22。逆に、海馬の培養切片の神経細胞において、shRNAのトランスフェクションによるTrioのノックダウンにより、AMPARが媒介する興奮性シナプス後電流 (eEPSC)の選択的な上昇が起きます23, 24。Trioのノックダウンは、初期の海馬の培養切片においてAMPARのエンドサイトーシスを減少させ、樹状突起スパインの伸長と枝分かれを促進します23,24。これらの効果が異なるのは、Trioの発現が減少する時点の違いに起因します。

グルタミン酸による神経伝達をTrio/Rac1が媒介して制御していることと、ASDにおける役割が分かっていることから、ASDモデルにおいてTrioの変異がどのように影響しているのかが研究がされました。Trio遺伝子のRac GEFドメイン内のいくつかの変異が、Rac1の活性を減少させ、知的障害、指の異形症、小頭症という表現型で現れる遺伝的な発達遅延と関連しています25(図1)。さらに、ASDまたはそれに関連する障害を持つ個々の患者のTrioのRac活性サブドメイン内(GEF1/DH1; 175アミノ酸)に、6箇所のde novoミスセンス変異が新たに発見され、一か所のヌクレオチドの欠失によりストップコドンが形成されていることが分かりました(図1)。

この変異によって、ASDのin vitroモデルでは、Rac1とグルタミン酸による神経伝達を活性化するために、Trioの機能の活性が低下することも上昇することもあり得ます。Trioの変異は、Rac1の活性低下をもたらし、さらにNMDARが媒介する興奮性シナプス後電流 (eEPSC) は変化しないのにもかかわらず、沈静したシナプス(たとえば、AMPARを全く持たないシナプス)の数が増加することで、AMPARが媒介する興奮性シナプス後電流 (eEPSC)の低下をもたらします。グルタミン酸によるシナプス形成の増加により、Trioの変異は、活性化されたRac1レベルとAMPARの爆発的な増加と、NMDARが媒介する興奮性シナプス後電流 (eEPSC)の爆発的な上昇をもたらします26。Trio/Rac1が媒介するグルタミン酸による神経伝達の刺激の低下と上昇は、神経の発達や認識力に逆に作用し、ASDとそれに関連する障害を診断治療する際に考慮する必要があります。

まとめ

グルタミン酸が作用するシナプスで、Rac1媒介性のアクチン細胞骨格について、変異Trioが異常な制御を行い、2方向への再構築が起きてしまうことがASDの証拠であるということが最近のデータより強く示唆されました。これによれば、Trio/Rac1シグナリングは、合流点であり、ASDとそれに関連する行動と認識障害の原因となる分子メカニズムであると言えます。ASD、神経発達障害、知的障害においてアクチン制御を行うRhoファミリーのGTPアーゼの役割を理解するために、Cytoskeleton社は精製GEFとアクチベーター、インヒビター、抗体、そして低分子 GTPアーゼの活性アッセイキットをご用意しています。また、F-アクチンの生細胞イメージングプローブ (SiRシリーズSiR700シリーズ)などの他の試薬やアクチン重合や結合、in vivoレベルでのモノマー対ポリマーのアクチンの研究に使えるキットもご用意しています。

参考文献
  1. http://www.autism-society.org/what-is/facts-and-statistics/.
  2. Boda B. et al. 2004. The mental retardation protein PAK3 contributes to synapse formation and plasticity in hippocampus. J. Neurosci. 24, 10816-10825.
  3. Asrar S. et al. 2009. Regulation of hippocampal long-term potentiation by p21-activated protein kinase 1 (PAK1). Neuropharmacology. 56, 73-80.
  4. Huang W. et al. 2011. P21-activated kinases 1 and 3 control brain size through coordinating neuronal complexity and synaptic properties. Mol. Cell Biol. 31, 388-403.
  5. Ramakers G.J.A. 2002. Rho proteins, mental retardation and the cellular basis of cognition. Trends Neurosci. 25, 191-199.
  6. Dolan B.M. et al. 2013. Rescue of fragile X syndrome phenotypes in Fmr1 KO mice by the small-molecule PAK inhibitor FRAX486. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 5671-5676.
  7. Bonaglia M.C. et al. 2001. Disruption of the ProSAP2 gene in a t(12;22)(q24.1;q13.3) is associated with the 22q13.3 deletion syndrome. Am. J. Hum. Genet. 69, 261-268.
  8. Moessner R. et al. 2007. Contribution of SHANK3 mutations to autism spectrum disorder. Am J. Hum. Genet. 81, 1289-1297.
  9. Durand C.M. et al. 2007. Mutations in the gene encoding the synaptic scaffolding protein SHANK3 are associated with autism spectrum disorders. Nat. Genet. 39, 25-27.
  10. Durand C.M. et al. 2012. SHANK3 mutations identified in autism lead to modification of dendritic spine morphology via an actin-dependent mechanism. Mol. Psychiatry. 17, 71-84.
  11. Duffney L.J. et al. 2013. Shank3 deficiency induces NMDA receptor hypofunction via an actin-dependent mechanism. J. Neurosci. 33, 15767-15778.
  12. Duffney L.J. et al. 2015. Autism-like deficits in Shank3-deficient mice are rescued by targeting actin regulators. Cell Rep. 11, 1400-1413.
  13. McPherson C.E. et al. 2005. Multiple novel isoforms of Trio are expressed in the developing rat brain. Gene. 347, 125-135.
  14. Portales-Casamar E. et al. 2006. Identification of novel neuronal isoforms of the Rho-GEF Trio. Biol. Cell. 98, 183-193.
  15. Miller M.B. et al. 2013. Neuronal RhoGEFs in synaptic physiology and behavior. Neuroscientist. 19, 255-273.
  16. Seipel K. et al. 1999. Trio amino-terminal guanine nucleotide exchange factor domain expression promotes actin cytoskeleton reorganization, cell migration and anchorage-independent cell growth. J. Cell Sci. 112, 1825-1834.
  17. Chhatriwala M.K. et al. 2007. The DH and PH domains of Trio coordinately engage Rho GTPases for their efficient activation. J. Mol. Biol. 368, 1307-1320.
  18. Carlson G.C. 2012. Glutamate receptor dysfunction and drug targets across models of autism spectrum disorders. Pharmacol. Biochem. Behav. 100, 850-854.
  19. Rojas D.C. 2014. The role of glutamate and its receptors in autism and the use of glutamate receptor antagonists in treatment. J. Neural. Transm. 121, 891-905.
  20. Volk L. et al. 2015. Glutamate synapses in human cognitive disorders. Annu. Rev. Neurosci. 38, 127-149.
  21. Bourgeron T. 2015. From the genetic architecture to synaptic plasticity in autism spectrum disorder. Nat. Rev. Neurosci. 16, 551-563.
  22. Herring B.E. and Nicoll R.A. 2016. Kalirin and Trio proteins serve critical roles in excitatory synaptic transmission and LTP. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 2264-2269.
  23. Ba W. et al. 2016. TRIO loss of function is associated with mild intellectual disability and affects dendritic branching and synapse function. Hum. Mol. Genet. 25, 892-902.
  24. Ba W. and Kasri N.N. 2017. RhoGTPases at the synapse: An embarrassment of choice. Small GTPases. 8, 106-113.
  25. Pengelly R.J. et al. 2016. Mutations specific to the Rac-GEF domain of TRIO cause intellectual disability and microcephaly. J. Med. Genet. 53, 735-742.
  26. Sadybekov A. et al. 2017. An autism spectrum disorder-related de novo mutation hotspot discovered in the GEF1 domain of Trio. Nat. Commun. 8, 601.

GTPase Assay kits

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
RhoGEF Exchange Assay詳細データ CYT BK100 1 KIT
[60-300 assays]
¥197,000
Rac1 Pulldown Activation Assay Kit詳細データ CYT BK035-S 1 KIT
[20 assays]
¥108,000
Rac1 Pulldown Activation Assay Kit詳細データ CYT BK035 1 KIT
[50 assays]
¥212,000
Rac1 G-LISA(R) Activation Assay Kit詳細データ CYT BK126 1 KIT
[96 assays]
¥264,000
Rac1 G-LISA(R) Activation Assay Kit, Trial Size詳細データ CYT BK128-S 24 ASSAY
¥160,000
Rac1 G-LISA(R) Activation Assay Kit詳細データ CYT BK128 1 KIT
[96 assays]
¥264,000

Spirochrome™ Live Cell Imaging Probes

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
SiR-Actin Kit詳細データ CYT CY-SC001 1 KIT
[50-300 slides]
¥150,000

GEF Proteins

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
ARNO, Human詳細データ CYT CS-GE07 1*100 UG
¥106,000
Dbs protein GEF domain - His tagged詳細データ CYT GE01-A 2*50 UG
¥85,000
Ras-GRF, Human詳細データ CYT CS-GE03 1*100 UG
¥106,000
SOS1, Human CYT CS-GE02 1*100 UG
販売終了
SOS1, Human CYT CS-GE02-XL 1*1 MG
販売終了
Tiam1, Human詳細データ CYT CS-GE04 1*100 UG
¥106,000
Vav1, Human詳細データ CYT CS-GE05 1*100 UG
¥106,000
Vav2, Human詳細データ CYT CS-GE06 1*100 UG
¥106,000

■ CYTOSKELETON NEWS バックナンバー

2018年
2017年
2016年
2015年
2014年
2013年
2012年

商品は「研究用試薬」です。人や動物の医療用・臨床診断用・食品用としては使用しないように、十分ご注意ください。

お問い合わせ

「CYTOSKELETON NEWS 2018年1月号」は、下記のカテゴリーに属しています。

メーカー・代理店一覧

サポート情報

SNSアカウント

© COSMO BIO