商品情報

記事ID : 33768
研究用

RhoファミリーGEFと樹状突起スパインの構造的可塑性 CYTOSKELETON NEWS 2018年4月号

このエントリーをはてなブックマークに追加

CYT_201804_1.jpg

RhoファミリーGEFと樹状突起スパインの構造的可塑性

樹状突起スパインは、最も興奮性の高いグルタミン酸性シナプスにおけるシナプス後成分であり、シナプス機能調節におけるシナプス構造的可塑性1-4の主要部位です3。スパインにおける活性に依存した構造的可塑性は(例えばスパイン形態形成)は、スパインの主要構成成分であるF-アクチンの動的な再構成に依存します1-7。スパイン形態形成は、正常な学習や記憶、および神経変性疾患や神経障害の発生において重要な意味があります8-10


RhoA、Rac1、Cdc42などのGTPアーゼがスパイン形態形成を制御します。RhoAがスパイン成長や安定性を阻害するのに対し、Rac1やCdc42は反対の効果を発揮します。実際には、Rhoファミリーによるスパイン構造的可塑性の制御は、もっと複雑です5,7,11-16。グアニン交換因子(GEF)によってGTP/GDP交換が引き起こされ、GTPアーゼ活性化タンパク質(GAP)が本来持つ活性が刺激されることで、Rho GTPアーゼが精密に空間的時間的に制御されます。少なくとも8種類のRhoファミリーGEFがスパイン形成を制御し、これらGEFがNMDA型グルタミン酸受容体(NMDAR)や受容体チロシンキナーゼ(RTK)を始めとする様々な受容体シグナル伝達経路を介して活性化されます5-7。NMDARはカルシウム流入と、その後のカルシウム/カルモジュリン依存性キナーゼ(CaMK)の活性化を媒介し、これによりGEF活性に必須なRhoファミリーGEFのリン酸化が生じます5,7,17,18。本稿では、RhoファミリーGEFのKalirin7 (Kal7: 成体脳で最も豊富に存在するアイソフォーム)、Trio-9 (海馬で最も豊富に存在するアイソフォーム)、Tiam1、RasGRF2、DOCK10、DOCK180、ephrexin1、ephrexin5によるスパイン構造可塑性の制御について討論します(図1)。

 

CYT_201804_2.jpg
図1. RhoファミリーGEFによる樹状突起スパイン構造可塑性の制御

RacとCdc42 GEF

Rac GEF Kal7は、成熟した海馬や皮質性ニューロンのスパインにおいて高発現しています。Kal7はシナプス可塑性において最も研究された形態であり、おそらく学習や記憶の細胞レベルでの基盤であるNMDAR依存性長期増強 (LTP) に必須です19,20。カルシウム活性型CaMKIIはKal7のThr95残基をリン酸化し、これによりKal7媒介性のRac1活性化と活動依存的なスパイン形態形成に必要なアクチン細胞骨格の再編成が可能となります17,18,21,22in vitroin vivoにおいて、Kal7活性上昇によりスパインの密度と大きさが増大しますが、一方、Kal7はスパインの密度を下げるよう下方制御しています17,18,21-24。同様に、KalirinパラログのGEF Trio-9はCaMKIIによりリン酸化され、Kal7と同様の様式で海馬ニューロンにおけるNMDAR依存性LTPを制御し、おそらく同時にスパイン構造の可塑性を制御します18。さらに、Kal7活性は、シナプス経由の接着分子の類であるN-カドヘリン誘導性のスパイン形態形成に必須です5, 22(図1)。


Rac GEF Tiam1は、発生過程の小脳や海馬において高発現し、このタンパク質もCaMKII媒介型のリン酸化を経てRac1の活性化を行います17, 25。Tiam1機能を選択的に遮断すると、スパイン密度が低減し、NMDAR依存性の新規スパイン形成が阻害される反面、Tiam1を過剰発現するとスパイン密度が増大します5, 25。興味深いことに、Tiam1誘導性Rac活性化、その後のスパイン形態形成、およびTiam1のスパインへの限定された局在化は、極性タンパク質PAR-3 (partitioning-defective gene 3)26により制御されています(図1)。


アクチンに基づくスパイン可塑性を制御する他のRac GEFには、RasGRF2とDOCK180があります。RasGRF2は、NMDAR依存性LTPと、関連する迅速なスパイン拡大に必須です27。同様に、ELMO1とともに必須複合体に属するDOCK180もまた、ニューロンにおけるRac GTPアーゼの活性化を介してスパイン形態形成を正に制御します。DOCK180の欠損によりスパイン頭部の大きさに影響を与えることなくスパイン密度が減少し、一方で過剰発現により密度が高くなります28(図1)。


Rac GEFもまた、EphB RTK活性化後にリン酸化されます5-7,17,22,29(図1)。Kal7はEphB媒介型スパイン密度増大に必要であり30、Kal7のリン酸化はEphBまたは関連キナーゼの何れかに媒介される可能性があります。特筆すべき候補としてサイクリン依存性キナーゼ5(Cdk5)があり、これがKal7のThr1590をリン酸化し、Kal7によるスパイン形態形成制御に影響を及ぼします31。Kal7と同様に、Tiam1もEphB媒介型スパイン密度増大に必要であり、これもEphBまたは関連キナーゼの何れかによってTyr829がリン酸化され活性化します32。EphB RTKは、Tiam1とRac GAP Bcrの協調活動も制御し、これらは空間的に制御されたスパイン形態形成のEphB RTK媒介型制御に必須となる複合体を形成します33。DOCK10はCdc42/Rac1 GEFであるものの、このタンパク質がCdc42の活性化を行うことで、これを介して小脳や海馬ニューロンのスパイン数や頭部の大きさが正に制御されます34(図1)。

Rho GEF

スパイン可塑性を上方制御するRacやCdc42 GEFとは反対に、Rho GEFは逆の効果を発揮します。例えば、GEF-H1(ARHGEF2またはLfcとしても知られる)はスパイン密度と長さを負に制御します35。Ephexin1のSrcキナーゼ媒介型Try87残基のリン酸化とCdk5媒介型Thr41とSer139残基のリン酸化によりRTK EphA4、Cdk5、およびRho GEF ephexin1が連続的に活性化された後、活性化されたRhoAが海馬ニューロンにおけるスパイン退縮を誘導します29(図1)。その他のRho GEFであるephexin5もまた、RhoA活性化を介してスパイン退縮を誘導します。Ephexin5は直接結合することでEphB媒介性スパイン形態形成を阻害しますが、RhoAを活性化します。EphBのリガンド誘導性活性化を受けて、RTKはチロシンリン酸化(Tyr361)によりephexin5を不活性化し、これによりユビキチン媒介型分解が誘導されます。EphBは脱抑制を受けてスパイン形態形成を正に制御します36(図1)。

 

まとめ

樹状突起スパインは、最も興奮性が高い神経伝達におけるシナプス後成分であり、シナプスの構造的可塑性部位です。スパインの構造的可塑性はアクチン細胞骨格の再編成に依存し、これはRhoファミリーGTPアーゼのGEF媒介型活性化により制御されています。したがって、ニューロンにおいてどのようにGEFが機能するのか、また、時間空間的に精密に制御をするために、異なるGEFによりどのように同一GTPアーゼがコントロールされているのかより理解する必要があります。Cytoskeleton社では、これらの研究に役に立つ生細胞イメージングプローブ (SiRシリーズ、SiR700シリーズ)や複数の精製GEFやGTPアーゼ、ならびに活性化や交換アッセイ、活性化因子や阻害因子をご提供しています。

参考文献
  1. Matus A. 2000. Actin-based plasticity in dendritic spines. Science. 290, 754-758.
  2. Carlisle H.J. and Kennedy M.B. 2005. Spine architecture and synaptic plasticity. Trends Neurosci. 28, 182-187.
  3. Kasai H. et al. 2003. Structure-stability-function relationships of dendritic spines. Trends Neurosci. 26, 360-368.
  4. Matsuzaki M. et al. 2004. Structural basis of long-term potentiation in single dendritic spines. Nature. 429, 761-766.
  5. Tolias K.F. et al. 2011. Control of synapse development and plasticity by Rho GTPase regulatory proteins. Prog. Neurobiol. 94, 133-148.
  6. Hedrick N.G. and Yasuda R. 2017. Regulation of Rho GTPase proteins during spine structural plasticity for the control of local dendritic plasticity. Curr. Opin. Neurobiol. 45, 193-201.
  7. Woolfrey K.M. and Srivastava D.P. 2016. Control of dendritic spine morphological and functional plasticity by small GTPases. Neural Plasticity. 2016, 3025948. DOI: 10.1155/2016/3025948.
  8. Dierssen M. and Ramakers G.J. 2006. Dendritic pathology in mental retardation: from molecular genetics to neurobiology. Genes Brain Behav. 5 (Suppl. 2), 48-60.
  9. Penzes P. and Van Leeuwen J.E. 2011. Impaired regulation of synaptic actin cytoskeleton in Alzheimer's disease. Brain Res. Rev. 67, 184-192.
  10. Penzes P. et al. 2011. Dendritic spine pathology in neuropsychiatric disorders. Nat. Neurosci. 14, 285-292.
  11. Tashiro A. and R. Yuste. 2004. Regulation of dendritic spine motility and stability by Rac1 and Rho kinase: evidence for two forms of spine motility. Mol. Cell. Neurosci. 26, 429-440.
  12. Rex C.S. et al. 2009. Different Rho GTPase-dependent signaling pathways initiate sequential steps in the consolidation of long-term potentiation. J. Cell Biol. 186, 85-97.
  13. Hodges J.L. et al. 2011. Myosin IIb activity and phosphorylation status determines dendritic spine and post-synaptic density morphology. PLoS ONE.6, e24149.
  14. Murakoshi H. et al. 2011. Local, persistent activation of Rho GTPases during plasticity of single dendritic spines. Nature. 472, 100-104.
  15. Newell-Litwa K. et al. 2015. ROCK1 and 2 differentially regulate actomyosin organization to drive cell and synaptic polarity. J. Cell Biol. 210, 225-242.
  16. Hedrick N.G. et al. 2016. Rho GTPase complementation underlies BDNF-dependent homo- and heterosynaptic plasticity. Nature. 538, 104-108.
  17. Penzes P. et al. 2008. Convergent CaMK and RacGEF signals control dendritic structure and function. Trends Cell Biol. 18, 405-413.
  18. 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.
  19. Bliss T.V. and Collingridge G.L. 1993. A synaptic model of memory: long-term potentiation in the hippocampus. Nature. 361, 31-39.
  20. Bliss T.V. and Collingridge G.L. 2013. Expression of NMDA-receptor-dependent LTP in the hippocampus: Bridging the divide. Mol. Brain. 6, 5.
  21. Xie Z. et al. 2007. Kalirin-7 controls activity-dependent structural and functional plasticity of dendritic spines. Neuron. 56, 640-656.
  22. Penzes P. and Jones K.A. 2008. Dendritic spine dynamics - a key role for kalirin-7. Trends Neurosci. 31, 419-427.
  23. Ma X.-M. et al. 2008. Kalirin-7 is required for synaptic structure and function. J. Neurosci. 28, 12368-12382.
  24. Ma X. M. et al. 2011. Kalirin-7, an important component of excitatory synapses, is regulated by estradiol in hippocampal neurons. Hippocampus. 21, 661-677.
  25. Tolias K.F. et al. 2005. The Rac1-GEF Tiam1 couples the NMDA receptor to the activity-dependent development of dendritic arbors and spines. Neuron. 45, 525-538.
  26. Zhang H. and Macara I.G. 2006. The polarity protein PAR-3 and TIAM1 cooperate in dendritic spine morphogenesis. Nat. Cell Biol. 8, 227-237.
  27. Schwechter B. et al. 2013. RasGRF2 Rac-GEF activity couples NMDA receptor calcium flux to enhanced synaptic transmission. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 14462-14467.
  28. Kim J.-Y. et al. 2011. The RhoG/ELMO1/Dock180 signaling module is required for spine morphogenesis in hippocampal neurons. J. Biol. Chem. 286, 37615-37624.
  29. Fu W.-Y. et al. 2007. Cdk5 regulates EphA4-mediated dendritic spine retraction through an ephexin1-dependent mechanism. Nat. Neurosci. 10, 67-76.
  30. Penzes P. et al. 2003. Rapid induction of dendritic spine morphogenesis by trans-synaptic ephrinB-ephB receptor activation of the Rho-GEF kalirin. Neuron. 37, 263-274.
  31. Xin X. et al. 2008. Regulation of kalirin by cdk5. J. Cell Sci. 121, 2601-2611.
  32. Tolias K.F. et al. 2007. The Rac1 guanine nucleotide exchange factor Tiam1 mediates EphB receptor-dependent dendritic spine development. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 7265-7270.
  33. Um K. et al. 2014. Dynamic control of excitatory synapse development by a Rac1 GEF/GAP regulatory complex. Dev. Cell. 29, 701-715.
  34. Jaudon F. et al. 2015. The RhoGEF DOCK10 is essential for dendritic spine morphogenesis. Mol. Biol. Cell. 26, 2112-2127.
  35. Kang M.-G. et al. 2009. AMPA receptor and GEF-H1/Lfc complex regulates dendritic spine development through RhoA signaling cascade. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 3549-3554.
  36. Margolis S.S. et al. 2010. EphB-mediated degradation of the RhoA GEF ephexin5 relieves a developmental brake on excitatory synapse formation. Cell. 143, 442-455.

関連商品

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Ras-GRF, Human詳細データ CYT CS-GE03 1*100 UG
¥106,000
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
RhoGEF Exchange Assay詳細データ CYT BK100 1 KIT
[60-300 assays]
¥197,000
SiR-Actin Kit詳細データ CYT CY-SC001 1 KIT
[50-300 slides]
¥150,000

■ 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4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