東北大学学際科学フロンティア研究所丹羽研究室

研究内容

神経細胞の形態形成機構の解析

「なぜ、神経細胞はこんなに変わった形をしているのか？」という問いが私たちの研究の出発点です。　細胞というのは顕微鏡を使わないと見えないとても小さいものだというイメージがあると思います。ところが神経細胞は1mにもなる突起（軸索と呼ばれる）を身体の隅々まで張り巡らせています。皮膚や血液の細胞がせいぜい20マイクロメートル程度なので、神経細胞は普通の細胞の50000倍もの大きさになるとても変わった細胞であるということができます。
私たちがものを見て、匂いを嗅ぎ、考え、身体を動かすことができるのは神経細胞が変わった形をしているからです。
　神経細胞が「変わった形」を維持するのに特別なメカニズムとエネルギーが必要なためにそのメカニズムに異常が起こると神経疾患になってしまいます。

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1. シナプス形成のメカニズムの探索
神経細胞が特殊な形を維持するのに必要なメカニズムの一つが軸索輸送です。
　シナプス形成の際には、キネシンスーパーファミリー(KIF)のうちKIF1AやKIF1Bβとよばれる微小管をレールとする分子モータータンパク質が細胞体で合成されたシナプスの材料をシナプスまで輸送しています。軸索輸送のメカニズムを探索するために左図のようにシナプス小胞が十分輸送されず軸索途中に滞留するような変異体を単離し、その原因遺伝子を決定します。このような実験の結果、BLOC-1関連複合体(BORC)と呼ばれる因子がシナプスの正常な形成に必須の因子であることがわかりました(Niwa et al., Current Biology, 2017)。 BORCはARL-8と呼ばれる分子を介してモータータンパク質KIF1AやKIF1Bβを活性化します。
　他にもシナプス形成に異常がある変異体がいくつか得られていますが、原因遺伝子が未知のままになっています。現在はその解析を進めています。

2．ミトコンドリアの局在が決まる仕組み
　ミトコンドリアは細胞内でもエネルギーをたくさん消費する場所に集積する性質があります。そのような場所ではミトコンドリアの数は増加します。ミトコンドリアの局在の異常は様々な神経疾患の原因となります。私たちはミトコンドリアの局在を制御するメカニズムを線虫遺伝学で探索しています。これまでにミトコンドリアをGFPで標識して、その局在が変化するような変異体を作製し、原因遺伝子を決定してきました。例として左図のようにミトコンドリアが樹状突起から減少する変異体などが得られています。このような変異体の原因遺伝子を決定したところ、神経疾患原因遺伝子の線虫ホモログの変異体や、未知の分子の変異体などが得られています。

3.培養神経細胞を用いた解析

　上記のように線虫で見つけたメカニズムは本当に私たちヒトでも保存されているのでしょうか？もしかしたら線虫にしかないメカニズムかもしれません。培養した哺乳類の細胞を用いて線虫のスクリーニングで見つけた分子の機能を解析します。哺乳類の神経細胞はマウスの大脳皮質、海馬、後根神経節などから分離・培養して観察します。ここに掲載した動画のように非常に美しい軸索輸送の様子を観察することができます。
　この方法は世界中で広く使われていて実績もありますが、ディッシュの上には様々な細胞が混合した状態になるため、必ずしも細胞生物学の研究に適しているとは言えません。そこで現在はヒトiPSから単一種類の神経細胞を作製し、細胞生物学の道具にする計画も考えています。

微小管の研究

神経細胞などの特殊な形態は微小管と呼ばれる細胞骨格によって支えられています。丹羽は長年にわたり、微小管や微小管モータータンパク質の研究に携わってきました(Niwa et al., Cell Reports, 2016; Niwa et al., EMBO J., 2013; Niwa et al., Dev Cell, 2012;Zhou and Niwa et al., Cell, 2009, Niwa et al., Nature Cell Biol., 2008 など)。

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筋萎縮性側索硬化症(ALS)をはじめとする運動神経疾患の研究

ゲノム解析が容易になったことから様々な先天性神経疾患の原因変異が明らかになり、私がこれまで研究してきた分子モーターや微小管の遺伝子に変異が次々に見つかっています。最近では神経疾患だけではなくガン細胞の全ゲノム解析においても分子モーターの変異が見つかっています。これまでは線虫のようなモデル生物を使った遺伝学スクリーニングを行って重要な因子や研究対象とする分子内の重要部位の探索が行われてきましたが
ある意味でヒトを使った大規模な遺伝学スクリーニングが行われているとも言えます。微小管やその関連因子の疾患変異を解析することは正常な機能の理解にもつながります。

1. KIF5A変異による筋萎縮性側索硬化症(ALS)に関する研究

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軸索輸送のモータータンパク質KIF5Aはニューロフィラメント、ミトコンドリア、RNA顆粒の輸送に関与していると言われています。KIF5Aの遺伝的変異は家族性のALSの原因となります。
日本ではまだそれほど変異はみつかっていませんが、欧州では家族性ALSの数％がKIF5Aの変異によって引き起こされます。イントロンの変異が多く見つかっており、それらは共通して exon27をスキップするような変異です。このKIF5A(∆exon27)を細胞に発現すると細胞内で凝集を作ることがわかりました(左図上の写真)。学際研助教の千葉さんとの共同研究を実施し１分子レベルの運動解析をするとKIF5A(∆exon27)はむしろ微小管上をよく動くことがわかってきました(左図下のキモグラフ)。ヒトKIF5A(∆exon27)を発現した線虫は神経細胞の形態に異常が起こります。これらの結果は、ALSを起こすKIF5A変異は細胞内に凝集を作りKIF5Aの活性を変化させ細胞毒性を持つようになることを示唆しました。同じものを複数の米国の有名グループも解析していて激しい競争になっていました。欧米の有名誌に投稿して査読を引き延ばされるのはよくないと考えたので、最初の報告は日本分子生物学会の英文誌に投稿しました　(Nakano et al., Genes to Cells, 2022)。私たちはきちんと精製したタンパク質を使った解析や線虫モデルを使った解析を行っており、他のグループよりも一歩踏み込んだ内容になっていると思います。
一方で、学際研助教の千葉さんはこのKIF5Aが変異なしの健常人由来のものであってもKIF5BやKIF5Cといった他のキネシン重鎖のアイソタイプよりもオリゴマーを形成しやすい傾向があることを示しました(Chiba et al., Cell Rep, 2022)。その生理的意義はよくわかっていないのですが、TDP-43のような他のALS原因因子も似たような性質を持っており、この性質が弧発性のALS(家族性の場合と異なり、明確な遺伝的変異がないALS)に関与することが示唆されています。もしかしたら、KIF5Aのこの性質は弧発性のALSの発症にも効いているかもしれません。この他にも、微小管上でのKIF5Aの過活性化がどのようにALSに寄与するのか？　疾患変異で細胞内輸送の変化は起こるのか？　TDP-43やSOD1のような他のALS関連因子との関係は？　などまだよくわかっていない点がたくさんあります。ALSモデル線虫の作製や遺伝学的解析も進めたいと考えています。

2. KIF1A関連神経疾患(KAND)に関する研究

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KIF1Aという軸索輸送のモータータンパク質はシナプス小胞の材料をシナプスまで軸索輸送します。 KIF1Aの遺伝的変異は先天性の神経疾患のホットスポットになっています。100以上の弧発性の神経疾患で変異が見つかっており KIF1A associated neuronal disorder (KAND　KIF1A関連神経疾患)と名付けられています。以前、私は線虫の軸索輸送変異体が増加する変異体を解析し、線虫のUNC-104という分子モータータンパク質に変異が入っているのを見つけました(Cell Rep. 2016)。この変異はこれまでに知られていた変異とは逆に軸索輸送を増加するような変異でした。このときにみつけた線虫のUNC-104遺伝子の変異がKANDの患者さんで見つかっているKIF1Aの変異と全く同じ部位に異常を起こすことに気づき、それをきっかけにKANDの研究を始めました。 KIF1Aは軸索輸送のモーターですから、その変異は軸索輸送をなくすと考えられていましたが、私たちは逆に軸索輸送を増加させる変異もあることを示しました(Chiba et al., PNAS, 2019)。一方で、やはりKANDの変異のうちほとんどはシナプス小胞の軸索輸送を減らすものです。ゲノム編集を使い、loss of function型のKANDモデル線虫を作製したところ、線虫の運動には異常が起こりました(下の動画)。サプレッサースクリーニングという手法を使い、KANDの異常を回復するような変異の同定を進めています。１分子レベルでKIF1Aの運動を解析する手法を併用し、分子レベルの異常も解析しています。

左はKANDモデル線虫。右はサプレッサースクリーニングで得られたそのサプレッサー変異体。
ゲノム編集によりヒトの運動神経疾患と同じ変異を導入した線虫は身体をうまく動かすことができないが、この運動神経疾患モデル線虫にもう一つ変異が入ると運動の異常が打ち消され、線虫が動けるようになる。このような疾患サプレッサー変異を同定し、治療の標的を探索する。