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神経活動パターン依存的な嗅覚神経回路の形成機構

伊原, 尚樹 東京大学 DOI:10.15083/0002005154

2022.06.22

概要

【序論】
高等動物の神経回路は、内在的な遺伝的プログラムに続く神経活動を介した精緻化を経て完成する。マウス嗅覚系においては、嗅上皮に存在する個々の嗅細胞は約1,000種類存在する嗅覚受容体(Olfactory receptor: OR)遺伝子の中からたった1種類のみを選択して発現する。また、同種のORを発現する嗅細胞の軸索は同一の糸球体へと選別される。この軸索選別の過程においては、嗅細胞に発現するORの種類が軸索選別分子群の発現量を制御することでOR特異的な回路構築を可能としている。また、嗅細胞における神経活動を抑制すると軸索の収斂は乱れ、かつこれらの軸索選別分子の発現は変動することから、神経活動はORの種類という情報を軸索選別分子の発現量へと変換していると考えられる。しかしながら、約1,000種類も存在する多様なORの種類という情報はどのように神経活動を介して表現され、糸球体の分離を可能としているのか、その機構は不明であった。そこで本研究では、神経活動依存的な回路の精緻化における新奇の機構に迫った。

【結果・考察】
1.ORに由来する神経活動は軸索選別分子の多様な発現を作り出す
先行研究からOR分子は接着性もしくは反発性の相互作用を示す軸索選別分子群の発現を制御することが分かっている。これらの分子は軸索末端である糸球体でモザイク状に発現し、個々の糸球体で固有の発現パターンを示す。その結果、ORのアイデンティティは軸索選別分子の固有の発現量の組み合わせコードとして軸索末端に表現され、OR固有の糸球体分離のための自己を識別するタグとして働く。本研究では、軸索選別分子の中で神経活動によって正に制御される分子であるKin of IRRE-like protein 2 (Kirrel2), Protocadherin-10(PCDH10)およびSemaphorin-7A (Sema7A)に着目し、嗅球上の約1,800個の糸球体における軸索選別分子の発現レベルを調べた。その結果、PCDH10とSema7Aの間には強い相関関係が見られた一方で、Kirrel2とPCDH10の間には相関関係が見られなかった。これらの結果から、神経活動を介して発現する軸索選別分子の中でも、PCDH10とSema7Aには共通の発現制御機構が存在し、Kirrel2とPCDH10では異なる発現制御機構が存在すると想定された(図2)。

2.繰り返し生じる短期のバースト発火はKirrel2の発現を誘導する
まず、Kirrel2の発現誘導に重要な神経活動中の特徴を見出すため、Kirrel2の発現が異なる2種類の嗅覚受容体I7(Kirrel2高発現)とMOR28(Kirrel2低発現)に着目した。それぞれの受容体を発現する嗅細胞で特異的にGCaMP6fを発現する遺伝子改変マウスを作製し、カルシウムイメージングを行ったところ、嗅細胞では発現するORの種類ごとに異なるカルシウム変動パターンを示し、I7を発現する嗅細胞では、数秒単位の短期的のカルシウムスパイクが頻繁に観察された(図3A)。この実験では、異なる2つのOR遺伝子を発現させる際に同一のプロモーターを用いていることから、発現するORの種類と神経活動パターンの単純な相関があるというだけでなく、ORが自身の種類に固有な神経活動パターンを規定しているということを意味している。さらに、嗅細胞特異的にチャネルロドプシン2を発現するマウスを用いてI7を発現する嗅細胞に見られた繰り返し生じる短期のバースト発火を模した刺激を誘導し、3つの軸索選別分子の発現レベルを検証したところ、Kirrel2の発現のみが選択的に上昇した(図3B)。また、このとき誘導する全体の発火頻度を揃えた上で均等な間隔で刺激を行うトニック発火を誘導した場合には、Kirrel2の発現の上昇は見られなかった。この結果から、”繰り返し起こる短期の一過性のバースト発火”という特定の神経活動パターンがKirrel2という特定の軸索選別分子の発現誘導に重要であることが示唆された。

3.長期の持続的なバースト発火はPCDH10/Sema7Aの発現を誘導する
前述のKirrel2の発現を誘導する短期の一過性のバースト状発火を再現した際には、PCDH10およびSema7Aの発現に変化は見られず、これらの分子の発現誘導には異なる神経活動パターンが重要であると考えられた。そこで、PCDH10の発現量が異なる2種類のOR、M71（PCDH10高発現）およびMOR28（PCDH10低発現）に着目し、神経活動の記録を行った。嗅覚組織スライスを用いた1時間に及ぶ長期カルシウムイメージングにより、M71を発現する嗅細胞においては20秒を超えた長期間の持続的なカルシウム濃度上昇を伴う特徴的なカルシウムスパイクが観察されたのに対し、MOR28を発現する嗅細胞においてはそのようなイベントはほとんど見られないことが分かった(図4A)。この結果を受けて、光遺伝学的手法を用いて、嗅細胞において分単位にもおよぶ長期の持続的なバースト発火を誘導したところ、PCDH10/Sema7Aの発現が選択的に上昇した(図4B)。このことから、繰り返し起こる短期のバースト発火はKirrel2の発現を選択的に上昇させ、長期の持続的なバースト発火活動はPCDH10/Sema7Aの発現を選択的に上昇させることが示された。Kirrel2とPCDH10/Sema7Aは異なる神経活動パターンによって発現が誘導され、PCDH10/Sema7Aの発現が共に持続的なバースト発火という神経活動によって誘導されるという2つの結果は、嗅球上での軸索選別分子の大規模な発現解析から見出された発現の関係性とよく一致していると言える。

【総括】
本研究により、①嗅細胞における自発活動パターンは発現するORの種類によって規定されること、②特定の神経活動パターンは特定の軸索選別分子の発現を選択的に誘導することが分かった。この結果から、嗅覚系では発現するORが固有の自発的な神経活動パターンを介して分子発現の組み合わせコードを作り出し、ORの種類に固有の糸球体分離を可能としていると考えられる。この結果は、『神経活動の同期性』を前提としたヘブ則とは異なる『神経活動の時間的なパターン』に基づいた新奇の回路形成機構が存在することを示している。神経活動は、発達期の神経回路形成のみならず学習や記憶といった生涯通じて起こる可塑性にも関与する。従って、今回嗅覚系の神経回路形成で見られた神経活動パターン依存的な遺伝子発現制御機構は、生涯通じて起こる脳の可塑性を説明する新たなモデルとして敷衍できる可能性がある。

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