多くのシナプス可塑性の長期維持には、新しい蛋白質の合成が必要である。 長期記憶における経験依存的な体細胞遺伝子の転写の役割はよく研究されているが、多くのmRNAが樹状突起に輸送されることから、シナプス局所でのタンパク質合成の制御の役割もあることが示唆される。 実際、シナプスに存在する樹状突起mRNAの活動依存的な翻訳は、様々な形態のシナプス可塑性の発現に必要である。 Fragile X mental retardation protein (FMRP) は mRNA 翻訳の重要な調節因子として機能することにより、このシナプス可塑性に影響を与える。 脆弱X症候群ではFMR1遺伝子が不活性化され、その結果FMRPが欠損し、知的障害や自閉症を含むこの疾患の症状が引き起こされることがよくあります。 Fmr1 KOマウスモデルでは、FMRPの欠損により、タンパク質合成のレベルが上昇する。 この増加の下流域がFXの病態生理の中核をなしていると考えられている。 FMRP の喪失がシナプスの機能と可塑性にどのような影響を及ぼすかについて急速な進展があり、この知識は、動物で検証され、現在ヒトで試験されている、この障害を修正するいくつかの戦略につながっている。 この区別は必ずしも明確ではないが、脳の発達の変化によるシナプス可塑性の障害と、Fmr1 KOマウスの脳機能の変化を引き起こすシナプス可塑性の障害を分離することは概念的に重要である。
- FMRP regulates translation
- FMRP is well-positioned to regulate synaptic plasticity
- Fmr1 KOマウスではLTPが正常に見える
- Fmr1 KOマウスではLTPおよびSTD-LTPの誘導閾値が高くなる
- FMRPと他の翻訳依存性の可塑性の形態
- FMRP and translation-independent plasticity
- Candidate plasticity gating proteins regulated by FMRP
- 可塑性維持タンパク質。 MAP1B、Arc、STEP
- 可塑性閾値制御タンパク質。 Kv4.2
- FMRP, シナプス可塑性と学習
FMRP regulates translation
FMRP は RNA 結合タンパク質で、マウスからヒトまでよく保存されている翻訳抑制因子である。 FMRPは3つのRNA結合ドメインのうちの1つを通じてmRNAに結合し、場合によってはアダプタータンパク質と一緒に結合する。 FMRPは、翻訳の開始と伸長を阻害することによって、翻訳を抑制することができるという証拠がある。 FMRP/mRNA結合ドメインの1つに点変異があれば、Fmr1 KOマウスやヒト患者の少なくとも1つのFXに見られる可塑性の表現型が再現される。 このように、FMRPは主に翻訳抑制因子としての役割で可塑性を制御していると思われる。 リン酸化されたFMRPはリボソームの移動を阻害し、翻訳を抑制するが、脱リン酸化されたFMRPは翻訳を増加させる． S6キナーゼとプロテインホスファターゼ2A（PP2A）によるFMRPリン酸化の双方向の制御は、シナプス刺激と局所的な翻訳の間の潜在的なリンクを提供する。
FMRP is well-positioned to regulate synaptic plasticity
FMRP is well-positioned to be a key regulator of synaptic plasticity 理由は主に3点である。 まず、このタンパク質は、可塑性の誘導と維持の重要なシナプス後の部位である樹状突起スパインに見いだされることである。 第二に、FMRPは樹状突起のmRNAの翻訳を制御しており、このmRNAは様々な形態の可塑性に必要である。 FMRPは、シナプスの活性化により、局所的に翻訳され、速やかに分解されることが知られています。 シナプス可塑性に関連した複数の実験的操作により、FMRPのレベルが上昇することが示されている。これには、豊かな環境への曝露、複雑な学習課題、グループ1代謝性グルタミン酸受容体（mGluR）の薬理学的活性化などが含まれる。 重要なことは、FMRPは安定したシナプス可塑性の誘導と同じ時間スケール（10-30分）で、急速に合成されることである。 海馬の培養では、活性と mGluR に依存した樹状突起の FMRP の増加は、de novo FMRP 合成ではなく、既存の FMRP の輸送の増加に起因している可能性がある . いずれにせよ、FMRPはシナプス可塑性の制御に関与する理想的な候補であり、その理由は、よく特徴付けられた可塑性誘導のパラダイムに従って樹状突起で迅速かつ一過性に上昇し、さらに翻訳の阻害剤としての役割を担っているためです。 これらのシナプス強度の持続的な変化は、様々な操作によって誘導することができ、その発現機構も多様である。 誘導プロトコルの違いにより、タンパク質合成の必要性など、維持のためのメカニズムが異なる。 局所的な翻訳を必要とする可塑性の例として、海馬のCA1領域における代謝型グルタミン酸受容体依存性LTD（mGluR-LTD）が特に有力である。 グループ1のmGluR（mGluR1および5）を、ペアパルス低周波シナプス刺激（PP-LFS）または選択的アゴニスト（S）-3，5-ジヒドロキシフェニルグリシン（DHPG）で活性化すると、シナプス強度が持続的に減少し、従来のNMDA受容体（NMDAR）依存性のLTDとは機構的に異なることが明らかになった。 mGluR活性化の下流にはシナプス伝達を抑制するいくつかのメカニズムがあり、誘導プロトコル、年齢、飼育歴、種によって発現が異なることに注意が必要である（例えば、 ）。 しかし、適切な実験条件下では、mGluR-LTDの維持には、誘導後数分以内に迅速なタンパク質合成が必要である 。 このタンパク質合成は、樹状突起層が細胞体層から物理的に切断されてもmGluR-LTDが誘導されることから、シナプスである可能性が高い。 mGluR-LTDは、一部、シナプスからAMPA受容体が除去されることによって発現し、これも迅速なde novo翻訳を必要とする 。 グループ 1 の mGluR を活性化すると、海馬のスライス、樹状突起、シナプトニューロゾームでのタンパク質合成が急速に促進されるため、新しいタンパク質合成は単にシナプス可塑性の許容範囲ではなく、指示的なものである可能性があります。 その後の研究で、小脳のmGluR-LTDも同様に増強することがわかり、その発現機構は共通であった . 電気生理学的なデータとも一致するが、FMRPの欠損はmGluRを介したAMPARの過剰な内在化を引き起こす 。 さらに、Fmr1 KO マウスでは、mGluR-LTD はもはや新たなタンパク質合成を必要としない。 これらの結果は、FMRP の機能について知られていることと合わせて、FMRP が mGluR-LTD に必要なタンパク質の合成を抑制するように作用していることを示唆するものである。 FMRPがない場合、これらの「LTDタンパク質」はすでに樹状突起に存在するか過剰発現しており、その結果、この可塑性の大きさとタンパク質合成に依存しない持続性が強化される（図1A）。 逆に、出生後にFMRPを過剰発現させると、野生型およびFmr1 KOニューロンにおいてmGluR-LTDの大きさが減少し、そのタンパク質合成依存性が回復する。 さらに、Fmr1 KOマウスでmGluR5シグナルを減少させると、海馬のタンパク質合成速度とLTDの大きさの両方が野生型レベルに回復することから、mGluR5とFMRPは、発生から成体まで、シナプスのタンパク質合成を最適レベルに維持するために機能的に対立して作用していることが示唆された（図1A）。
翻訳依存性シナプス可塑性に対するFMRPの役割。 (A）FMRPとmGluR5は、mGluR-LTDの発現に必要な局所的なmRNAの翻訳に反対の調節を課している。 FMRPがない場合、過剰なタンパク質合成が起こり、LTDが誇張される。 (B）FMRPはLTDに必要な翻訳を制御することが知られているが、L-LTPの発現には関与していないことを示唆する証拠がある。 シナプスでは、LTPとLTDで必要とされるmRNAのプールが異なる可能性があり、FMRPはLTDに必要なプールを特異的に制御している可能性がある。 (C）FMRPは、樹状突起に局在する翻訳の制御に明確に関与しており、体内翻訳を制御しない可能性がある。 その結果、FMRPはmGluR-LTDのような局所的な翻訳を必要とする可塑性にのみ影響を及ぼす可能性がある。 (D）mGluR-LTDに加えて、FMRPはmGluR依存的なLTPの促進に関与するタンパク質合成を制御しています。 このことは、FMRPによって翻訳が制御されているタンパク質は、LTDに特異的というよりも、可塑性の双方向の維持に関与している可能性を示唆している。
Fmr1 KOマウスではLTPが正常に見える
mGluR-LTD に対するタンパク質合成阻害の影響は数分で確認できるが、ほとんどのシナプス可塑性は誘導後数時間までde novo 合成を必要としていない。 これは、少なくとも4時間持続する増強の一形態である後期相LTP(L-LTP)によって最もよく特徴付けられます。 L-LTPの後期維持期には、タンパク質合成が必要ですが、最初の誘導には必要ありません。 FMRPが翻訳制御に関与していると推測されることから、L-LTPはFmr1 KOマウスで研究された最初の可塑性の1つであった。 興味深いことに、Fmr1 KOマウスでは、L-LTPの大きさに違いは見られなかった。 FMRPの除去がタンパク質合成に依存するLTDに影響を与え、LTPには影響を与えないという事実は、FMRPがLTDの発現に必要なタンパク質の翻訳を特異的に調節している可能性を示唆している（図1B）。 しかし、L-LTPの大きさは変わらないものの、FMRPが欠損すると、mGluR-LTD（およびLTPプライミング、後述）の場合と同様に、L-LTPは新しいタンパク質合成に対する要求が質的に異なる可能性がある。 したがって、FMR1 KO マウスで L-LTP のタンパク質合成依存性を調べ、FMRP が本当に LTP の持続性を調節する役割を担っていないことを示すことが重要であろう。
あるいは、FMRP は L-LTP の文脈で体内翻訳ではなく、局所翻訳の制御に必要かもしれない（図 1C）。 L-LTP は、従来、高周波の破傷風またはシータバースト刺激を複数回行うことで誘導されますが、これは細胞全体の転写と翻訳に依存するプロトコルです。 Fmr1 KOマウスでは、これらの古典的なパラダイムを用いてL-LTPの特徴が明らかにされた。 しかし、より強度の低い誘導プロトコルを用いると、局所的な樹状突起の翻訳によって特異的に維持されるL-LTPが得られた。 このL-LTPは、mGluR-LTDと同様に、翻訳阻害剤に敏感で、転写阻害剤には敏感でなく、単離された樹状突起で維持することができる。 L-LTPにおけるFMRPの役割は不明ですが、FMRPは他の文脈でもLTPに関与していることが知られています。 特に、FMRはLTPの閾値を設定するmGluR依存型のメタプラスティシティーの制御に関与している。 もともとラットで報告されたもので、グループ1 mGluRの弱い活性化は、それ自体ではLTDの誘導には不十分であるが、その後のLTPの誘導を促進する（「LTP priming」）。 mGluR-LTDと同様、この促進には翻訳が必要であるが、転写は必要ない。 mGluR依存的なLTPのプライミングは、WTマウスとFmr1 KOマウスで同程度であったが、WTマウスではLTPプライミングにはタンパク質合成の急刺激が必要なのに対し、Fmr1 KOではもはやタンパク質合成依存的ではなくなっていた。 このように、mGluR-LTDとLTPプライミングは、海馬におけるGp1 mGluR刺激によるタンパク質合成の機能的結果として質的に異なるが、FMRPの除去により両方のプロセスが変化することがわかった（図1D）。 これらの結果は、FMRPの翻訳制御下にあるmRNAが、シナプスの強さの双方向の変化に必要なタンパク質をコードしている可能性を示唆しています。 FMRPによって制御されるタンパク質は、単に「LTDタンパク質」ではなく、可塑性のゲートキーパーとして概念化されるべきである。
Fmr1 KOマウスではLTPおよびSTD-LTPの誘導閾値が高くなる
Fmr1 KO海馬切片では、弱い5シータバーストのプロトコルでLTP誘導が欠落し、強い10シータバーストでは正常になる (図2A) 。 さらに、FMRPはスパイクタイミング依存性長期増強（STD-LTP）の誘導閾値を調節している。 このヘブ型可塑性は、シナプス前部とシナプス後部の活動を非常に短いウィンドウで時間的にずらして行うことで誘導される。 体性感覚野や前頭前野では、Fmr1 KOニューロンでSTD-LTPが欠損している。 しかし、シナプス後刺激の強さを1回のスパイクから5回のバーストに増加させると、KOニューロンではSTD-LTPが起こる（図2A）。 したがって、FMRPはSTD-LTPの発現に必要ではないが、その非存在下では閾値が上昇する。 FMRPによるLTP閾値の継続的な制御の可能なメカニズムについては、このレビューで後述する。
FMRP と Kv4.2 はシナプス増強を誘発する閾値を制御している。 (A）FMRPはLTPとSTD-LTPの閾値を設定する。 Fmr1 KOマウスは海馬のLTPが欠損し、大脳皮質のSTD-LTPは「弱い」誘導プロトコルのみである。 (B）Kv4.2は樹状突起A型K+チャネルであり、活動電位の逆伝播（bAP）と樹状突起の興奮性を減弱させる。 (C)Kv4.2の阻害は、Fmr1 KOマウスの弱い誘導プロトコルに続いてLTPを回復する。
FMRPと他の翻訳依存性の可塑性の形態
Hebian plasticityの翻訳依存性の形態におけるその役割に加えて、FMRPはまたいくつかの形態の恒常性可塑性を調節することが可能である。 シナプスのスケーリングは恒常性可塑性の一形態で、活動の極端な変化に対応してシナプスの強度を機能範囲内に維持するように作用する。 大まかには、活動量の減少に伴って細胞全体のシナプス強度が増加し（「スケーリングアップ」）、活動量の増加に伴ってシナプス強度が減少する（「スケーリングダウン」）。 海馬のスライス培養では、転写を必要とするものと局所的な翻訳を必要とするものの2種類のスケールアップが報告されている 。 興味深いことに、FMRPを欠く神経細胞では、シナプスのスケールアップのうち翻訳依存型のみが欠損している。 FMRPのシナプス後ウイルス発現は、Fmr1 KOニューロンにおける翻訳依存的なスケールアップの欠損を修正する。 高いレベルの活動（長時間の抑制の遮断後）に応じたシナプスのスケールダウンも観察されており、mGluR5の活性化が必要とされている。 FMRPの役割はmGluR依存の可塑性において最もよく特徴づけられているが、これらの受容体に特異的というわけではない。 FMRP を除去すると、TrkB を介したタンパク質合成の増加が阻害され、他の G タンパク質共役型受容体 (GPCR) 依存型の LTD および LTP が変化する。 これらのプロセスに共通するのは、局所的な樹状突起の翻訳に依存している点である。 実際、FMRPを除去すると、翻訳には影響を与えるが、転写に依存したヘブライ式および恒常性可塑性には影響を与えないことから、FMRPは体内翻訳よりもむしろ局所翻訳の調節に特に重要である可能性が示唆された（図1C）。
FMRP and translation-independent plasticity
Fmr1 KOマウスでは、翻訳依存性のシナプス可塑性の多くが異常であるが、NMDAR依存性のLTDや初期段階のLTPなど他の形式の海馬の可塑性は正常であった． これらのことから、FMRPは主に翻訳の調節因子として可塑性を調節していることが示唆される。 しかし、FMRPの除去は、大脳皮質や扁桃体を含む他の脳領域における初期段階のLTPなど、de novo翻訳を必要としない一部のシナプス可塑性に影響を与えることも示されています . これらの影響の一部は、FMRPによるタンパク質合成依存性の可塑性閾値の調節によって説明できるかもしれないが、多くはFmr1 KOにおけるシナプス発達の変化の最終段階の結果であると思われる。 LTPが障害されたシナプスと同じシナプスで基礎伝送の大幅な欠損が報告された。
Candidate plasticity gating proteins regulated by FMRP
FMRPがどのようにシナプス可塑性を制御しているかを明らかにするためには、FMRPによって翻訳が制御されているシナプスタンパク質を特定する必要がある。 FMRPは様々な標的を持ち、哺乳類脳内の約4％のmRNAに選択的に結合することが示されている 。 最近、新しいハイスループット架橋免疫沈降法（HITS-CLIP）を用いて、800以上のFMRPのmRNA結合標的が同定されました。 これらの標的には、シナプス前およびシナプス後に発現するタンパク質をコードする遺伝子が含まれており、シナプス前タンパク質mRNAの27％（90遺伝子）およびシナプス後タンパク質mRNAの23％（257遺伝子）がFMRP標的であることが判明しました。 具体的には、NMDAR複合体（58遺伝子）の31％、mGluR5複合体（32遺伝子）の62％、AMPAR複合体（3遺伝子）の33％のタンパク質をコードするmRNAがFMRP標的であることがHITS-CLIP研究によって明らかにされました。 これらの3つの受容体複合体はシナプス可塑性の誘導と維持に重要であり、FMRPは1つか2つの「可塑性タンパク質」を調節するだけでなく、翻訳調節因子として広く作用している可能性が高いことが示唆された
FMRP標的がシナプス前部タンパク質をコードするという発見は興味深く示唆的である。 成熟した神経系では、軸索や軸索末端での局所的なタンパク質合成の証拠はまだ少ないが、初期の軸索の発達やシナプス形成では、局所的なタンパク質合成が経路や標的の選択において重要な役割を果たすと考えられている 。 このように、発生初期にFMRPによるタンパク質合成の制御が行われないと、経験依存的な生後の可塑性が始まるかなり前に、シナプスの結合性が変化してしまう可能性が非常に高いのです。 さらに、中枢神経系以外では、感覚性求心性端末における翻訳の局所的制御が、侵害受容の感作や神経障害性疼痛に関与している。 FMRPはこれらの端末に局在しており、Fmr1 KOマウスでは侵害受容の感作が変化している 。 これらの結果は、脊髄ではシナプス前のFMRPが局所翻訳を抑制し、成体になっても痛みの可塑性を制御している可能性を示唆している。 (1)可塑性の維持にFMRP/local翻訳が必要な可塑性（mGluR-LTD）、(2)FMRPがその誘導閾値を調節している可塑性（STD-LTP）である。 ここでは、FMRPによる制御と、野生型シナプスにおける可塑性の維持と閾値設定における既知の役割から、両カテゴリーにおいて関与していると思われるいくつかのタンパク質について説明する。 これらの「候補タンパク質」は、FMRPがどのようにシナプス可塑性を制御するのかの例証となることを意図している
可塑性維持タンパク質。 MAP1B、Arc、STEP
最近の研究では、FMRPによって翻訳が制御され、微小管関連タンパク質1B（MAP1B）および活性制御細胞骨格関連タンパク質（Arc）など、mGluR-LTDに関与するタンパク質が特定されました。 MAP1B は mGluR-LTD の発現機構である AMPA 受容体依存的なエンドサイトーシスに必要であり、MAP1B は mGluR-LTD の発現機構であるエンドサイトーシスに必要です。 FMRPはMAP1BのmRNAに結合してその翻訳を抑制し、Fmr1 KOマウスでは海馬のMAP1Bの発現が増加している。 しかし、FMRPがMAP1Bの翻訳を制御する方法には、マウス系統や部位に特異的な差異がある可能性があります。 例えば、FVBマウスの小脳と海馬では、FMRPはMAP1Bの発現を正に制御している可能性がある。
ArcはAMPARエンドサイトーシスに関与し、mGluR活性化および行動後に樹状突起で発現が上昇する 。 Arcは海馬のmGluR-LTDとL-LTPに必要であり、これらは共にタンパク質合成に依存し、Arc-/-マウスは複数の学習障害を持つ … 続きを読む FMRPはArcのmRNAに結合し、その翻訳を抑制する。 その結果、Fmr1 KOの樹状突起ではArcの発現が増加する . Fmr1 KOマウスではmGluR-LTDが増加し、Fmr1 KO樹状突起ではArcが増加し、ArcはmGluR-LTDに必要であることから、FMRPはArcを介してmGluR-LTDを制御していると思われる。 この仮説は、Fmr1/Arc ダブルノックアウトマウスを用いて直接的に検証され、mGluR-LTD の欠損（むしろ誇張）を示すことがわかった。 このことは、Fmr1ノックアウトマウスで見られるmGluR-LTDの亢進は、Arcの発現量の増加によって部分的に説明できる可能性を示唆している。
mGluRによるArcタンパク質の迅速な増加には、リン酸化酵素PP2AによるFMRPの脱リン酸化が必要である。 しかし、Fmr1 KOニューロンでは、Arcレベルは基底的に増加し、DHPG処理のさらなる効果を封じ込めた。 FMRPをFmr1 KOニューロンにウイルスで再導入すると、樹状突起のArcレベルが正常化し、mGluRを介した迅速なArc合成が回復した。 このことは、Fmr1ノックアウトマウスのシナプス可塑性の表現型は、発生異常ではなく、FMRPの急性喪失が原因であることを示す証拠である。 興味深い例として、線条体濃縮タンパク質チロシンホスファターゼ(STEP)がある。 STEP の翻訳は mGluR-LTD の間に増加し、STEP mRNA は FMRP に結合する。 STEP を遺伝的に減少させると、Fmr1 KO マウスの行動表現型が修正されるが、対応する LTD 表現型が影響を受けるかどうかは分かっていない。 その他の候補タンパク質としては、APP , OPHN1 , CaMKIIα , PSD-95 , PI3K がある。
可塑性閾値制御タンパク質。 Kv4.2
Fragile Xにおけるカリウムチャネルの役割を論じた最近のレビューは、FMRPが興奮性を制御する方法についての洞察を与えています。 FMRPは少なくとも3つのカリウムチャネルの翻訳を直接制御している。 Kv4.2，Kv3.1b，そしてSlackである。 FMRPによるKv4.2の翻訳制御は、LTPやSTD-LTP誘導の閾値の制御に間接的な影響を及ぼすかもしれない。
Kv4.2 はA型カリウムチャネルで、樹状突起の興奮性と活動電位の逆伝播の程度を制御する。 A型電流は樹状突起の興奮性とAPの逆伝播を減衰させるように作用する（図2B）。 バックプロパゲーションの強さを調節することで、Kv4.2はLTPとSTD-LTPの閾値を調節することも示されている。 Kv4.2がない場合、樹状突起はより興奮しやすく、LTP誘導の閾値が低下する。
Fmr1 KOマウスでは、先に述べたようにLTPとSTD-LTP誘導の閾値が上昇している（図2A）。 この現象の一つの仮説として、FMRPがKv4.2の翻訳を阻害し、Fmr1 KOマウスでは樹状突起でKv4.2タンパク質が過剰に合成されているという可能性が考えられる。 実際、FMRPはKv4.2 mRNAと直接結合し、その翻訳を負に制御している。 しかし、このことがFmr1 KOマウスのLTP/STD-LTP閾値の変化を説明するのだろうか？ Fmr1 KOマウスでKv4.2を薬理学的に阻害すると、弱い刺激の海馬のLTPの欠損が改善されるが、強い刺激のLTPは変化しない（図2C）。 このことは、Fmr1 KOマウスにおけるLTPの閾値の増加は、カリウムチャネルKv4.2の翻訳の増加によって説明される可能性を示唆している
興味深いことに、最近別のグループが、彼らの条件下でFMRPがKv4.2の翻訳を正に制御することを示した 。 この研究では、Fmr1 KOにおけるKv4.2の減少がシナプス可塑性に及ぼす潜在的な影響については触れていない。 その結果、樹状突起の興奮性が上昇し、LTPの閾値が低下することが予想される（他の文脈で既に報告されている）。 しかし、FMRPがKv4.2をいずれかの方向に制御することは、可塑性に重要な結果をもたらすことは明らかである
FMRP, シナプス可塑性と学習
長く続くシナプス増強と抑制は、学習と記憶の神経相関の可能性と考えられてきた。 FMRPが複数の脳領域でシナプス可塑性に関与していることに関連して、FMRはマウスの広範な行動学習課題にも重要であることがわかった。 Fmr1 KOマウスは、扁桃体痕跡恐怖記憶、小脳学習、抑制性回避学習、前頭前野認知学習課題において欠損を示す。 また、FMRPを欠損したショウジョウバエの変異体では、長期記憶が損なわれている。 Fmr1 KOマウスの学習・記憶障害は、シナプス可塑性の異常による行動学的な結果であると考えられる。