迅速で局所的なタンパク質合成を調節するRNA修飾

PNASに掲載された研究によると、メッセンジャーRNA（mRNA）の修飾であるN6-メチルアデノシン（m6A）と、これを認識するタンパク質YTHDF1は、マウス線条体の運動学習と薬物誘発性の感作に関与する。同じ遺伝子を欠失させても、ドーパミンD1受容体発現ニューロンとD2受容体発現ニューロンでは、行動変化の方向が異なった。正常な学習と不適応反応の理解には、標的となる細胞種を区別する必要がある。

学習を長期に維持するには、新たなタンパク質合成が必要だ。しかし、核内で遺伝子転写を調節するだけでは、多数のシナプスで起こる迅速かつ局所的な変化に対応しにくい。そこで注目されているのが、mRNAをタンパク質へと読み取る翻訳過程の調節である。研究チームは、運動学習や行動選択に関わる線条体で、m6A形成に関与するMettl14、またはm6A認識タンパク質をコードするYthdf1を細胞種ごとに欠失させた。

D1・D2ニューロンで異なる学習と感作反応

研究チームは、条件付き遺伝子欠損マウスと同腹対照マウスを比較した。回転する棒から落下するまでの時間を測るロータロッド課題で運動学習を評価し、行動中の神経活動は光ファイバーでカルシウム信号を記録して調べた。

D1ニューロンでYthdf1を欠失させるとロータロッドでの運動学習が損なわれたが、D2ニューロンでの欠失ではこの課題に有意差がなかった。比較に用いたマウス数は、D1ニューロンの実験では各遺伝子型7匹、D2ニューロンの実験では各遺伝子型6匹だった。Mettl14欠損実験でも、D1ニューロンでの欠失は運動学習と、学習に伴う神経活動の変化を損なった。

薬物への反応は細胞種によって逆方向に変化した。コカインを反復投与すると、D1ニューロンでのYthdf1欠失は急性の運動反応と感作を低下させた一方、D2ニューロンでの欠失は両方を増加させた。感作とは、反復曝露後に薬物反応が強まる現象である。D2ニューロンでの欠失は、抗精神病薬ハロペリドールが誘発するカタレプシーの急性反応と感作も低下させた。これら2つの薬物実験は、それぞれ依存症関連反応と抗精神病薬誘発性パーキンソニズムを調べる動物モデルに当たる。

分子レベルでは、刺激に応じたタンパク質合成が鍵となった。研究チームは全身性Ythdf1欠損マウスの線条体ニューロンを培養し、新生タンパク質に取り込まれるメチオニン類似体L-ホモプロパルギルグリシン（HPG）による標識で合成量を測定した。欠損ニューロンでは基礎合成量がむしろ高かったが、D1受容体作動薬SKF-81297を加えても、さらなる増加は見られなかった。同じ刺激で野生型ニューロンでは合成量が増加したことから、YTHDF1の役割はタンパク質産生を一律に高める作用だけでは説明できない。

治療標的としての可能性と細胞選択性の課題

架橋・免疫沈降後のシーケンシング（CLIP-seq）では、コカイン投与後にYTHDF1が結合するRNA標的の数が増加した。ただし、結合能の変化、m6A修飾の増加、標的RNA発現の変化のどれが原因かは未確定である。Mettl14欠失とYthdf1欠失で類似した行動結果が得られたことは、成体マウスの線条体でYTHDF1がm6A作用を媒介する主要因子だという解釈を支持する。

この研究は、ヒトの記憶力向上や疾患治療効果を示したものではない。細胞種ごとの遺伝子欠失をそのままヒトの治療に適用することはできず、条件付き欠損実験で用いたヘテロ接合対照群も完全な野生型とは同じでない。正常な運動学習の障害と、D2ニューロンでの欠失に伴って増加したコカイン感作を併せて考えると、YTHDF1を全般的に阻害する治療の利点を一般化するのは難しい。行動中にシナプスごとの局所翻訳を直接確かめることも、今後の課題である。

研究の方法と結果は、Europe PMCが提供する論文全文で確認できる。