シナプスタグ付け

シナプスタグ付け、またはシナプスタグ付け仮説は、特定のシナプスでの神経シグナルが、持続的なLTPとLTDに不可欠な可塑性関連産物（PRP）の輸送のターゲットをどのように作成するかを説明するために提案されています。タグの分子的正体は不明ですが、タグは高頻度または低頻度の刺激の結果として形成され、入ってくるPRPと相互作用し、寿命が限られていることが立証されています。^[1]

さらに調査を進めると、可塑性関連産物には細胞体と樹状突起幹の両方からの mRNA とタンパク質が含まれており、持続的な LTP と LTD を達成するには、これらを樹状突起棘内の分子が捕捉する必要があることが示唆されています。この考えは、シナプスのタグ付けと捕捉の仮説で明確に表現されています。全体として、シナプスのタグ付けは、L-LTP が生成され、記憶形成につながる分子基盤を詳しく説明しています。

ライプニッツ神経生物学研究所（後にジョージア医科大学とルンド大学に所属）の研究者であるフレイとエディンバラ大学の研究者であるモリス^[2]は、シナプスタグ付け仮説の基礎を築き、次のように述べています。

「我々は、LTP が、増強されたシナプスで、タンパク質合成に依存しない短期的な「シナプス タグ」の作成を開始し、関連するタンパク質を隔離して後期 LTP を確立すると考えています。この考えを裏付けるために、通常は早期 LTP のみにつながる弱いテタニー刺激、またはタンパク質合成阻害剤の存在下での反復テタニー化は、同じニューロン群への別の入力で反復テタニー化がすでに適用されている場合、それぞれタンパク質合成に依存する後期 LTP をもたらすことを示しました。シナプス タグは 3 時間以内に減衰します。これらの発見は、LTP の持続性が、その誘導中の局所的なイベントだけでなく、ニューロンの以前の活動にも依存することを示しています。」^[2]

L-LTPを誘発する刺激は、シナプスが刺激されたことを識別する樹状突起の生物学的タグと、新しいmRNAとタンパク質（可塑性産物）を生成するゲノムカスケードの2つの独立したプロセスを誘発します。^[3]弱い刺激もシナプスにタグを付けますが、カスケードは生成しません。カスケードで生成されたタンパク質は、最近タグ付けされたシナプスに付着するという点で、特徴的に無差別です。しかし、FreyとMorrisが発見したように、タグは一時的なものであり、捕捉されるタンパク質が現れなければ消えてしまいます。したがって、高頻度刺激によってL-LTPを誘発するには、タグとタンパク質生成が重なっている必要があります。

フレイとモリスが行った実験では、同じCA1細胞集団にシナプスを形成する2つの異なるシャッファー側副線維セットを刺激した。 ^[3]次に、刺激の強度に基づいて、S1またはS2経路の各刺激に関連するフィールドEPSPを記録し、同じニューロン内の異なるシナプスにE-LTPとL-LTPを生成した。結果は、1)弱い刺激によって生成されたE-LTPは、その前または後に強いS2刺激が与えられた場合、L-LTPに変換できること、2)2つの刺激の間隔が長くなるにつれてE-LTPをL-LTPに変換する能力が低下し、時間依存性が生じることを示した。強いS2刺激を与える前にタンパク質合成を阻害すると、L-LTPへの変換が妨げられ、ゲノムカスケードによって生成されたmRNAの翻訳が重要であることが示された。

その後の研究では、後期 LTP と LTD の関連に関係するシナプスタグ付けのさらなる特性が特定されました。この現象は、2004 年に Sajikumar と Frey によって初めて特定され、現在では「クロスタグ付け」と呼ばれています。^{[4]これは、独立した}シナプス入力セットで誘発される LTP と LTD 間の後期連合相互作用に関係しています。1 つのシナプス入力セットで誘発される後期 LTP は、別の入力セットで早期 LTD を後期 LTD に変換できます。逆の効果も発生します。最初のシナプスで誘発される早期 LTP は、独立したシナプスで後期 LTD 誘発刺激が続くと、後期 LTP に変換されます。この現象は、シナプスタグが設定された後、最初のシナプスでの後期 LTP または -LTD による非特異的可塑性関連タンパク質 (PRP) の合成が、2 番目のシナプスで初期 LTD/LTP を後期 LTD/LTP に変換するのに十分であるために発生します。

ブリッツァーと彼の研究チームは2005年にこの理論の修正を提案し、シナプスタグによって捕捉されたタンパク質は実際には樹状突起にあるmRNAから翻訳された局所タンパク質であると主張した。^{[3]これは、mRNAが強い刺激によって開始されるゲノムカスケードの産物ではなく、継続的な}基礎転写の結果として送達されることを意味する。彼らは、タグ付けされた弱い刺激を受けたシナプスでさえ、ゲノムカスケードがなくても、近くの強い刺激から生成されたタンパク質を受け入れることができると提案した。

シナプスタグ付け/タグ付けと捕捉の理論は、LTP後期にmRNA、タンパク質、その他の分子が特定の樹状突起スパインに特異的にどのように輸送されるかを説明する重要な問題に潜在的に対処しています。LTP後期は特定の樹状突起スパイン内のタンパク質合成に依存することは以前から知られており、これは樹状突起スパインにアニソマイシンを注入して結果的に後期LTPが消失することを観察することによって証明されています。^[5]樹状突起スパイン内での翻訳を実現するために、ニューロンは核内でmRNAを合成し、それをリボ核タンパク質複合体内にパッケージ化し、輸送を開始し、輸送中に翻訳を防ぎ、最終的にRNP複合体を適切な樹状突起スパインに送達する必要があります。^[6]これらのプロセスは多くの分野にまたがっており、シナプスタグ付け/タグ付けと捕捉ではすべてを説明することはできません。それにもかかわらず、シナプスタグ付けは、mRNA 輸送を適切な樹状突起棘に誘導し、mRNA-RNP 複合体が解離して樹状突起棘に入るようにシグナルを送る上で重要な役割を果たしていると考えられます。

細胞のアイデンティティと細胞内構造のアイデンティティは、主にRNA転写によって決定されます。この前提を考慮すると、mRNAの細胞転写、輸送、翻訳は、さまざまな時点で変更を受けることになります。^{[7]転写から始まり、mRNA分子は、}エクソンとイントロンの代替スプライシングによって潜在的に変更されます。代替スプライシングのメカニズムにより、細胞はゲノム内の単一の遺伝子から多様なタンパク質セットを生成することができます。次世代シーケンシングの最近の進歩により、スプライスバリアントを通じて真核細胞が達成する多様性をより深く理解できるようになりました。^[8]

樹状突起スパインが L-LTP を発現するには、転写された mRNA が目的の樹状突起スパインに到達する必要があります。ニューロンは、輸送リボ核タンパク質 (RNP) 複合体とともに mRNA を特定の樹状突起スパインにパッケージで輸送する場合があります。輸送 RNP 複合体は RNA 顆粒のサブタイプです。シナプス可塑性に重要であることが知られている 2 つのタンパク質、CaMKII (カルモジュリン依存性キナーゼ II) と前初期遺伝子 Arc を含む顆粒は、モータータンパク質キネシンの一種である KIF5 と関連することが確認されています。^[9]さらに、少なくとも in vitro では、ポリアデニル化された mRNA が哺乳類のニューロンの微小管と関連するという証拠があります。^[10] mRNA 転写物は核から輸出される前にポリアデニル化を受けるため、これは後期 LTP に不可欠な mRNA が樹状突起スパインに到達する前に樹状突起シャフト内の微小管に沿って移動する可能性があることを示唆しています。

RNA/RNP 複合体がモータータンパク質を介して特定の樹状突起棘の近傍の領域に到達すると、樹状突起棘内のプロセスによって何らかの方法で「捕捉」される必要があります。このプロセスには、十分な強度のシナプス刺激によって作成されたシナプス タグが関与している可能性があります。シナプス タグは、次のようなさまざまなメカニズムを介して RNA/RNP 複合体を捕捉する可能性があります。

1. シナプスタグは、樹状突起棘内への微小管の一時的な進入を誘発する。最近の研究では、活動依存的に微小管が樹状突起棘内に一時的に進入できることが示されている。[ ^[11] ]
2. シナプスタグはモータータンパク質から貨物の解離を引き起こし、何らかの形でそれを動的に形成されたマイクロフィラメントに誘導する。

1980年代以降、樹状突起にはリボソーム、タンパク質、RNA成分が含まれており、局所的かつ自律的なタンパク質翻訳を実現していることがますます明らかになっています。樹状突起に局在することが示されている多くのmRNAは、AMPA受容体やCaMKIIサブユニット、細胞骨格関連タンパク質MAP2やArcなど、LTPに関与することが知られているタンパク質をコードしています。^[12]

研究者^[13]は、海馬細胞の特定のシナプスを選択的に刺激した後のArc mRNAの分布を調べることで、局所合成の証拠を示しました。彼らは、Arc mRNAが活性化シナプスに局在し、同時にArcタンパク質がそこに出現することを発見しました。これは、mRNAが局所的に翻訳されたことを示唆しています。

これらの mRNA 転写物はキャップ依存的に翻訳されます。つまり、キャップアンカーポイントを使用して、リボソームが 5' 非翻訳領域に付着しやすくなります。真核生物開始因子 4 グループ (eIF4) のメンバーは、リボソームサブユニットを mRNA 末端にリクルートし、eIF4F 開始複合体の組み立ては翻訳制御のターゲットです。eIF4F のリン酸化によりキャップが露出して急速に再ロードされ、翻訳の律速段階が速まります。eIF4F 複合体の形成は LTP 中に制御され、局所翻訳が増加すると示唆されています。^[12]さらに、過剰な eIF4F 複合体は LTP を不安定化させます。

研究者らは、mRNAの最終目的地を決定する配列を特定した。これらは局在化要素（LE）、郵便番号、標的要素（TE）と呼ばれる。これらはRNA結合タンパク質によって認識され、その候補としてはMARTAやZBP1などがある。^{[14] [15]}これらはTEを認識し、この相互作用によりリボヌクレオチドタンパク質（RNP）複合体が形成され、モータータンパク質の助けを借りて細胞骨格フィラメントに沿ってスパインまで移動する。樹状TEは、MAP2やalphaCaMKIIなどのいくつかのmRNAの非翻訳領域で特定されている。^{[16] [17]}

シナプスタグ付けは、シナプスによる分子維持機構の獲得を伴う可能性があり、それによってシナプス変化の保存が可能になる。^[18]シナプスタグ付けが機能するプロセスはいくつか提案されている。^[19]あるモデルでは、タグによって特定のシナプスでの局所的なタンパク質合成が可能になり、それがシナプス強度の変更につながると示唆されている。この提案されたメカニズムの一例として、PKMzeta mRNA をタグ付けされたシナプスに固定することが挙げられます。この固定によって、重要な可塑性関連タンパク質である翻訳された PKMzeta の活動がこの場所に限定されます。別のモデルでは、刺激によって引き起こされる短期的なシナプス変化自体がタグであり、その後送達または翻訳されたタンパク質産物がこの変化を強化する働きをする、と提案されています。たとえば、低頻度刺激による LTD につながる AMPA 受容体の除去は、内部化が起こらなかったシナプスでは不活性となる新しいタンパク質産物によって安定化されます。別のモデルが示唆するように、タグは潜在記憶痕跡である可能性もあります。その場合、タンパク質の活性は、記憶痕跡がシナプス強度の持続的な変化につながるために必要になります。このモデルによると、新しい糸状仮足の成長など、潜在記憶痕跡によって引き起こされる変化自体がタグです。これらのタグは、安定化、シナプス形成、シナプス安定化のためにタンパク質産物を必要とします。最後に、別のモデルでは、必要な分子産物が適切な樹状枝に導かれ、その後、電位依存性Ca++チャネルを介してCa++微量濃度勾配をたどることで、有効性の変更下にある特定のシナプスを見つけると提案されています。^[20]

シナプスタグ付け仮説の概念は主にシナプスに刺激を与える実験から生まれたものですが、より広い意味での学習プロセス、つまり行動の観点から考えると、同様のモデルを確立することができます。^[21] Fabricio Ballarini と同僚は、弱い訓練を受けたラットで空間物体認識、文脈条件付け、条件付け味覚嫌悪をテストすることで、この行動タグ付けモデルを開発しました。適用された訓練は通常、短期記憶の変化のみをもたらします。しかし、彼らはこの弱い訓練を、タンパク質合成を誘発すると想定される別の任意の行動イベントと組み合わせました。2 つの行動イベントが一定の時間枠内で結合されると、弱い訓練は長期記憶のタスク関連の変化を引き起こすのに十分でした。研究者は、弱い訓練が「学習タグ」につながると信じていました。その後のタスク中に、タンパク質の切断により、このタグの長期記憶が形成されました。行動タグ付けモデルは、シナプスタグ付けモデルに対応しています。弱い刺激によって E-LTP が確立され、高強度刺激が適用されると、これが弱い増強をより強力で持続的な L-LTP に変換するために使用されるタグとして機能する可能性があります。