学習や記憶の形成には脳の中の様々なタンパク分子が連携して働きますが、中でもカルシウム・カルモジュリンキナーゼIIといわれる酵素タンパク質が中心的な役割を果たすと考えられています。しかしながら、このタンパク質は脳内に非常に多く存在し、酵素以外にも様々な機能を持っているため、従来のタンパク質そのものを無くしてしまう遺伝子改変法では、その酵素活性がどの程度学習や記憶に役割を果たしているか明確にすることができませんでした。今回、自然科学研究機構・生理学研究所の山肩葉子助教の研究グループは、このタンパク質の酵素機能だけを抑えたマウスを開発し、細胞から行動に至るすべてのレベルで学習や記憶が著しく障害されていることを明らかにしました。東京大学・岡部繁男教授、真鍋俊也教授、群馬大学・柳川右千夫教授、生理学研究所・井本敬二教授、小幡邦彦名誉教授らとの共同研究です。米国神経科学会雑誌（ジャーナルオブニューロサイエンス、６月１０日号）に掲載されました。
本研究グループは、脳の記憶を司る領域である「海馬」に多く存在する酵素タンパク質「カルシウム・カルモジュリンキナーゼIIアルファ（CaMKIIα）」に注目。今回、このタンパク質の機能のうち「タンパク質リン酸化（タンパク質にリン酸基を付けることによって、その性質を制御する）」という酵素機能のみを消した遺伝子改変マウス「CaMKIIα(K42R)ノックインマウス」の開発に成功しました。そして、この酵素の働きが学習や記憶にどのように影響するのかを神経細胞、スライスした脳標本、マウスの行動レベルで観察しました。正常のマウスでは、海馬において、記憶を形成するような強い刺激が、神経細胞と神経細胞のつなぎ目で信号伝達を行うシナプスに到来すると、受け手側の神経細胞で、この酵素タンパク質がシナプス近くに移動し、その部分の突起が膨らみ、受け取る信号が大きくなる「長期増強」と呼ばれる現象が起こります。これが、記憶の形成へと繋がります。しかし、この遺伝子改変マウスでは、このタンパク分子のシナプスへの移動は起こるものの、神経細胞の突起の膨張も信号の増大も起こりませんでした。さらに、マウスの行動を調べるため、暗い箱に入ると軽い電気ショックを感じるしかけにしておくと、正常のマウスは、一度入った後は二度と暗い箱に入らないのに対し、この遺伝子改変マウスは、二度目でもすぐに暗い箱に入ってしまうというように、「暗い箱の中で嫌なことが起こった」ということを覚えられない、あるいは直ちに忘れてしまうことがわかりました。
これまでの研究で、CaMKIIα酵素タンパク質の存在そのものを無くした遺伝子ノックアウトマウスは開発されていましたが、今回のタンパク質リン酸化の機能のみをなくしたノックインマウスほどには、「長期増強」や学習・記憶が劣ることはありませんでした。従来の方法では、脳に多く存在するタンパク質を無くしてしまうと、二次的に他のタンパク質がその機能を補うように働くためと考えられます。今回は、「タンパク質としては存在するが特定の機能のみをなくしたマウス」を作製することによって、脳の中の、特に海馬での、タンパク質リン酸化の重要性をはじめて示した研究成果と言えます。
山肩助教は「これほど学習・記憶に障害のあるマウスを開発することができたのはCaMKIIα のリン酸化機能のみに焦点を絞ったからでしょう。脳の記憶のメカニズム、記憶障害研究のためのモデル動物としても画期的な開発であり、認知症をはじめとする脳疾患の治療方法、対症療法の開発に役立つ可能性があります。」と話しています。
本研究成果は、科学研究費補助金、ならびに科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（CREST)の支援を受けて行われました。
このマウスの作製については、JSTより特許出願申請中です。
１）脳の記憶を司る領域である「海馬」に多く存在する酵素タンパク質「カルシウム・カルモジュリンキナーゼIIアルファ（CaMKIIα）」（図１）の酵素活性のみを抑えた遺伝子改変マウス「CaMKIIα(K42R)ノックインマウス」の開発に成功した。
２）この遺伝子改変マウスの脳の「海馬」では、「記憶」に伴う神経細胞の形や信号の変化が見られなかった（図２）。
３）この遺伝子改変マウスの学習記憶テストを行ったところ、すぐ前の出来事でも記憶しておくことができなくなっていた（図３）。
CaMKIIは、風車のような格好をした酵素で、タンパク質にリン酸基（-P）をくっつける酵素活性があります。タンパク質はリン酸化されることで、形や性質が大きく変化します。
脳の記憶を司る「海馬」の神経細胞では、記憶を起こすような刺激がくると、シナプスの形が変わり、信号をより大きく受け取るように変化しますが、この遺伝子改変マウスでは、そうした変化が見られませんでした。
この遺伝子改変マウスは、暗い部屋で電気ショックを受けたこともすぐ忘れてしまいます。「暗い部屋」という場所の認識ができない、あるいは「暗い部屋＝危険」という関連づけができないと考えられます。
記憶を起こすような強い刺激がシナプスに入ると、CaMKIIαタンパク分子はシナプス部へ移動し、そこでタンパク質をリン酸化することによって、シナプスの形や反応を大きくしますが、CaMKIIαの酵素活性がないK42Rマウスでは、この反応が起こらないために、記憶の形成が起こらないと考えられます。
Kinase-Dead Knock-In Mouse Reveals an Essential Role of Kinase Activity of Ca2+/Calmodulin-Dependent Protein Kinase IIα in Dendritic Spine Enlargement, Long-Term Potentiation, and Learning
Yoko Yamagata, Shizuka Kobayashi, Tatsuya Umeda, Akihiro Inoue, Hiroyuki Sakagami, Masahiro Fukaya, Masahiko Watanabe, Nobuhiko Hatanaka, Masako Totsuka, Takeshi Yagi, Kunihiko Obata, Keiji Imoto, Yuchio Yanagawa, Toshiya Manabe, and Shigeo Okabe
米国神経科学会雑誌 [ジャーナルオブニューロサイエンス (Journal of Neuroscience)、2009年６月１０日号、29巻、7607-7618ページ] に掲載
＜研究に関すること＞
山肩 葉子（ヤマガタ ヨウコ）助教
自然科学研究機構 生理学研究所 （山手地区）
＜広報担当＞
自然科学研究機構 生理学研究所広報室
