脳の神経細胞をつなぐシナプスには興奮性と抑制性があり、そのバランスが適切に調節されることは脳の正常な機能に必須である。本研究では、シナプス接着分子Neuroligin（NL）に着目し、興奮・抑制バランス制御の分子機構解明を目指した研究を展開している。
NLにはNL1からNL4の遺伝子が存在し、NL1は興奮性、NL2/4は抑制性、NL3は両方のシナプスを制御することが知られているが、これらの興奮・抑制を切り替えるスイッチ機構は不明である。申請者はこれまで、抑制性シナプス制御因子GARLHがNL2だけでなくNL3にも結合することをin vitroの実験で見出していたことから、GARLH結合がNLの抑制性スイッチであるという仮説を立てた。
2年計画の初年度ある2018年度では、GARLH-NL3結合が脳内で実際に見られるか確認するとともに、上記仮説について検証を行い、以下の結果を得た。
・脳においてGARLH-NL3結合が存在することを確認するとともに、興奮性特異的NL1も一部、GARLHと結合していることを見出した。
・興奮性のNL1をGARLHと強制的に結合することで、その局在が興奮性から抑制性に変化することを示した。
・GARLH-NLの結合にはNLの膜貫通領域が必須であることを明らかにした。
これらの結果は、申請者の立てた仮説を支持するものであった。よって申請者は、膜貫通領域に変異を導入しGARLHとの結合を欠失したNL3の変異体を作成、神経初代培養細胞や脳内の神経細胞にこれらを発現させ、その局在と、興奮性・抑制性それぞれのシナプスに与える影響について、現在解析している。さらにNLの抑制性スイッチの生理的意義を明らかにするために、NL3欠損マウスへのGARLH非結合型NL3変異体を戻す実験を計画している。すでに導入したNL3欠損マウスは順調に殖えており、現在は脳に広くNL3変異体を発現させるウイルスベクターを調整している。
In the brain, neurons are connected and interact through synapses, which contains excitatory and inhibitory. The balance of them must be regulated for proper brain functions. In this study, we re investigating molecular mechanisms regulating excitatory/inhibitory balance by focusing on Neuroligin family, one of the critical synaptic adhesion protein families.
NL family contains 4 genes, NL1-NL4. NL1 and NL2/4 regulate excitatory and inhibitory synapses respectively, while NL3 regulates both. However, the molecular mechanisms to switch NLs between excitatory and inhibitory are unclear. In previous study, we found that inhibitory synaptic regulatory protein, GARLH, binds with not only NL2 but also NL3 in vitro, so we hypothesized that GARLH-binding is the excitatory/inhibitory switch of NLs. In the first year of this two-year project, we confirmed GARLH-NL3 binding in the brain, and examined this hypothesis, then we've got following results.
・While we confirmed GARLH-NL3 binding in the brain, excitatory-specific NL1 also partially binds to GARLH in vivo.
・Forced binding of NL1 to GARLH alters NL1 localization from excitatory to inhibitory.
・Transmembrane domain of NL is necessary for GARLH binding.
These data support our hypothesis. Therefore, we are next investigating the physiological functions of GARLH-NL binding with NL3 mutant (NL3-mut) whose binding to GARLH is disrupted. We are examining the localization of NL3-mut and its effects for excitatory and inhibitory synapses respectively using primary culture neurons. Additionally, we are planning rescue experiments with NL3-mut to NL3 KO mice. We are expanding NL3-KO colony and making viral vector for NL3-mut expression.