シナプス後lncrna Sera/PKM2経路がmPFCにおける神経アンサンブルの再構築を通じて社会的競争からランクへの移行を調整する

生命科学 生化学 遺伝学 細胞生物学
lncrna 社会的競争 神経アンサンブル mPFC ランク

社会的な動物において、個体間の競争と地位の確立は、資源分配、集団の安定性、エネルギーの節約において重要な役割を果たします。しかし、前部帯状皮質（medial prefrontal cortex, mPFC）が社会的な競争行動と社会的な地位の調整に関与していることは分かっていても、その具体的な分子調節メカニズムは完全には明らかにされていません。本研究では、競争行動と社会的地位の変化の過程における長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）SERAと、それがPKM2を通じて大脳の興奮性ニューロンに与える影響について調査しました。

この研究は、華中科技大学同済医学院病理生理学科、ボストン大学生物学科、シンシナティ小児病院など複数の研究機関によって共同で行われ、2024年に『Cell Discovery』誌に発表されました。本研究は、SERA/PKM2経路が社会的行動を調節する新たなメカニズムを示しました。

研究方法と実験設計

本研究は、以下の段階で行われ、多くの革新的な実験技術や手段が使用されました。

1. 社会的競争と地位の測定

  • 実験動物とグループ分け： C57BL/6マウスを用いて、食物競争実験と管状試験を通じてマウスの社会的集団における競争能力と社会的地位を測定しました。
  • 行動テスト：
    • 管状試験： 2匹のマウスが反対方向から管に入り、相手を押し戻して退出させた方が勝者となり、地位の順序を決定します。
    • 温かいスポットテスト： 寒い環境で唯一の温かいスポットの占有時間を観察しました。
    • 食物競争実験： 空腹のマウスが1つの食物をめぐって競争し、明確な競争順位を確立しました。

2. ニューロン活動の記録と分析

  • 電極埋め込みと記録： 微小電極アレイを使用して、競争行動中の中前額皮質腹側区（prelimbic cortex, PL）における興奮性ニューロンの活動を記録しました。
  • ニューロンの分類： 競争の成否や相手の地位に応じた活動パターンに基づき、競争関連、地位関連、または両者に関連するニューロンに分類しました。

3. 分子メカニズムの解析

  • RNAシーケンスとスプライシングイベントの解析： 蛍光活性化細胞分取（FACS）技術を用いて、競争能力の高いマウスと低いマウスのPL興奮性ニューロンからRNAを分離し、全ゲノムRNAシーケンスを実施し、代替スプライシングイベントを解析しました。
  • PKM遺伝子のスプライシングパターン検出： 競争能力の高いマウスでは、PKM遺伝子のスプライシングパターンが変化し、PKM1/PKM2の比率が顕著に低下しました。

4. 機能の検証

  • PKM2の発現調整： Tet-On/Offシステムを使用し、腺関連ウイルス（AAV）を介した遺伝子編集により、マウスのPL興奮性ニューロンにおけるPKM2の発現を調整しました。
  • SERAの機能検証： SERAの過剰発現またはノックダウン実験を通じて、PKMスプライシングおよび競争行動の調節に対するその影響を検証しました。

研究結果と発見

1. PKMスプライシングパターンと社会的競争

  • 競争能力の高いマウスのPL興奮性ニューロンでは、PKM遺伝子の第9および第10エクソンの利用パターンが顕著に変化し、PKM1/PKM2の比率が低下しました。
  • PKM2の発現を調整した結果、競争関連ニューロンの活動が即時に調節され、その結果、競争能力と社会的地位にも影響が及びました。

2. SERAによるPKMスプライシングの調節

  • SERAはlncRNAであり、主にPL興奮性ニューロンに分布し、PKM1/PKM2の発現と負の相関を示しました。
  • 実験により、SERAがPKM第10エクソン後のスプライシング部位とU1 snRNPの結合を阻害することにより、PKM2の生成を抑制し、PKM1/PKM2の比率を高めることが示されました。

3. PKM2のシナプス機能への影響

  • PKM2はシナプス後部に位置し、AMPA受容体（AMPAR）Glua1サブユニットのSer845部位をリン酸化することにより、その膜発現を促進し、シナプス伝達効率を向上させます。
  • Glua1のリン酸化を阻害するペプチドを用いた実験により、このプロセスが直接的にマウスの競争能力と社会的地位に影響を与えることが示されました。

研究の意義と応用の展望

本研究は、SERA/PKM2経路が社会的行動において重要な役割を果たすことを初めて示しました。以下に研究の主な意義をまとめます。

  1. 理論的意義：

    • 社会的行動の神経メカニズムの理解を拡大し、特に競争行動がどのようにニューロン活動と分子メカニズムを通じて社会的地位に影響を与えるかを明らかにしました。
    • PKM2がシナプス機能において、AMPARの膜発現を調節するプロテインキナーゼとしての新たな役割を持つことを示しました。

  2. 潜在的な応用：

    • 精神疾患（うつ病や自閉症など）における社会機能障害の研究に新たな標的を提供しました。
    • 神経調節および行動介入の分野で、PKM2は社会的行動を改善するための重要な分子標的となる可能性があります。

研究のハイライトと革新点

  1. 方法の革新： 行動学、分子生物学、電気生理学的記録技術を組み合わせた多層的な研究視点を提供しました。
  2. 新しいメカニズムの発見： lncRNA SERAがPKMスプライシングを調節して競争行動に関与することを初めて発見しました。
  3. 応用価値： 研究結果は、社会的行動の調節における分子介入の可能性を提供しました。

本研究は、多学科の知識を組み合わせることで、社会的競争行動の背後にある複雑な分子メカニズムを明らかにし、社会的地位の形成と維持のご確認いただき、必要な修正や追加のご要望がありましたら、お知らせください。また、この研究内容をどのように活用したいかについても教えていただければ、さらに具体的なアドバイスを提供できるかもしれません。