力感応性接着GPCRは平衡感覚に必要である

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平衡感覚 力感応性GPCR 機械電気変換 前庭有毛細胞 Lphn2

学術的背景

平衡感覚（equilibrioception）は、哺乳類が三次元世界を感知し、ナビゲートするための重要な能力です。この能力は、前庭有毛細胞（vestibular hair cells, VHCs）の迅速な機械電気変換（mechanoelectrical transduction, MET）反応に依存しており、頭部の位置や動きを検出します。これまでの研究で、トランスメンブレンチャネル様タンパク質（transmembrane channel-like proteins, TMCs）がMETチャネルの重要な構成要素であることが示されていますが、平衡感覚の分子メカニズムにはまだ多くの謎が残されています。近年、Gタンパク質共役受容体（G protein-coupled receptors, GPCRs）が機械力センサーとしての役割を果たすことが注目されており、特に視覚、嗅覚、触覚などの感覚システムにおいてその機能が研究されています。しかし、GPCRsが前庭系で果たす役割はまだ十分に解明されていません。そこで、本研究はGPCRsが平衡感覚において果たす役割、特に力感受性GPCRであるLphn2（ADGRL2とも呼ばれる）が前庭有毛細胞で果たす機能を探ることを目的としています。

論文の出典

この研究は、中国の複数のトップ研究機関のチームが共同で行ったもので、山東大学齊魯病院、東南大学、華中科技大学などが参加しています。研究チームは、Zhao Yang、Shu-Hua Zhou、Qi-Yue Zhangら15名の共同筆頭著者によって率いられ、Wei Yang、Fan Yi、Ren-Jie Chai、Xiao Yu、Jin-Peng Sunが責任著者として名を連ねています。この論文は2025年2月18日に『Cell Research』誌にオンライン掲載され、タイトルは『A force-sensitive adhesion GPCR is required for equilibrioception』です。

研究のプロセスと結果

1. 前庭系における力感受性GPCRsのスクリーニング

研究チームはまず、単細胞RNAシーケンス（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）を用いて、マウスの前庭有毛細胞における30種類のGPCRsの発現を解析し、20%以上の有毛細胞で発現している12種類のGPCRsを特定しました。その後、研究チームは磁気ピンセットシステムとGPCRバイオセンサーフラットフォームを利用したハイスループット機械刺激実験を開発し、これらのGPCRsが機械的刺激に応答して活性化するかどうかを検証しました。その結果、Lphn2、Gpr133、Gpr126、Lphn3、Vlgr1の5つのGPCRsが機械的刺激に応答してGiまたはGsシグナル経路を活性化することが示され、これらが機械的感受性を持つことが明らかになりました。

2. 前庭有毛細胞におけるLphn2の発現と機能

研究チームはさらに、免疫染色とRNA in situハイブリダイゼーション技術を用いて、Lphn2がマウスの前庭有毛細胞の頂膜（apical membrane）に発現していることを確認しましたが、有毛細胞のステレオシリア（stereocilia）ではLphn2の発現は検出されませんでした。Lphn2の条件付きノックアウトマウスモデルを作成したところ、Lphn2の欠損はマウスの平衡行動に異常を引き起こし、回転行動や泳ぐ能力の著しい低下が観察されました。さらに、Lphn2の欠損は前庭有毛細胞のMET電流の著しい低下も引き起こしました。

3. Lphn2による前庭有毛細胞のMETプロセスの制御

Lphn2がMETプロセスで果たす役割をさらに探るため、研究チームは流体ジェットシステム（fluid jet system）を用いて前庭有毛細胞に機械的刺激を与え、MET電流を記録しました。その結果、Lphn2が欠損しているか、Lphn2特異的阻害剤D11で処理された前庭有毛細胞では、MET電流が著しく低下することが示されました。興味深いことに、Lphn2の欠損は有毛細胞のステレオシリアの剛性やtip-linkを介したMET電流には影響を及ぼさず、Lphn2がtip-linkとは独立したMETプロセスを制御していることが示唆されました。

4. Lphn2とTmc1の機能的なカップリング

研究チームは、免疫共沈降と共焦点顕微鏡技術を用いて、Lphn2とTmc1が前庭有毛細胞の頂膜で共局在していることを発見しました。さらに、異種発現系を用いた実験では、Lphn2が機械的刺激をTmc1チャネルの開放確率の増加に変換できることが示されました。また、研究チームはTmc1特異的阻害剤C14を開発し、C14がLphn2を介したMET電流を抑制することを確認し、Lphn2とTmc1のMETプロセスにおける機能的なカップリングをさらに支持しました。

5. Lphn2を介した神経伝達物質の放出とカルシウムシグナル

研究チームはさらに、Lphn2が機械的刺激に応答して前庭有毛細胞からグルタミン酸（glutamate）を放出し、カルシウムシグナル（Ca2+ signaling）を引き起こすことを発見しました。グルタミン酸センサーとカルシウムイオンの蛍光プローブを用いて、Lphn2の欠損やD11処理が機械的刺激に応答したグルタミン酸の放出とカルシウムシグナル応答を著しく低下させることを確認しました。

6. Lphn2の再発現による平衡機能の回復

最後に、研究チームはアデノ随伴ウイルス（adeno-associated virus, AAV）を用いて、Lphn2を欠損したマウスの前庭有毛細胞にLphn2を再発現させたところ、Lphn2の再発現がマウスの平衡行動を著しく改善し、前庭有毛細胞のMET電流を回復させることが明らかになりました。この結果は、Lphn2が前庭系において直接的に平衡感覚の調節に関与していることを示しています。

結論と意義

本研究は、力感受性GPCRであるLphn2が前庭有毛細胞の頂膜に発現し、Tmc1との機能的なカップリングを通じてtip-linkとは独立したMETプロセスを制御することを明らかにしました。Lphn2の欠損はマウスの平衡行動に異常を引き起こし、前庭有毛細胞のMET電流を著しく低下させますが、Lphn2の再発現はこれらの機能を回復させます。この研究は、GPCRsが前庭系で果たす重要な役割を明らかにし、平衡感覚の分子メカニズムを理解するための新たな視点を提供しています。

研究のハイライト

  1. GPCRsが前庭系で機械的力を感知する機能を初めて明らかにした：Lphn2は力感受性GPCRとして、前庭有毛細胞のMETプロセスを制御し、平衡感覚に関与しています。
  2. tip-linkとは独立したMETプロセスを発見：Lphn2が制御するMET電流はtip-linkに依存しないため、前庭有毛細胞のMETプロセスがより複雑であることが示されました。
  3. Lphn2とTmc1の特異的阻害剤を開発：D11とC14の開発は、Lphn2とTmc1の機能を研究するための強力なツールを提供しました。
  4. AAVによる再発現で平衡機能を回復：この結果は、前庭機能障害の治療のための潜在的な戦略を提供しています。

その他の価値ある情報

研究チームはまた、Lphn2が前庭有毛細胞で示す発現パターンが、蝸牛有毛細胞で示すパターンとは異なることを発見し、Lphn2が異なる感覚系で異なる機能を果たす可能性を示唆しました。さらに、研究チームはLphn2とTmc1の相互作用モードを提案し、GPCRsとイオンチャネルの機能的なカップリングを研究するための新たな方向性を示しました。

この研究は、平衡感覚の分子メカニズムに対する理解を深めるだけでなく、前庭機能障害の治療法を開発するための理論的基盤を提供しています。GPCRsが前庭系で果たす機能を明らかにすることで、感覚生物学の分野に新たな研究の方向性を切り開きました。