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糖鎖修飾酵素の活性調節による神経損傷の顕著な修復について
神経生化学（生化学第二）の五十嵐道弘教授らは、コンドロイチン硫酸(CS)糖鎖合成酵素T1の遺伝子欠損マウスが、脊髄損傷の劇的な回復を引き起こすことを発見しました。このマウスでは、損傷部位の縮小や神経の突起である軸索の顕著な伸長再生が起こり、さらにはヘパラン硫酸(HS)という、CSと合成系を共有し、かつCSとは逆の神経伸長活性を持つ分子の発現を高めていました。この研究から、このT1酵素は神経損傷や神経難病の改善に向けて重要な創薬の標的であることを解明しました。
さらに損傷脊髄に限定してこの遺伝子の抑制にも成功し、今後のiPS細胞移植などと併用することで、治療法の無かった脊髄損傷などの中枢神経の病態への再生医療につながる成果であると期待されます。本研究に関する論文は、オンライン限定の学際的ジャーナルとして国際的に高く評価されている「Nature Communications」（Interdisciplinary journalとしては、Natiure本誌、Scienceについてimpact factor第3位）に掲載されました。
【本論文は、朝日新聞デジタル、新潟日報、日刊工業新聞など数紙に報道されました。】
さらに損傷脊髄に限定してこの遺伝子の抑制にも成功し、今後のiPS細胞移植などと併用することで、治療法の無かった脊髄損傷などの中枢神経の病態への再生医療につながる成果であると期待されます。本研究に関する論文は、オンライン限定の学際的ジャーナルとして国際的に高く評価されている「Nature Communications」（Interdisciplinary journalとしては、Natiure本誌、Scienceについてimpact factor第3位）に掲載されました。
【本論文は、朝日新聞デジタル、新潟日報、日刊工業新聞など数紙に報道されました。】
CSはグリコサミノグリカンという糖鎖の一種で細胞外に広がって細胞外基質を構成し、組織の維持に重要な役割を果たします。しかし神経損傷時や神経変性疾患では、反応性グリア細胞（反応性アストロサイト）が増殖してCSを大量に合成します。これは中枢神経を守る生体防御に有利な面も大きいのですが、軸索の再生阻害因子として機能します。CSの分解誘導による再生促進の研究は近年活発に研究されていますが、特にCSは過剰な炎症反応を抑制する効果もあり、現実的な治療としては難しい面があります。
今回、五十嵐教授はCS合成酵素T1の遺伝子欠損マウスを作り、脊髄損傷から劇的な回復を示すことを発見しました。このマウスは運動機能の回復実験からも修復が顕著で、組織像からも軸索再生が確認されただけでなく、損傷部位は通常マウスでの損傷時に比較して50％に縮小しました。さらにこのマウスでは損傷後、CSの減少と同時に、軸索の伸長を促進するHSの合成が20倍以上に著増して、想像以上の回復を示すことを発見しました。HS合成上昇による相乗効果は、CSを分解する方法では全く得られない結果でした。そのため、このCS糖鎖合成酵素T1は、脊髄損傷をはじめとする中枢神経損傷や神経難病の治療に向けて絶好のターゲットとなるものと考えられます。さらに同グループは、脊髄損傷後のマウスの損傷部だけでT1遺伝子の発現抑制（遺伝子ノックダウン）法を開発し、上述のマウス全身でこのT1の発現を抑える（遺伝子ノックアウト）ことと同様に、損傷後の回復効果を高めることに成功しました。これは治療への可能性も大きく示唆しています。
今回、五十嵐教授はCS合成酵素T1の遺伝子欠損マウスを作り、脊髄損傷から劇的な回復を示すことを発見しました。このマウスは運動機能の回復実験からも修復が顕著で、組織像からも軸索再生が確認されただけでなく、損傷部位は通常マウスでの損傷時に比較して50％に縮小しました。さらにこのマウスでは損傷後、CSの減少と同時に、軸索の伸長を促進するHSの合成が20倍以上に著増して、想像以上の回復を示すことを発見しました。HS合成上昇による相乗効果は、CSを分解する方法では全く得られない結果でした。そのため、このCS糖鎖合成酵素T1は、脊髄損傷をはじめとする中枢神経損傷や神経難病の治療に向けて絶好のターゲットとなるものと考えられます。さらに同グループは、脊髄損傷後のマウスの損傷部だけでT1遺伝子の発現抑制（遺伝子ノックダウン）法を開発し、上述のマウス全身でこのT1の発現を抑える（遺伝子ノックアウト）ことと同様に、損傷後の回復効果を高めることに成功しました。これは治療への可能性も大きく示唆しています。
中枢神経損傷に対してはこれまで、根本的治療法がありませんでした。そのため深刻な麻痺などの後遺症は非常に大きな社会問題でもあります。そのため近年、とくに幹細胞の移植によって脊髄損傷からの治療を目指す方向性が特に大きく取り上げられています。今回の成果は、全く新しい原理に基づく、T1分子を標的とした神経損傷に関する治療法を提案するものでもあります。とくに、遺伝子ノックダウンによって治療回復を引き出すことにも成功しており、治療方向性を提案しました。この研究は将来の神経疾患の難治性を解消する原理に発展することも期待されます。
��. 神経科学における意義
軸索の再生を阻害する要因は、1) 外因＝外部に存在する阻害的因子、2) 内因＝神経細胞内部に存在し、神経の成長を抑制する因子（あるいは成長を促進する因子の欠如）、の2つが考えられます。CSは前者、HS合成は後者に関係し、T1遺伝子の調節は内因・外因の双方を同時に調節する最初の分子であり、大きな学問的成果を有しています。
��. より一般的な意義
当該の分子は、神経系のみに特異的ではなく、もちろんすべての臓器、すべての細胞の周囲に存在する分子群です。すなわち、CS、HSは細胞外及び細胞表面にそれぞれ遍在して、細胞周囲の環境やシグナル伝達を調節している分子です。今回の結果は、T1という単一の遺伝子の発現を調節することで、細胞内外の環境が大きく変化する、ということを意味しています。また今回、脊髄損傷という系で変化が見られたということは、「病態モデルを作成することで、はじめて一連の遺伝子発現の大きな変動を確認することができた」ということを意味しています。
軸索の再生を阻害する要因は、1) 外因＝外部に存在する阻害的因子、2) 内因＝神経細胞内部に存在し、神経の成長を抑制する因子（あるいは成長を促進する因子の欠如）、の2つが考えられます。CSは前者、HS合成は後者に関係し、T1遺伝子の調節は内因・外因の双方を同時に調節する最初の分子であり、大きな学問的成果を有しています。
��. より一般的な意義
当該の分子は、神経系のみに特異的ではなく、もちろんすべての臓器、すべての細胞の周囲に存在する分子群です。すなわち、CS、HSは細胞外及び細胞表面にそれぞれ遍在して、細胞周囲の環境やシグナル伝達を調節している分子です。今回の結果は、T1という単一の遺伝子の発現を調節することで、細胞内外の環境が大きく変化する、ということを意味しています。また今回、脊髄損傷という系で変化が見られたということは、「病態モデルを作成することで、はじめて一連の遺伝子発現の大きな変動を確認することができた」ということを意味しています。
神経の軸索はヒトを含む哺乳動物の脳・脊髄では損傷を受けると再生は困難です。その主たる理由は、2つあります【右図】
1つは外因で、神経細胞の細胞外に神経成長を妨げる因子が大量に存在する、という考えであり、損傷後に作られる大量に作られるCSなどがここに含まれます。一方、神経細胞は成人になると伸びる活性がもともと弱くなる、というのが内因で、成長に促進的な遺伝子の発現抑制や、成長を抑制する遺伝子の発現などが想定されます。今回のわれわれの研究では、HS合成酵素遺伝子の発現が、成熟脳では低くなっている点が内因と関係すると考えられます。
1つは外因で、神経細胞の細胞外に神経成長を妨げる因子が大量に存在する、という考えであり、損傷後に作られる大量に作られるCSなどがここに含まれます。一方、神経細胞は成人になると伸びる活性がもともと弱くなる、というのが内因で、成長に促進的な遺伝子の発現抑制や、成長を抑制する遺伝子の発現などが想定されます。今回のわれわれの研究では、HS合成酵素遺伝子の発現が、成熟脳では低くなっている点が内因と関係すると考えられます。
コンドロイチン硫酸（CS）（左下：赤）の糖鎖はタンパク質（青）から伸び、合成には多種類の酵素が働く。本研究では、タンパク質から伸びだす四糖の後にCS鎖合成起点にあるCSGalNAcT1（コンドロイチン硫酸GalNAc転移酵素；T1）を標的とした。このT1遺伝子欠損マウスを作製した（図の通行止の部分）ところ、脊髄損傷の劇的な回復を見た。T1遺伝子を発現抑制すると、ヘパラン硫酸（HS）（右上：緑）の合成が促進され、神経突起の伸長因子HSが発現上昇したためでもあった。
通常のマウスでは脊髄損傷部には大きな瘢痕ができるが、T1遺伝子を欠損させてCS発現量が低下したマウスでは瘢痕部が縮小した。さらに通常は認められない神経の伸長因子HSが合成され、さらに神経再生伸長をさらに促進していた。
本研究から、T1は中枢神経の損傷や疾患の治療に向けてよい治療標的になることが証明された。しかし全身性の遺伝子抑制は、治療方策として改善の余地がある。本研究では、さらに損傷部のみ組織特異的に遺伝子発現抑制する方法を開発した。遺伝子抑制（遺伝子ノックダウン）のために用いる核酸配列（siRNA）を見いだし、損傷部に定置して浸透させ、効果的にデリバリーするT1遺伝子ノックダウンに成功した【左図】。この方法で通常のマウス（野生型）が、T1ノックアウトマウスと同様に、脊髄損傷後の大きな回復を示した。
筆頭著者：Kosei Takeuchi 【武内恒成】
責任著者：五十嵐道弘 Michihiro Igarashi
“Chondroitin sulphate N-acetylgalactosaminyl-transferase-1 inhibits recovery from neural injury” Nat Commun. 2013 Nov 12; 4:2740. doi: 10.1038/ncomms3740
http://www.nature.com/ncomms/2013/131112/ncomms3740/full/ncomms3740.html
責任著者：五十嵐道弘 Michihiro Igarashi
“Chondroitin sulphate N-acetylgalactosaminyl-transferase-1 inhibits recovery from neural injury” Nat Commun. 2013 Nov 12; 4:2740. doi: 10.1038/ncomms3740
http://www.nature.com/ncomms/2013/131112/ncomms3740/full/ncomms3740.html