線虫ミリオンミューテーションライブラリーの順遺伝スクリーニングにより、BBSomeタンパク質のドーパミンシグナルへの不可欠な寄与を明らかに。
ドーパミンは、脳内の重要な化学物質であり、神経伝達物質として注意や快楽、報酬、運動の調整など多くの機能を制御しています。ドーパミンの生成、放出、不活性化、シグナル伝達は、関連する多数の遺伝子によって厳密に調節されており、その遺伝子と人間の病気との関連性は今も拡大し続けています。
ドーパミンシグナルに異常が見られる脳の障害には、依存症、注意欠陥多動性障害（ADHD）、自閉症、双極性障害、統合失調症、パーキンソン病などが含まれます。こうした複雑な脳およびドーパミン関連障害の研究において、ヒトの遺伝子と驚くほど類似性の高い遺伝子を持ち、効率的かつ経済的に疾患の遺伝的手がかりを得ることができるシンプルな生物、**線虫Caenorhabditis elegans（C. elegans）**が注目されています。
フロリダ・アトランティック大学（Florida Atlantic University, FAU）の研究チームは、ミリオンミューテーションプロジェクト（Million Mutation Project, MMP）を利用して、ドーパミンシグナルに関与する新規因子を発見しました。MMPは、2,007種の線虫株を収集したもので、各株には化学的に誘導された遺伝子変異が含まれており、そのゲノム情報は全て配列解析され、ウェブ上で利用可能です。MMPライブラリー全体には80万以上のユニークな遺伝子変異が含まれており、線虫の各遺伝子は平均で8つの異なる変異を持ち、遺伝子破壊が生理機能や行動に与える影響を調べる絶好の機会を提供しています。
「我々は、線虫を用いることで、齧歯類モデルを使用するよりも効率的に神経シグナル伝達の遺伝的、分子的、細胞的基盤を解明できると考えました」と、FAUスタイルズ・ニコルソン脳研究所のエグゼクティブディレクターであり、神経科学のデイビッド・J.S.・ニコルソン特別教授（David J.S. Nicholson Distinguished Professor）を務めるランディ・D・ブレイクリー博士（Randy D. Blakely PhD）は述べています。
ドーパミンシグナルにおける新たな発見
約20年前、ブレイクリー博士のチームは、線虫のドーパミンシグナルが変化すると「水泳誘発麻痺（Swimming-induced-paralysis: Swip）」と呼ばれる行動変化が起こることを発見しました。ドーパミンの作用を抑制できなくなると、線虫は水中で数分以内に動けなくなり、対照群の線虫が60分以上活発に泳ぎ続けるのとは対照的に、麻痺状態に陥ることがわかりました。
新しい遺伝子を見つけるため、ブレイクリー研究室のオサマ・レファイ博士（Osama Refai PhD）を筆頭著者とし、ピーター・ロドリゲス・ジュニア氏（Peter Rodriguez Jr.）およびザイナ・ギチ氏（Zayna Gichi）を共同著者とするチームは、MMPライブラリーの300系統を用いてSwip行動を示す線虫を探しました。その後、ドーパミンシグナル伝達を阻害する薬剤を用いて、過剰なドーパミンシグナルがSwipの原因であることを確認しました。これにより、各系統の遺伝子変異が既に特定されていることから、Swipを引き起こす遺伝子を迅速に同定することが可能となりました。
この研究結果は、2024年8月8日付のJournal of Neurochemistry誌に「Forward Genetic Screen of the C. elegans Million Mutation Library Reveals Essential, Cell-Autonomous Contributions of BBSome Proteins to Dopamine Signaling（線虫ミリオンミューテーションライブラリーの順遺伝スクリーニングにより、BBSomeタンパク質のドーパミンシグナルへの不可欠な寄与を明らかに）」と題して発表され、線虫のドーパミントランスポーター（dat-1）をコードする遺伝子に新しい変異が確認されました。dat-1は放出されたドーパミンをシナプスから取り除く役割を持ち、以前からSwipの表現型を示すことが知られていました。
BBSomeタンパク質と一次繊毛の役割
さらに、Swipスクリーニングは、Bardet-Biedl症候群（BBS）と呼ばれるヒトの遺伝性疾患に関与する新規遺伝子を発見しました。BBSは、BBSomeと呼ばれる複合タンパク質を構成する複数のタンパク質に変異が生じることで発症します。ブレイクリーのチームは、線虫の全てのBBSomeホモログに変異が生じた場合にSwipが発生することを確認しました。
BBSome複合体は、細胞内でタンパク質や脂質を輸送する重要な役割を担い、一次繊毛（primary cilia）と呼ばれる多くの細胞が持つ小さな毛状の突起にも関与しています。線虫のドーパミンニューロンは一次繊毛を持ち、外界を触覚で感知することができます。
近年、哺乳類の脳内の多くのニューロンにも一次繊毛が存在し、これが細胞シグナル伝達を調節する可能性が示唆されています。ブレイクリー博士によると、BBSomeタンパク質は、これらの繊毛が特定のチャネルや受容体を保持し、シグナル伝達の能力を決定するための適切な数と種類を担保する役割を果たしています。
「私たちの研究結果は、線虫のドーパミンニューロンにおけるBBS-1の欠失が、運動制御を担う運動ニューロンの抑制を引き起こす過剰なドーパミンシグナルを生じさせることを示しています。考えられるメカニズムの一つは、BBS-1および他のBBSomeタンパク質が、細胞表面へdat-1をエスコートする役割を果たし、細胞外のドーパミンレベルを低く保つことで、運動を完全に停止させないようにしていることです」とブレイクリー博士は説明します。
研究の今後の展望
ブレイクリーとそのチームは、化学変異原を用いて線虫のゲノムを変異させ、Swip変異体を発見するための研究を行ってきましたが、このアプローチでは1つのDNA塩基変異を特定するのに6か月以上を要していました。しかし、MMPを用いたスクリーニングでは、既知の変異情報を参照することで、変異体系統を発見してからわずか数日以内に候補遺伝子を特定できるようになりました。
今回の研究で、研究者たちは23,000以上の一塩基変異を持つ300系統をスクリーニングし、Swip表現型を示す10系統を特定しました。このうち9系統は現在、新規遺伝子の同定に向けた解析が進行中です。
「ドーパミンシグナルの変化が神経行動障害に与える重大な影響を考えると、BBSomeタンパク質がドーパミントランスポーターをどのように調節するかについてのさらなる研究は、新しい治療戦略の開発につながる可能性があります」とブレイクリー博士は述べています。
画像：一次繊毛
