生命科学・医学系

2019年11月7日

研究成果のポイント

・明るい場所でも暗い場所でも適切に物が見える現象(明暗順応)の仕組みを解明
・光による眼へのダメージや網膜の老化の軽減が可能になると考えられる
・加齢黄斑変性や網膜色素変性症など失明に至る疾患の治療薬の開発につながる

概要

大阪大学蛋白質研究所の古川貴久教授と茶屋太郎准教授の研究グループは、明るい場所でも暗い場所でも環境の変化に応じて適切に物体を見ることができる機能(明暗順応)(図1)の分子メカニズムを明らかにしました。

私たちの視覚は、眼球の後ろにある膜状の神経組織の網膜が光を受容するところからスタートします。網膜で光を感知する細胞は視細胞と呼ばれています。視細胞には、暗い場所で働く桿体視細胞と明るい場所で働く錐体視細胞の2種類が存在しています。このうち、桿体視細胞は暗い場所では光に対する感度を上昇させ、一方で明るい場所では低下させることで、暗いところから明るいところまで適切に物を見ることができます(図1)。光に対する感度を上げ下げする機能は、明暗順応と呼ばれ、我々の視覚に重要な役割を果たしています。しかしながら、桿体視細胞が外界の光の強度に応じて光受容感度を制御する分子メカニズムには謎が残っていました。

網膜の発生と機能メカニズムの研究を行っている古川教授の研究グループは、今回、明暗に応じた網膜の桿体視細胞における光受容感度の制御(明暗順応)がKlhl18というユビキチン化酵素※1により制御されることを発見し、明暗順応の一連の機能メカニズムを解明しました。視細胞が光を感知することは、ものを見ることに必須ですが、その反面、視細胞は光でダメージを受けることが知られています。太陽を直接見ると網膜が強く障害され失明につながりうるのは、その究極の例と言えます。通常の光でも、非常にゆっくりとではありますが視細胞がダメージを受けて老化が進んでいきます。実際、光は視細胞が変性する病気である加齢黄斑変性や網膜色素変性症の進行リスクになることが知られています。今回発見した明暗順応の仕組みを利用することによって、網膜視細胞の光に対する感度を下げることで視細胞を光による長期的なダメージや老化から守り、加齢黄斑変性や網膜色素変性症をはじめとする網膜変性疾患の治療薬(進行抑制薬、予防薬)の開発につながると期待されます。また、今回明らかになった仕組みは明所や色覚をつかさどる錐体視細胞には影響を与えないことから、正常な明所視力を保ったまま網膜変性疾患を抑制する薬剤開発につながることが期待されます。

本研究成果は、欧州科学誌「The EMBO Journal」にて11月7日(木)20時に公開されました。

図1 明暗順応のイメージ
暗い外環境では光受容感度が上昇することにより暗順応し、明るい環境では光受容感度が減弱することにより明順応する。

研究の背景

順応は五感をつかさどる感覚器全般に見られる現象で、感覚器の細胞が周囲の環境の変化に応じて、刺激に対して適切に応答することを可能にしています。生物はこの順応によって環境の変化に対応できるため、環境が一斉に変化する中でも生物が長い時間をかけて進化することが可能になっています。しかし、順応の分子メカニズムはまだよく解明されていません。

私たちの視覚は網膜にある桿体視細胞と錐体視細胞が光を受容し電気信号に変換することからはじまります(図2)。桿体視細胞や錐体視細胞は外界の明暗に応じて光に対する感度を変化させることにより、10-3ルクスから105ルクスを超える広い範囲の光強度に対して適切に応答できます。さらに、桿体視細胞は暗い場所において光に対する感度を高くする一方で、明るい場所では光に対する感度を下げることにより応答が飽和するのを避け、光によるダメージを軽減しています。明暗順応は適切に物を見るのに必要なだけでなく、視細胞を光によるダメージから保護して、変性を防止する機能も持っているのです。桿体視細胞の変性はそれに続く錐体視細胞の変性を引き起こすことから、桿体視細胞の保護は暗い場所と明るい場所の両方の視覚を維持するのに貢献します。したがって、桿体視細胞の明暗順応は適切な視覚を得ることや失明の防止に重要な役割を果たしていますが、その分子メカニズムは不明でした。

図2 網膜の構造
網膜の一番外側にある視細胞の外節で光を受容し、細胞体に伝える。

研究の成果

桿体視細胞は外節と呼ばれる細胞の外側にある構造で光を受けると、トランスデューシン(Transducin)という光情報を伝えるタンパク質※2が、より内側の細胞核がある細胞体へと情報を伝えます。細胞内における局在が周囲の光強度に応じて変化し、明暗順応に寄与することが知られています。トランスデューシンは暗い条件において外節に集積します。桿体視細胞が光を受容すると、トランスデューシンは外節から細胞体へとその局在を変化させます。この光に依存したトランスデューシンの細胞内局在変化は桿体視細胞の光受容感度を調節することが知られています(図3)

今回、古川教授の研究グループは、視細胞の発生と機能に重要な分子の探索から、桿体視細胞にKlhl18というユビキチン化酵素が強く発現することを見いだし、さらにKlhl18の働きによって明暗に応じて、トランスデューシンと結合することが知られるUnc119たんぱく質をユビキチン化し分解することで、トランスデューシンの細胞内局在の変化を制御することを明らかにしました。桿体視細胞におけるUnc119の発現はKlhl18に依存して暗い条件下で減少しました。明るい条件では、Klhl18によるUnc119の分解はUnc119のリン酸化により抑制されました。以上のことから、Klhl18はUnc119のユビキチン化によるUnc119の分解を引き起こし、Unc119に依存したトランスデューシンの視細胞外節-細胞体の局在変化とそれによる光受容感度の上げ下げを行うことで明暗順応を制御していることが明らかとなりました(図3)。本研究により、光の入力から蛋白質分解を経て、トランスデューシンの局在変化にいたる明暗順応の一連の分子メカニズムが初めて解明されました。

図3 今回明らかになった明暗順応の分子メカニズム
外界の明暗によって、視細胞の外節と細胞体の間でトランスデューシンが移動する。光によってKlhl18の標的タンパク質Unc119の分解が阻害され、トランスデューシンが細胞体に移動し、光感度が下がる。光感度を下げることは、明るいところで適切に物を見ることを可能にするとともに、網膜視細胞を光によるダメージから保護する働きがある。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

網膜において、光を受容して視細胞は視覚を形成する一方で、光は視細胞にとって有害であることが知られています。網膜色素変性症などの網膜変性疾患の動物モデルにおいて、視細胞変性が光によって加速し、逆に光を遮ることにより抑制されることが報告されています。また、人において光への曝露は、加齢黄斑変性や網膜色素変性症の進行リスクになることが知られています。

興味深いことに、本研究グループはKlhl18の活性の阻害や、Unc119のリン酸化を抑制する効果をもつ免疫抑制剤(FK506など)により、マウス生体において光による視細胞の変性が抑制されることを見出しました(図4)。マウスに対して光を照射し視細胞の変性を引き起こす実験系は加齢黄斑変性のモデルとして知られています。以上より、本研究で得られた成果は、加齢黄斑変性や網膜色素変性症をはじめとする網膜変性疾患の治療薬の開発に貢献することが期待されます。

図4 Klhl18阻害による網膜保護作用
Klhl18の欠損や免疫抑制剤FK506はLED光による視細胞変性を抑制した。網膜変性の指標である視細胞の厚みは、Klhl18活性が無い方(赤)で野生型(黒)より厚みが保たれた。

特記事項

本研究成果は、欧州科学誌「The EMBO Journal」(オンライン)にて11月7日(木)20時に公開されました。

タイトル:“Cul3-Klhl18 ubiquitin ligase modulates rod transducin translocation during light-dark adaptation”
著者名:Taro Chaya, Ryotaro Tsutsumi, Leah Rie Varner, Yamato Maeda, Satoyo Yoshida, and Takahisa Furukawa

なお、本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金18H02593,17K15548の支援を得て行われました。

用語説明

※1 ユビキチン化酵素
たんぱく質にユビキチンを付加すること(ユビキチン化)に関与する酵素。ユビキチンは76アミノ酸から構成されている。ユビキチン化はたんぱく質の分解や細胞内のシグナル伝達などに関わっている。Klhl18はCullin3(カリン3)というたんぱく質と複合体を形成して、標的となるたんぱく質をユビキチン化する。

※2 トランスデューシン
トランスデューシンはGたんぱく質共役型受容体(GPCR)であるロドプシンが外界の光を受容すると活性化されて、光情報を伝える働きをする。

※3 リン酸化
主にたんぱく質に対してリン酸基を付加すること。リン酸化はたんぱく質の機能を調節し、重要な役割を担う場合も多い。

参考URL

大阪大学 蛋白質研究所 古川ラボHP
http://www.protein.osaka-u.ac.jp/furukawa_lab/

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