公開日　：2024年1月17日
研究機関：Stanford University
主体ラボ：Thomas C. Südhof

抄録

The assembly and specification of synapses in the brain is incompletely understood1–3. Latrophilin-3 (encoded by Adgrl3, also known as Lphn3)—a postsynaptic adhesion G-protein-coupled receptor—mediates synapse formation in the hippocampus4 but the mechanisms involved remain unclear. Here we show in mice that LPHN3 organizes synapses through a convergent dual-pathway mechanism: activation of Gαs signalling and recruitment of phase-separated postsynaptic protein scaffolds. We found that cell-type-specific alternative splicing of Lphn3 controls the LPHN3 G-protein-coupling mode, resulting in LPHN3 variants that predominantly signal through Gαs or Gα12/13. CRISPR-mediated manipulation of Lphn3 alternative splicing that shifts LPHN3 from a Gαs- to a Gα12/13-coupled mode impaired synaptic connectivity as severely as the overall deletion of Lphn3, suggesting that Gαs signalling by LPHN3 splice variants mediates synapse formation. Notably, Gαs-coupled, but not Gα12/13-coupled, splice variants of LPHN3 also recruit phase-transitioned postsynaptic protein scaffold condensates, such that these condensates are clustered by binding of presynaptic teneurin and FLRT ligands to LPHN3. Moreover, neuronal activity promotes alternative splicing of the synaptogenic Gαs-coupled variant of LPHN3. Together, these data suggest that activity-dependent alternative splicing of a key synaptic adhesion molecule controls synapse formation by parallel activation of two convergent pathways: Gαs signalling and clustered phase separation of postsynaptic protein scaffolds.

脳におけるシナプスの形成と特定は、不完全に理解されている1-3。ラトロフィリン3（Adgrl3によってコードされ、Lphn3としても知られる）は、シナプス後接着Gタンパク質共役型受容体であり、海馬におけるシナプス形成を介するが4、そのメカニズムは不明である。今回われわれは、LPHN3が、Gαシグナル伝達の活性化と、相分離したシナプス後タンパク質足場のリクルートという、収束的な二経路メカニズムによってシナプスを組織化することを、マウスを用いて明らかにした。我々は、Lphn3の細胞型特異的なalternative splicingがLPHN3のGタンパク質結合様式を制御し、その結果、GαsまたはGα12/13を介して主にシグナル伝達するLPHN3の変異体が生じることを見いだした。CRISPRを介したLphn3のalternative splicingの操作により、LPHN3はGαsからGα12/13結合モードへとシフトし、Lphn3の全体的な欠失と同様にシナプス結合性が損なわれたことから、LPHN3のスプライスバリアントによるGαsシグナルがシナプス形成を仲介していることが示唆された。注目すべきことに、Gα12/13結合ではなく、Gαs結合のLPHN3スプライスバリアントは、相転移したシナプス後タンパク質スカフォールドコンデンセートをもリクルートし、これらのコンデンセートはシナプス前のテニューリンとFLRTリガンドがLPHN3に結合することによってクラスター化される。さらに、神経細胞活動はLPHN3のシナプス原性Gαs共役変異体のalternative splicingを促進する。これらのデータから、重要なシナプス接着分子の活動に依存したalternative splicingは、2つの収束した経路を並行して活性化することにより、シナプス形成を制御していることが示唆される： Gαsシグナル伝達とシナプス後タンパク質足場のクラスター相分離である。

Paper Interpreterの出力

アブストラクト: この研究では、脳内のシナプスの組み立てと特定が不完全に理解されている問題に取り組んでいます。ラトロフィリン3（Latrophilin-3、Adgrl3としても知られる、Lphn3とコードされる）は、シナプス形成において重要な役割を果たすことが示されています。この研究は、マウスを用いて、LPHN3がシナプスをGαsシグナリングの活性化とフェーズ分離したシナプス後蛋白質スキャフォールドのリクルートを通じて組織化することを明らかにしました。Lphn3の細胞型特異的な代替スプライシングがLPHN3のGタンパク質結合モードを制御し、主にGαsまたはGα12/13を介してシグナリングするLPHN3バリアントが生成されることが発見されました。CRISPRを用いたLphn3代替スプライシングの操作により、LPHN3がGαs結合モードからGα12/13結合モードへと変化し、Lphn3の全体的な削除と同様にシナプス接続性が著しく損なわれることがわかりました。これらのデータは、活動依存的な代替スプライシングによって鍵となるシナプス接着分子のシナプス形成が制御されることを示唆しています【8†source】。

背景: Lphn3は、シナプス形成に関与する重要な役割を果たすことが知られていますが、そのメカニズムは不明でした。この研究は、Lphn3の代替スプライシングがシナプス形成にどのように関与しているかを明らかにすることを目的としています。

方法: マウスの網膜と皮質からのフルレングスmRNAトランスクリプトを分析し、Lphn3の代替スプライシングのパターンを詳細にプロファイルしました。リボソームに結合したmRNAを異なるタイプのニューロンから分離し、RNAシークエンシング（RNA-seq）データを分析しました。また、主要なLphn3スプライスバリアントのGタンパク質結合をTRUPATHを用いて体系的に分析しました。CRISPR-Cas9を用いた急性遺伝子操作アプローチを使用し、選択的にE31を削除しました。培養された海馬ニューロンのネットワーク活動をCa2+イメージングで測定し、シナプス密度を定量しました。また、単一シナプス逆行性トレーシングを用いて、遺伝子操作されたスターターニューロンの接続性をマッピングしました【9†source】【10†source】【11†source】【12†source】。

結果: E31を含むLPHN3アイソフォームは、シナプス接続性において不可欠であることが明らかになりました。LPHN3はGαsシ

グナリングによってシナプス形成を促進し、Gαs結合モードの削除は、シナプス密度の著しい減少を引き起こしました。E31は、SHANK蛋白質と相互作用するPBMをコードしており、LPHN3がGKAP、HOMER、PSD95、SHANKなどのシナプス後スキャフォールド蛋白質ネットワークと複合体を形成することが明らかになりました【13†source】。

議論: この研究は、Lphn3の代替スプライシングがシナプス形成における重要な役割を果たしていることを示しています。特にE31を含むLPHN3アイソフォームは、シナプス後の蛋白質複合体の形成において中心的な役割を果たしており、その機能の喪失はシナプス接続性に大きな影響を与えます。

制限事項: 論文の詳細な制限事項についての記述はありませんが、一般的に、動物モデルに基づく研究の結果は、必ずしも人間にそのまま適用できるとは限りません。また、この研究では特定の遺伝子操作技術を使用しており、その効果や特異性についてはさらなる検証が必要です。

可能な応用: この研究は、神経発達障害やシナプス機能不全に関連する疾患の理解を深めるための新しい洞察を提供します。また、シナプス形成と調節のメカニズムに関する基礎的な知識を提供し、将来的には神経障害の治療法の開発に貢献する可能性があります。