深田 吉孝（生物科学専攻 教授）

清水 貴美子（生物科学専攻 助教）

発表のポイント

学習する時刻によって記憶しやすさが大きく異なることをマウスで見出した。この日内変化は脳の海馬に存在する体内時計が司り、SCOP というタンパク質により調節されていた。

海馬に存在する体内時計が記憶の日内変化を生み出すことを見つけ、海馬におけるSCOPタンパク質の量的変化と学習による分解が重要であることを世界で初めて突き止めた。

ヒトでも記憶しやすさに日内変化があることは知られており、同じ学習時間であっても記憶の効果を高めたり、将来的には老化による記憶障害の改善に役立てる可能性がある。

発表概要

これまで、一日のうちの時刻によって記憶のしやすさに違いがあるのではないかと考えられていたが、それが体内時計によって制御されているのか、また、どのような仕組みで記憶しやすさが変化するのか、わかっていなかった。東京大学大学院理学系研究科の清水貴美子助教と深田吉孝教授らの研究グループは、マウスを用いた長期記憶テストを一日のさまざまな時刻に行ったところ、マウスの活動期のはじめに記憶のしやすさが最高に達することを見つけた。記憶の日内リズムは海馬に存在する体内時計（海馬時計）が制御しており、遺伝子を操作して海馬時計を止めると長期記憶できなくなった。この海馬時計はSCOPというタンパク質の量的変化を生み出しており、活動期のはじめには学習によってより多くのSCOPが分解されるので記憶力が上昇することを突き止めた。つまりSCOPは、海馬時計から時刻情報を受け取り、これを記憶システムに伝える、という働きをしている。

ヒトでも記憶しやすさに日内リズムがあることは知られており、今回発見したメカニズムはヒトの海馬にもあてはまると考えられる。時刻による学習効果の違いを利用して、より効率よく学習効果を上げることが期待される。

発表内容

れまで、一日のうちの時刻によって記憶のしやすさに違いがあるのではないかと考えられていたが、それが体内時計によって制御されているのか、また、どのような仕組みで記憶しやすさが変化するのか、わかっていなかった。本研究グループは、マウスを用いて一日のさまざまな時刻に新奇物体認識テスト（注1）（図1）をおこない、学習から24時間後のテストで長期記憶を測定した。その結果、学習する時刻によって記憶のしやすさが大きく異なり、マウスの活動期の前半（CT16（注2））記憶のしやすさが最高に達することを見つけた（図２）。

図1. 新奇物体認識テスト

実験アリーナにおいて、マウスに２つの積み木（A, B）を５分間呈示して学習させる。その後、ホームケージに戻して一定時間（長期記憶の場合は 24時間、短期記憶の場合は8 分）経過した後、再び実験アリーナにおいて5分間のテストを行う。テスト時には、学習時に呈示した既知の積み木の1つ（B）を新奇の積み木（C）に換えて呈示する。右の写真はマウスが積み木Cを探索している様子。２つの積み木（既知Aと新奇C）への探索時間の割合（％）で記憶の強さを評価する。

図2. 一日のさまざまな時刻における新奇物体認識テストの結果（恒薄明条件下）

a)長期記憶のしやすさは活動期の前半に高くなる。

b)短期記憶のしやすさは一日を通して一定である。

このような長期記憶の日内リズムは、体内時計（注3）の発振中枢である視床下部の視交叉上核を破壊すると消失したので、記憶リズムは視交叉上核の体内時計に支配されていることがわかった。学習とテストのどちらのタイミングが記憶形成に重要であるかを調べたところ、学習のタイミング（活動期の前半, CT16）が記憶形成に重要であり、テストのタイミングには影響を受けないことがわかった。一方、8分間の短期記憶では、一日を通して一定の記憶力を示した。

次に記憶リズムにおける海馬（注4）の役割を検証した。視交叉上核で発振した時刻情報は神経ネットワークやホルモンを介して全身のさまざまな部位に伝わる。多くの末梢組織もそれぞれ時計機構を持つが、記憶を司る海馬にも時計機構が存在し、この海馬時計も視交叉上核に支配されている。そこで、遺伝子工学の手法を用いて海馬のBmal1 遺伝子（注5）を欠損させた（海馬Bmal1欠損マウス）。Bmal1は体内時計の振動に必須なので、海馬Bmal1欠損マウスは海馬時計を失うが、視交叉上核の中枢時計は影響されないので活動・休息の日内リズムは正常である。海馬Bmal1欠損マウスは何れの時刻にも長期記憶がみられず（図３）、海馬時計が長期記憶リズムを生み出していることがわかった。

図3. 海馬Bmal1欠損マウスの新奇物体認識テスト

コントロールマウス（左側）では休息期の前半（CT4）に低く活動期の前半（CT16）に高いという長期記憶の日内リズムがみられるが、海馬Bmal1欠損マウス（右側）は何れの時刻にも長期記憶ができない。

これまで、海馬の長期記憶にはSCOP（注6）というタンパク質が重要な役割を果たすことを清水貴美子助教らは明らかにしていた（Shimizu et al. Cell, 2007年）。海馬でのSCOPの分子的役割をまとめると、(i) 学習刺激が海馬に入ると、神経細胞内のCaイオン濃度が上昇し、タンパク質分解酵素であるカルパインが活性化する。(ii) 活性化したカルパインはSCOP を分解し、それまでSCOPに結合して抑制されていたK-Ras が活性化する。K-RasはERK カスケードの活性化を介して長期記憶形成に導くCRE依存的な遺伝子を転写活性化する。このようにSCOPは、海馬の長期記憶システムの上流に位置していることがわかっていた。今回、海馬の細胞膜に存在するSCOP量は活動期の前半（CT16）に最大になり、SCOPと結合しているK-Rasも同じ時刻にピークを示し、これらは長期記憶リズムのピークと一致した。海馬のScop遺伝子をノックダウン（発現抑制）すると、長期記憶できるはずの時刻、つまり活動期の前半でも記憶できなくなるので（図４）、SCOP量の日内リズムが長期記憶リズムの形成に重要であることがわかった。その仕組みを解明するため、活動期の前半（CT16）または休息期の前半（CT4）においてマウスに新奇物体を呈示（学習）した後、海馬のERK活性を調べた。

図4. 活動期の前半（CT16）におけるScop発現抑制マウスの新奇物体認識テスト

海馬においてScopの発現を抑制すると（左側）、コントロールマウス（右側）が長期記憶できる時刻（活動期の前半）においても長期記憶できなくなる。

その結果、休息期前半での学習ではERKがほとんど活性化されないのに対し、活動期前半での学習刺激はERKを著しく活性化した。このような、学習刺激に惹起される海馬ERKの活性化は、Scop欠損マウスでは消失した。さらに、培養した海馬細胞において、Caイオン流入を引き起こす刺激がSCOPの分解を介してERKを活性化することを確かめた。以上の結果をまとめると（図５）、学習前のマウスの海馬では、海馬時計の制御により細胞膜に存在する SCOP 量が昼夜で大きく異なり、それに伴い SCOP 結合分子である K-Ras の量も夜（活動期の前半）に多い。

図5. 昼夜で記憶力が変化する分子的な仕組み

左パネル：休息期の前半（マウスでは昼、ヒトでは夜に相当）において、学習前は海馬の細胞膜に存在するSCOPとK-Ras の結合体が少なく、学習の刺激が入っても、SCOPの分解に伴うK-Ras, ERK の活性化量が少ないため、長期記憶ができない。

右パネル：活動期の前半（マウスでは夜、ヒトでは午前中に相当）においては、学習前は海馬の細胞膜に存在するSCOPとK-Ras の結合体が多い。このタイミングで学習の刺激が入ると、SCOP の分解に伴って多くのK-Rasが遊離されて活性化する。その結果、より多くのERKが活性化し、CRE依存的な記憶関連遺伝子の転写が強く誘導されて長期記憶につながる。

このタイミングで学習の刺激が入ると、SCOP の分解に伴って多くのK-Rasが遊離されて活性化する。その結果、より多くのERKが活性化し、CRE依存的な記憶関連遺伝子の転写が強く誘導されて長期記憶につながると考えられた。つまりSCOPは、海馬時計から時刻情報を受け取り、これを記憶システムに伝える、という働きをしている。

ヒトでも記憶しやすさに日内変化があることは知られており、今回の発見したメカニズムはヒトの海馬にもあてはまると考えられる。ただし、長期記憶のピークが活動期の前半だとすれば、夜行性のマウスに対して昼行性のヒトでは、長期記憶の学習効果のピークは昼の前半（午前中）にあたる。このような長期記憶の日内リズムを利用して、より効率よく学習効果を上げることが期待される。

発表雑誌

雑誌名 Nature Communications 論文タイトル SCOP/PHLPP1β mediates circadian regulation of long-term recognition memory 著者 Kimiko Shimizu*, Yodai Kobayashi, Erika Nakatsuji, Maya Yamazaki, Shigeki Shimba, Kenji Sakimura, Yoshitaka Fukada* DOI番号 10.1038/NCOMMS12926 論文URL ※ 用語解説 注1 新奇物体認識テスト 海馬依存性の記憶テストの一つ（図１）。マウスに２つの積み木を５分間呈示し（学習）、24時間もしくは8分間経過した後、学習時に呈示した既知の積み木の1つを新奇の積み木に換えて呈示する。マウスは新しい形の積み木に興味を持つため、学習時の積み木を覚えていれば新奇の積み木をより長く探索する。２つの積み木（既知と新奇）への探索時間の割合（％）で記憶の強さを評価する。↑ 注2 CT サーカディアンタイムの略。明暗などの環境条件を一定にした時に見られる日周リズムの1周期を24サーカディアンタイムと定義する。マウスの場合、休息期の開始をCT0、活動期の開始をCT12とよび、恒常条件下での一日の時刻をCT0〜24で表記する。↑ 注3 体内時計 睡眠・覚醒やホルモン分泌のリズムなど、約24時間周期の生物学的なリズムをつくる時計機構で、地球上のほぼすべての生物が持つ。一定の光環境においても約24時間周期のリズム性が保たれる生理現象は体内時計によって支配されていると言える。通常の環境では、地球の24時間周期の明暗サイクルに同調する。↑ 注4 海馬 大脳（前脳）の一部。記憶や空間学習に重要な脳領域。ヒトの海馬の形がタツノオトシゴ（Sea horse）に似ていることから名付けられた。↑ 注5 Bmal1 体内時計の振動に必須な時計遺伝子の一つ。(視交叉上核において)Bmal1遺伝子を欠損した変異マウスでは活動・睡眠の日周リズムが消失する。↑ 注6 SCOP Suprachiasmatic Nucleus Circadian Oscillatory Protein（別名：PHLPP1β） SCOP は主に脳神経細胞に発現する分子で、視交叉上核における発現量が日内リズムを示す分子として単離された (Shimizu et al. FEBS Lett. 1999年)。 ↑

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―