ラトロフィリンの構造、機能と脳神経系統的技術の定義改訂

ラトロフィリンは細胞接着性を有するGタンパク質共役受容体です。
従って、一般的なGタンパク質共役受容体とある程度
共通的な機序がありますが、特徴的なのが、
神経系に多く発現が見られ、細胞外ドメインを持ち、
それが細胞接着機能も有するという事です。
ラトロフィリンは神経細胞の前シナプスに発現が見られ
軸索のGrowth coneのマイグレーションを先端で先導します。
これは一般的に知られていることですが、
一方で、
神経細胞の後シナプスにも発現されます(9)。
前シナプスの複数の受容体と連結し、シナプス形成に関わっています。
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前シナプスのニューレキシンと共にラトロフェリン(少なくともタイプ3)は
細胞種特異的な選択的スプライシングを取り(3)、
サブタイプは3つと少ないですが、
その中で多様なmRNA転写因子を生み出すことで
構造の多様性を実現し、シナプス連結の選択性において
プロトカドヘリンなどと協働して機能性を有すると推定されます。
このラトロフィリンの異常は
自閉症、双極性障害、ADHD、物質使用障害など
精神疾患、発達障害、依存症などに関連していると考えられています(1)。
特にラトロフィリン3は脳の報償システムに中心的な脳領域である
中脳辺縁系（特に腹側被蓋野や側坐核）に発現されています(12)。
このラトロフィリン3遺伝子に異常がある事で
ドーパミンに関連する報酬系に異常が生じます。
これが不足する注意欠陥・多動性障害（ADHD）は
報酬系の予測ができない特徴があり、
これがドーパミン(10)、
それに影響を与える細胞接着分子の一つである
ラトロフィリン3が関与している可能性があります(11)。
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ラトロフィリンのサブタイプ
Latrophilin-1,2,3
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ラトロフィリンの構造
(1)細胞外ドメイン(N端末側から)
Lectin domain
Splice Insert A
Olfactomedin domains
 「rosette-like」structure、バラのように中心から放射状に延びる構造
S/T
Hormone Binding Region
A GPCR autoproteolytic inducing domain(GAIN)
(2)細胞膜
7回膜貫通ドメイン
(3)
PDZ BD
Latrophilin-1,2,3はドメイン構造は同一ですが
全ての細胞外ドメインで構造が異なります。
ラトロフィリン3は少なくとも選択的スプライシングによって
ニューレキシンなどと同様に細胞種特異的な構造を取る
可能性が示唆されています(3)。
これが選択的なシナプス形成に関わっています(3)。
ラトロフィリン3は発達障害、依存症において重要な役割を果たすので
成熟mRNAの正確な構造と中脳辺縁系の各細胞種との対応の
データベースを構築し、そのエビデンスに基づいて
適当なmRNAを該当する細胞種に
細胞種特異的薬物送達システムで送達し、
発現量を制御する事はこれらの疾患の精密医療に貢献する可能性があります。
しかし、注意が必要なのが、
一度の投与で劇的に症状が改善する事はありません。
免疫細胞のように神経細胞はメモリ機能がないので
mRNAによる投与を継続的に行う必要があります。
従って、薬剤製造から処方までのプロトコルを全てを含めた形で
安価に提供できるシステムではないとこうした治療は確立できません。
治療の永続性を持たせるためにはDNA変異を特定して
それに合わせた遺伝子編集を行う必要があります。
もし、LTFN3のDNAではなく、転写因子に異常があるのであれば
どうすればいいでしょうか？
結局、miRNA、siRNA、mRNAはDNAからのコード情報に基づいて
それらの前駆体が産生されるので、そこに異常があれば、
そのDNAシーケンスに対して遺伝子編集を行えばいいということになります。
もし、それらを成熟させるときに関与する酵素に異常があれば、
そのたんぱく質のコード情報に基づいて遺伝子編集を行います。
しかし、こうした酵素は「共通性」があるため、
数千種類以上あるRNA一つ一つに対して、
個別の構造を持っているわけではありません。
言い換えれば、RNAの成熟化に影響を与える外部因子(タンパク質)が
数千種類以上あるわけではなく、それよりも桁で顕著に少ないです。
いずれにしても、治療としての永続性を持たせるためには
DNAにアプローチする必要がありますが、
何が最終的な発現異常に関わっているかの因果関係
ネットワーク構造をより正確に把握する必要があります。
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ラトロフィリンの3つのサブタイプの発現細胞種と発現部位と役割。
Latrophilin-1 (LPHN-1)
　主な発現細胞種: 神経細胞（ニューロン）
　発現部位: 中枢神経系
　役割: シナプス形成やシナプス機能の調節に関与しています。
Latrophilin-2 (LPHN-2)
　主な発現細胞種: 多種多様な細胞
　発現部位: 中枢神経系だけでなく、他の組織や臓器にも広く発現
　役割: シグナル伝達や細胞接着の調節に関与しているとされています。
Latrophilin-3 (LPHN-3)
　主な発現細胞種: 神経細胞（ニューロン）、特に特定のサブタイプのニューロン
　発現部位: 中枢神経系、特に前頭前皮質や海馬などの特定の脳領域
　役割: 神経回路形成やシナプス可塑性に重要な役割を果たしていると考えられています。
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ラトロフィリンの3つのサブタイプと結合できる膜タンパク質。
(Latrophilin-1 (LPHN-1))
　FLRT3 (Fibronectin Leucine Rich Transmembrane Protein 3)
　機能: 神経回路の形成と細胞接着
　Tenascin-R
　機能: 細胞外マトリックスタンパク質で、神経系の発達に関与
　Contactin-6
　機能: 神経発生と軸索ガイダンスに関与
　CIRL (Calcium-Independent Receptor of Latrotoxin)
　機能: α-ラトロトキシンの受容体としても知られ、神経伝達物質の放出を誘導
(Latrophilin-2 (LPHN-2))
　FLRT1 (Fibronectin Leucine Rich Transmembrane Protein 1)
　機能: 細胞接着とシグナル伝達
　FLRT3
　機能: 神経回路の形成と細胞接着
(Latrophilin-3 (LPHN-3))
 Teneurin-1
 機能: シナプス形成と神経回路の発達に関与
 Teneurin-2
 機能: シナプス形成と神経回路の発達に関与
 FLRT3
 機能: 神経回路の形成と細胞接着
(FLRT)
FLRT(前シナプス)とはOlfドメイン(後シナプス)で結合
FLRTがラトロフィリンと相互作用する場合、接着機能が優先され、
細胞間の接着が促進されます。
一方、FLRTがUnc5と相互作用する場合、反発機能が優先され、
細胞間の反発が促進されます。
この競合関係は神経細胞の着脱に関連します。
(テナシン:Tenascin)
Tenascin(前シナプス)とはLec,Olfドメイン(後シナプス)で結合。
Tenascinはホモ、シス結合をし、シナプス連結に関わります。
ラトロフィリンと複合体を作り、構造的に安定するだけではなく、
後シナプスのカルシウムレベルを調整、
あるいはcAMP経路を誘導します。
(ニューレキシン：Neurexin)
Neurexin(前シナプス)とはOlfドメイン(後シナプス)で結合
ラトロフィリンとニューレキシンの結合は
互いに選択的スプライシングによって構造が多様であり、
それによって厳密に制御されています。
最大で40倍程度結合親和性が変化します(4)。
(コンタクチン：Contactins)
Contactin(後シナプス)とは同じ膜上で結合します
細胞外のどのドメインが結合に関与しているかはわかっていません。
(参考文献(1) FIGURE 1)
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ラトロフィリンはPDZドメインを持つたんぱく質と結合性を持つため、
ZO-1など足場タンパク質を含め、多くのアダプタータンパク質を持ちます。
また、ラトロフィリンの代表的なアダプタータンパク質は
Magi-1です。これもシナプス性足場タンパク質です。
ラトロフィリンは後シナプスにあります。
このような足場タンパク質を通して
後シナプスに密に形成されるアクチンなどの細胞骨格と
連結性を持つと想定されます(2)。
またラトロフィリンはSHANK足場タンパク質とも結合性を持ちます(3)。
このSHANK familyは様々な遺伝子の発現に関わります。
なぜなら、SHANK familyは多くのアダプタータンパク質と
結合性を持つPDZドメインを持つからです。
実際に少なくとも30以上のシナプス性タンパク質と相互作用します(14)。
幹細胞self-renewal、細胞増殖、分化、細胞死、代謝に関わります(13)。
従って、神経系で成長する初期の頃、胎児の頃に、
ラトロフィリンとSHANKの機能が正常に働いている事が大切です。
足場のSHANKの発現に先天的、後天的に異常が出ると
様々な細胞内経路を誘導できないだけではなく、
特に後シナプスの受容体の膜上の安定性にも関与するので、
結果的に多様な受容体の機能も低下させることになります。
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ラトロフィリン3が前シナプスのGrowth coneに豊富に発現されることは
Cofilinのようなアクチン再構築タンパク質によって生じます。
また、neurotransmitter(synaptic) vesiclesからの
Munc18, Snap5, Synaptotagminの放出を受けて
前シナプスタンパク質としてラトロフィリンは局在化します(1)。
この過程については少し説明が必要です。
細胞内で生成される小胞、例えば、細胞外小胞やエンドサイトーシス小胞や
ここで問題とするシナプス小胞の形成には
膜の萌芽、言い換えれば、膜の突出が必要です。
この膜の突出、変形の為には脂質ラフトを含む、
すなわち脂質を多く含む必要があります(5)。
従って、これらの小胞の膜構成は脂質が多くなります。
シナプス小胞が前シナプスから放出されるときには
Munc18, Snap5, Synaptotagminの物質の作用が必要です。
すなわちシナプス小胞はプレシナプスの細胞膜と
これらの物質の作用を受けて、融合します。
それによって局所的に前シナプスの細胞膜は脂質が多くなります。
この膜物質構成の変化によって
その近傍に存在するラトロフィリンが誘導され、局在化します。
これがシナプス小胞がGrowth coneでラトロフィリンの位置制御に関わる
一つの重要な機序です。
こうしたことが生じるという事は
細胞外小胞でも同じようなことが生じる可能性があります。
すなわち、私が細胞種特異的薬物送達システムの
薬物送達キャリアとして細胞外小胞を利用した時に、
細胞外小胞が標的細胞の細胞膜と融合することによって
その近傍にある様々な受容体や細胞接着分子が局在化され、
その活性が上がる可能性です。
これは投与機会に応じて
治療の感作性を高められる潜在性があります。
一方で、細胞から有効に細胞外小胞を生み出すには
必然的に細胞外小胞の脂質量を多くする必要があります。
なぜなら、萌芽(budding)を促す必要があるからです。
しかし、細胞外小胞の脂質量が多くなると
細胞外小胞同士、あるいは周辺細胞との相互作用が高まる可能性があります。
そうした特性が送達キャリアとしての機能を低下させる懸念もあります。
一方で、こうした特性は必然的に生成過程で
細胞外小胞に多くの表面タンパク質を
実装できることにもつながりますが、
逆に無秩序に多様なそれを取り込み、
制御性が確保できない可能性もあります。
これが薬剤としての製造制御性の一つの障壁となります。
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ラトロフィリンは細胞接着性を持つ細胞外ドメインを持つ
Gタンパク質共役受容体なので、一般的なGタンパク質共役受容体と同様の機能を持ちます。
Gタンパク質共役受容体の一つの重要な機能は、
ヘテロトリマーGタンパク質を活性化させて、
いくつかの経路を通じて、結果として細胞骨格であるアクチンの合成、重合体化を促します。
(参考文献(1) FIGURE2)
これが神経細胞の突起であるFilopodia and Lamellipodiaに関わります。
但し、ラトロフィリンの活性化は同じ膜タンパク質との結合によって生じるので
神経系がすでに構築した後、
シナプス間隙が20nm程度になった状態で作用すると推定されます。
一方で、
神経系が離れた位置で空間中を軸索が漂う時に
軸索ガイダンスやその成長を促すのは
主には分泌物で活性化できるGタンパク質共役受容体であると考えられます。
例えば、
メタセリン (Metastin) 受容体、
プロスタグランジンE2（PGE2）受容体、
セロトニン受容体はGタンパク質共役受容体で
それぞれメタセリン、プロスタグランジン、セロトニンなど
神経系を漂う分泌物質をキャッチして、
ヘテロトリマーGタンパク質を活性化を促すことができます。
原理的にはこれらの分泌物は軸索や樹状突起の成長を促すことがある
と推定する事ができます(6)。
但し、こうした信号経路は「脱感作」によって
抑制的な制御機構を誘導する事もあります。
ところで、
セロトニンは「幸せホルモン」とも呼ばれます。
セロトニンが不足するとうつなどに関連する意欲低下や不安などが生じます。
例えば、軽運動をした後、不安などが和らぎ、幸福感に包まれるのは、
特に朝の場合は顕著ですがセロトニンの分泌が増えるからです。
こうしたセロトニンはトリプトファンが原料であり、
それが体内でセロトニン分泌を促します。
各種肉などの動物性たんぱく質や豆類などの植物性タンパク質によって作られます。
従って、食生活でタンパク質を取る事は大切です。
特に神経細胞が少なくなってくる中高年では、
朝の日光浴、軽い運動習慣、タンパク質を過不足なく摂る事は
少なくなった神経細胞を補うための
密な神経系を維持するために重要です。
下述するようにセロトニンは神経系を
成長させる働きがあると考えられるからです。
セロトニンは上述したように神経細胞分子学的機序で言えば、
Gタンパク共役受容体の活性を通じて
ヘテロトリマーGタンパク質を活性化させ、
細胞骨格を合成し、それによって神経突起が伸張します。
これが神経系の連結につながります。
必ずしも神経系の連結が良いとは限りませんが、
神経系の連携が密になれば、一般的には脳の機能が高まります。
一方で、注意が必要です。
免疫系と同じように神経系は感作、脱感作があります。
つまり、セロトニン受容体の感度が変わる可能性です。
過剰に反応したり、あるいは反応が鈍くなることです。
例えば、セロトニン受容体が生まれながらに少なくて、
その状態で過剰なセロトニン分泌が環境内にあると、
セロトニン受容体の機能に異常が出る可能性も考えられます。
例えば、受容体のリン酸化は機能を低下させます。
セロトニン受容体の数も固定的ではなく、環境に応じて動的です。
従って、セロトニンを生活習慣によって、
あるいは医療介入によって分泌を促すにしても
「程度」「節度」が重要になります。
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ラトロフィリンは選択的スプライシングにより
非常に多様な成熟mRNAを一つのタブタイプについてとり、
それがそれぞれのタンパク質構造に反映されますが、
こうした選択的スプライシングは特に神経系の細胞接着分子では多く見られます。
例えば、ダウン症候群の神経系症状と関連の深いDscam1。
免疫グロブリンスーパーファミリーの一種で
細胞接着分子ですが選択的スプライシングに依り
少なくとも19,008種類の細胞外ドメインを持つ事が確認されています(7)。
このような選択的スプライシングは
元々もサブタイプが70種類以上と多いプロトカドヘリンでも確認されています(8)。
従って、脳神経系においては私が提案する系統的技術、
〇細胞外小胞(⇒薬物キャリア(合成ナノ粒子、ウィルス、ゲルなど)
〇細胞接着分子
〇CAMome
〇iPS細胞技術との融合(⇒多能性幹細胞技術)
〇細胞種特異的薬物送達システム
〇人工知能、スーパーコンピュータ、仮想空間
〇CAM-Glycome(各細胞接着分子-糖鎖の集合）
〇CAM-Adhesome(各細胞接着分子-アクセサリタンパク質の集合)
〇過去の文献の整理
+(Plus)
〇CAM-trascriptome(各細胞接着分子-転写因子ネットワーク構造)
〇マルチオミックスデータベース構築(CAMome,CAM-Glycome、CAM-Adhesome、CAM-transcriptome)
これが必須になってくると思います。
そうしないと微妙な構造の違いによって
特定の脳神経の細胞接着分子との結合親和性が顕著に下がる可能性があるからです。
少なくとも最終的な転写産物である成熟mRNAを正確に知り、
バイオテクノロジーに反映させる必要があります。
上述したように一つのDSCAM1で1万種類以上の構造がありますから、
データ解析にしても、データの解釈にしてもコンピューターの力は必須です。
そのデータを処理する際に人の頭だけでは無理です。
この系統的技術の少なくとも1/3程度はデータサイエンスなので
〇人工知能、スーパーコンピュータ、仮想空間
これの構築は重要になります。
今、私の構想では
人工知能(AI)にデータを取り込ませる。足りないところはAIに予測させる。
人工知能は「本質的な理解」ができないので、
本質的な理解ができる私のような人が利用しやすいようなデータベースにしないといけません。
今までインターネット上の膨大なデータを人が利用しやすいようなシステムは
数十年にあわたり、構築されました。
それが検索システムです。
Nature publising group、Science direct, Wiley, Springerなど各論文誌にもあります。
医療情報絵はPubmedや有料で利用できるWeb of Scienceなどがあります。
また、一般的な情報で90%以上のシェアがあるのがGoogle検索システムです。
こうした検索システムは膨大な情報を人が利用しやすいようにするものなので、
上述した系統的技術専用の検索システムを組むことは必須です。
また、それにAI(人工知能)を連動させる事です。
さらに言えば、一般的な科学論文や検索システムの情報との連動も大切です。
身体の中のシステムをネットワーク構造としてとらえ、
データに基づく適切な重みづけによって
特定の物質に対する関連性を評価(数字)できるシステムも重要です。
また、RNAやDNAの情報を何らかの形で高度に共通化された形で
有効にAIで分析できるように言語化する事も重要です。


(参考文献)
(1)
Ana L. Moreno-Salinas,1 Monserrat Avila-Zozaya,1 Paul Ugalde-Silva,1 David A. Hernández-Guzmán,2 Fanis Missirlis,2 and Antony A. Boucard1
Latrophilins: A Neuro-Centric View of an Evolutionary Conserved Adhesion G Protein-Coupled Receptor Subfamily
Front Neurosci. 2019; 13: 700.
(2)
Judith S. Cruz-Ortega and Antony A. Boucard*
Actin cytoskeleton remodeling defines a distinct cellular function for adhesion G protein-coupled receptors ADGRL/latrophilins 1, 2 and 3
Biol Open. 2019 Apr 15; 8(4): bio039826.
(3)
Shuai Wang, Chelsea DeLeon, Wenfei Sun, Stephen R. Quake, Bryan L. Roth & Thomas C. Südhof
Alternative splicing of latrophilin-3 controls synapse formation
Nature volume 626, pages128–135 (2024)
(4)
Antony A. Boucard,1 Stephan Maxeiner, and Thomas C. Südhof
Latrophilins Function as Heterophilic Cell-adhesion Molecules by Binding to 
J Biol Chem. 2014 Jan 3; 289(1): 387–402.
(5)
Karolina Sapoń 1, Rafał Mańka 1, Teresa Janas 1, Tadeusz Janas 
The role of lipid rafts in vesicle formation
J Cell Sci. 2023 May 1;136(9):jcs260887
(6)
Ephraim F Trakhtenberg 1, Jeffrey L Goldberg
The role of serotonin in axon and dendrite growth
Int Rev Neurobiol. 2012:106:105-26.
(7)
Wei Wu,1 Goran Ahlsen,2 David Baker,4 Lawrence Shapiro,2,3 and S. Lawrence Zipursky1,*
Complementary Chimeric Isoforms Reveal Dscam1 Binding Specificity in Vivo
Neuron. 2012 Apr 26; 74(2): 261–268.
(8)
Bosiljka Tasic 1, Christoph E Nabholz, Kristin K Baldwin, Youngwook Kim, Erroll H Rueckert, Scott A Ribich, Paula Cramer, Qiang Wu, Richard Axel, Tom Maniatis
Promoter choice determines splice site selection in protocadherin alpha and gamma pre-mRNA splicing
Mol Cell. 2002 Jul;10(1):21-33. 
(9)
H J Kreienkamp 1, H Zitzer, E D Gundelfinger, D Richter, T M Bockers
The calcium-independent receptor for alpha-latrotoxin from human and rodent brains interacts with members of the ProSAP/SSTRIP/Shank family of multidomain proteins
J Biol Chem. 2000 Oct 20;275(42):32387-90
(10)
Samuel J. Gershman, John A. Assad, Sandeep Robert Datta, Scott W. Linderman, Bernardo L. Sabatini, Naoshige Uchida & Linda Wilbrecht 
Explaining dopamine through prediction errors and beyond
Nature Neuroscience (2024)
(11)
Mauricio Arcos-Burgos, Jorge I. Vélez, Ariel F. Martinez, Marta Ribasés, Josep A. Ramos-Quiroga, Cristina Sánchez-Mora, Vanesa Richarte, Carlos Roncero, Bru Cormand, Noelia Fernández-Castillo, Miguel Casas, Francisco Lopera, David A. Pineda, Juan D. Palacio, Johan E. Acosta-López, Martha L. Cervantes-Henriquez, Manuel G. Sánchez-Rojas, Pedro J. Puentes-Rozo, Brooke S. G. Molina, MTA Cooperative Group, Margaret T. Boden, Deeann Wallis, Brett Lidbury, Saul Newman, Simon Easteal, James Swanson, Hardip Patel, Nora Volkow, Maria T. Acosta, Francisco X. Castellanos, Jose de Leon, Claudio A. Mastronardi & Maximilian Muenke
ADGRL3 (LPHN3) variants predict substance use disorder
Translational Psychiatry volume 9, Article number: 42 (2019) 
(12)
Samantha L. Regan,a Michael T. Williams,a,b and Charles V. Vorheesa
Latrophilin-3 disruption: Effects on brain and behavior
Neurosci Biobehav Rev. 2021 Aug; 127: 619–629.
(13)
Xu Liu, Mengmeng Yuan, Benson Wui-Man Lau & Yue Li
SHANK family on stem cell fate and development
Cell Death & Disease volume 13, Article number: 880 (2022)
(14)
Patricia Monteiro & Guoping Feng
SHANK proteins: roles at the synapse and in autism spectrum disorder
Nature Reviews Neuroscience volume 18, pages147–157 (2017)