Environmental enrichment refers to housing conditions, where animals experience higher levels of sensory, motor, social and cognitive stimuli compared to a normal cage environment. Enrichment has a variety of effects on the brains of wild-type mice and rats at many levels, ranging from molecular and cellular to behavioral. At the cellular level, enrichment increases dendritic branching and length, the number of dendritic spines and the size of synapses on some neuronal populations. Furthermore, enrichment enhances hippocampal neurogenesis and synaptogenesis. Many of these morphological changes are consistent with enrichment-induced alterations in the expression of genes involved in synaptic function and neuroplasticity, such as neurotrophins and synaptic proteins. At the behavioral level, enrichment induces learning enhancement in various behavioral tests, reduces memory decline in aged animals, decreases anxiety and increases exploratory activity. Furthermore, enrichment has beneficial effects on brain disorders. It is reported that brain-derived neurotrophic factor (BDNF) plays an important role in these enrichment-induced neuronal changes; however, the precise mechanism underlying these effects remains uncertain.

The kinesin superfamily proteins (KIFs) are microtubule-based molecular motors that transport membrane organelles, protein complexes and mRNAs. KIFs have fundamental roles in neuronal function, plasticity, morphogenesis and survival by transporting such cargos. Intriguingly, recent reports have shown that some KIFs (KIF5 and KIF17) are implicated in learning and memory. I therefore sought to examine possible alterations in levels of KIFs after enrichment, and then to investigate the possible relationship of KIFs to enrichment-induced structural and behavioral changes, such as hippocampal synaptogenesis and learning enhancement.

In this study, I found that enrichment causes a specific upregulation of kinesin superfamily motor protein 1A (KIF1A) in the mouse hippocampus and, in hippocampal neurons in vitro, BDNF increases the levels of KIF1A and of KIF1A-mediated cargo transport. Analysis of Bdnf+/- and Kif1a+/- mice revealed that a lack of KIF1A upregulation resulted in a loss of enrichment-induced hippocampal synaptogenesis and learning enhancement. Meanwhile, KIF1A over-expression promoted synaptogenesis via the formation of presynaptic boutons. These findings demonstrate that KIF1A is indispensable for BDNF-mediated hippocampal synaptogenesis and learning enhancement induced by enrichment.

This is the first report of a motor protein that plays a key role in enrichment-induced structural and behavioral changes. My findings suggest a new molecular motor-mediated presynaptic mechanism underlying experience-dependent neuroplasticity.

本研究は豊かな環境(エンリッチな環境)下で育ったマウスに見られる、海馬シナプスの形成、及び学習能力の増強という形態的、行動的可塑性に、モータータンパク質kinesin superfamily protein 1A(KIF1A)が必須であることを明らかにしたものである。本研究では、野生型、BDNF+/-、KIF1A+/-マウスを用い、エンリッチな環境による行動学的、及び海馬の形態学的変化を解析し、さらには海馬培養神経細胞にて、BDNFによるシナプス形成に対するKIF1Aの作用を生化学的かつ細胞生物学的に解析することで下記の結果を得ている。

1.エンリッチな環境によって野生型マウスの海馬では、KIF1Aの発現が上昇することを示し、さらに、エンリッチな環境によるBDNF+/-、及びKIF1A+/-マウスの海馬タンパクの発現変化の解析により、KIF1Aの発現上昇はBDNF依存的であることを明らかにした。

2.行動実験を用いた解析により、エンリッチな環境によって野生型マウスは空間学習、及び文脈依存的恐怖学習能力の増強を示すのに対し、BDNF+/-、及びKIF1A+/-マウスではこれら学習能力の増強が認められないことを示し、エンリッチな環境による学習能力の増強にBDNF、及びKIF1Aの発現上昇が重要であることを明らかにした。

3.電子顕微鏡的、及び免疫組織学的手法を用いた解析により、エンリッチな環境によって野生型マウスは海馬シナプス密度の増大を示すのに対し、BDNF+/-、及びKIF1A+/-マウスでは海馬シナプス密度の増大が認められないことを示し、エンリッチな環境による海馬シナプス形成にBDNF、及びKIF1Aの発現上昇が重要であることを明らかにした。

4.海馬培養神経細胞を用いた生化学的、細胞生物学解析により、BDNF投与によってKIF1Aの発現が上昇し、さらにKIF1Aによるシナプス小胞蛋白の順行性軸索輸送の頻度が増大することを示した。

5.海馬培養神経細胞を用いた免疫細胞学的解析により、BDNF投与によって野生型海馬神経細胞はシナプス密度の増大を示すのに対し、KIF1A+/-、及びKIF1A-/-海馬神経細胞ではシナプス密度の増大が認められないことを示し、BDNF投与による海馬神経細胞のシナプス形成にKIF1Aが重要であることを明らかにした。

6.海馬培養神経細胞を用いた、KIF1A過剰発現の実験により、KIF1Aの過剰発現はシナプスブトンの形成を促進し、さらにシナプス形成を促すことを示した。

以上、本論文はモータータンパク質KIF1Aが、エンリッチな環境によって引き起こされる海馬シナプスの形成、及び学習能力の増強に必須であり、さらに細胞レベルでBDNF投与による海馬シナプス形成にKIF1Aによるシナプス小胞蛋白の軸索輸送が重要であることを明らかにした。本研究は、初めて、モーター分子がエンリッチな環境によって起こる脳の形態的、機能的変化に重要な役割を担っていることを示しており、また、これまで明らかでなかった、経験依存的な脳可塑性の基盤をなす、プレシナプスの機序の解明に重要な貢献をなすと考えられ、学位の授与に値するものと考えられる。