１．はじめに

歳をとるとアルツハイマー病、パーキンソン病や脳梗塞などに代表されるような老年性神経疾患を患っていないヒトでも物忘れが激しく、物覚えが悪くなっていきます。こうした記憶力の低下は｢加齢性記憶障害｣という生理的な脳の老化によるものであり、凡そ全てのヒトに程度の差こそあれ現れてくる脳の老化の重要な表現型です。加齢性記憶障害はアルツハイマー病などの老人性神経疾患でみられる痴呆とは異なる緩やかな脳機能低下'健全な脳の老化'であり、リタイアした高齢者として日常生活を送るには障害とはなりません。しかし、色々な形で社会参加のオプションには制限を生じる(若者のような社会参加は不可能となる)ことは否定できません。ヒトの寿命はこの50年で飛躍的に延び、平均寿命は2004年で男性は78.64歳、女性 は85.59歳となりましたが、今後も延びていくことが予想されています。その一方で出生率の低下が現在懸念されていますが、今後引き続き出生率が低下し、少子高齢化社会の傾向が益々強くなれば、定年の延長など高齢者にも働き手としての役割分担など、今までとは異なる社会参加が要求されるようになることも予想されます。このような状況となれば今まで問題にはならなかった'健全な脳の老化'である加齢性記憶障害も大きな問題となります。

ヒトを含む生き物の生理的機能はそこに働く酵素などタンパクの設計図である遺伝子により大きく規定されています。従って学習･記憶はもとより体の老化さらに脳の老化も遺伝子により大きく決められています。一方ヒトやマウスなどではどのような学習が出来るかはもちろん、寿命も大きく異なります。にもかかわらずヒトとマウスさらに昆虫まで同じような遺伝子の働きで学習し、老化が起こることが分かってきました。こうした共通の遺伝子がコードしているタンパクは何か？学習記憶や老化にはどのような遺伝子設計図が用意され、タンパクが働いているのか？紹介します。

２．学習記憶と遺伝子

学習記憶には、状況に応じた(後天性の)情報処理を行う脳の可塑性(脳の柔軟性)が重要です。逆説的ですが、脳の可塑性も生まれ持った(先天性の)遺伝子の設計図により可能となります。例えば条件付けという学習では、犬にベルの音がするときに餌を与えるように訓練すると、訓練前には無かったベルの音に対する唾液分泌が、訓練後ではベルの音を聞いただけで餌を期待し、唾液が分泌されるようになります。これは条件付けという状況下で、従来（先天的には）無関係なベルの音と餌との新たな（後天的な）関係を脳がその可塑性により学習したからです。こうした後天的な脳の可塑性による条件付けは昆虫にも可能な学習ですが、特定の遺伝子が傷害され先天的な遺伝子の設計図に間違いを持つ変異体では、この簡単な学習ですら出� ��なくなります。

条件付けのような単純な学習にも重要な働きをするものに環状AMP (cAMP)があります。cAMPはホルモン作用などでも重要な働きをしている細胞内の情報伝達物質(二次メッセンジャー)です。神経系では神経伝達物質(一次メッセンジャー)が受容体に結合することにより、cAMPの合成酵素、アデニレートサイクレース(adenylyl cyclase)がATPからcAMPを産生します。アデニレートサイクレースをコードしている遺伝子のショウジョウバエの変異体にrutabaga(スウェーデンかぶの意味、学習記憶変異体には野菜の名をつけた野菜シリーズというものがある)というものがありますが、rutabagaでは条件付けによる学習も出来ません。例えば匂い条件付けでは匂いと同時に電気ショックを与え、その匂いが危険であることを学習させます。rut型アデニレートサイクレースは匂いの情報と電気ショックの情報を受け取る神経細胞に発現し、二つの情報を同時に受け取ったときにcAMPを産生すると考えられています(図1)。このrut型アデニレートサイクレースを欠失させるとマウスでも記憶障害が起こりますが、興味深いことに過剰に発現させると学習記憶力が上昇するようです。産生されたcAMPはそれ自身で他のタンパクの機能を調節することもありますが、主としてcAMP依存性のリン酸化酵素PKAを活性化します。PKAは色々なタンパクをリン酸化することにより、例えば神経細胞の興奮性やシナプスの可塑性を調節します。PKAの変異体では矢張り重篤な記憶障害が起こります。

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PKAターゲットの一つに遺伝子の転写を調節する転写因子CREB(cAMP responsive element binding protein)があります。記憶は形成されたばかりでは不安定であり、麻酔 や脳震盪などにより消失してしまいます。卑近な例では泥酔時の記憶がなくなるのもそのときの出来事(記憶)が、アルコール麻酔により消失してしまったからと考えられます。 こうした不安定な記憶が安定な長期記憶となると、もはや麻酔や脳震盪では消失しません。再び泥酔時を例に取ると、泥酔時の記憶はなくとも、それにより自分の家や名前などを忘れることがないのは、これらが安定な長期記憶となっているからです。不安定な短期記憶はすでに神経細胞が持っているタンパクを利用して作られますが、長期記憶の形成には遺伝子の読み出しによる新たなタンパク合成が必要です。CREBは長期記憶に必要なタンパクをコードしている遺伝子の読み出しを調節しています。このためCREBの働きが抑制された変異体ではショウジョウバエ、マウスいづれでも短期記憶は正常なのに長期記憶が出来ません。

CREBにより新たに合成されたタンパクは恐らく記憶を長期に蓄えておくための神経回路の長期に亘る強化や新たな神経回路の形成に関わっていると考えられています。前述の通りPKAはCREB以外のタンパクや酵素もリン酸化します。リン酸化されたタンパクはやがて脱リン酸化酵素などにより非リン酸化状態に戻ったり、代謝されて消失したりします。不安定な初期記憶はこうしたタンパクのリン酸化が維持されている状況で保持が可能であり、そのため新たなタンパク合成を起こす長期記憶のように長い間存在することが出来ないと考えられています。

cAMPが産生されることを契機として色々な細胞内イベントが誘導され、脳の柔軟性の裏づけとなるシナプスの可塑性による記憶情報伝達の効率化が起こります。安定な長期記憶か不安定な短期記憶化はシナプスの可塑性による記憶情報処理の効率化がどれだけ長く維持されるかと相同であると考えられています。ここで大事なことはcAMPに関わる酵素やタンパクのみならず、学習記憶に大事な働きをする酵素、タンパクをコードする遺伝子はショウジョウバエなど昆虫からマウスなど哺乳類まで種を越えて良く保存され、同じような働きにより学習記憶を調節しているということです。

３．脳の老化による形態変化

マウス･ラットだけでなくショウジョウバエなど昆虫でも老齢体では学習記憶に顕著な障害を示すようになります。こうした加齢性記憶障害を示す老齢体ではその脳神経細胞の形にどのような変化が現れてくるのでしょうか？加齢に伴い脳神経細胞ではシナプス密度の減少、樹状突起の退縮などに続いて神経細胞の脱落がみられるようになります。

しかしこれら神経細胞の形態的変化は一様ではなく、加齢性記憶障害との明確な相関もみられません。例えばパーキンソン病に関わる黒質や青斑核では顕著な神経細胞の脱落が観察されますが、ホルモン分泌を制御する視床や記憶に重要な海馬、大脳皮質では超高齢体でもなければ目立った神経細胞の脱落はみられませんし、みられずとも顕著な加齢性記憶障害が起きています。

近年、成体の側脳室周囲や海馬で起こる神経細胞の再生(新生)とシナプスの可塑性、学習記憶との関連が注目を浴びていますが、神経細胞の再生を起こす神経幹細胞の数は加齢脳でも維持されています。一方で興味深いことに、顕著な加齢性記憶障害を示すラット加齢体では、神経再生能力が衰えているという報告もあります。

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老化した脳ではシナプス密度の減少、樹状突起の退縮や神経細胞の脱落に加えて、神経細胞に老人斑や神経原繊維変化といった凝集体の蓄積が現れてきます。老人斑はアミロイド前駆体タンパク(APP)が切断されて出来た、アミロイドβタンパク(Aβ)が細い線維を形成して細胞の外に沈着したものです。一方、神経原繊維変化は捻れをもった線維(paired helical filament, PHF)が神経細胞内に貯まったものであり、PHFの主たる構成成 分は細胞の機能維持に重要なタウタンパクがリン酸化されたものです。老人斑、神経原繊維変化はいずれもアルツハイマー病との関連が強く示唆されている病理学的所見ですが、こうした凝集体の蓄積は所謂正常老化脳でも低頻度ですが認められます。一つの考えとして、老人斑や神経原繊維変化といった凝集体の蓄積が低頻度で留まっていれば正常範囲での加齢性記憶障害が起こり、この蓄積が海馬や大脳皮質といった記憶に重要な部位で病的に進行したときにアルツハイマー病でみられる痴呆症が引き起こされるのかもしれません。

４．脳の老化による働きの変化

神経細胞の最も良く知られた加齢による生理学的変化は、細胞内Ca2+レベルの調節障害です。Ca2+は神経細胞の機能に重要であるのみならず、神経細胞死の誘導にも関わっているイオンです。ショウジョウバエ、マウス、ヒトの脳で老化に伴う遺伝子の発現変動(読み出しの変化)が調べられましたが、いずれにおいてもCa2+の働きに関与する遺伝子の発現変化が報告されています。

記憶はシナプス伝達効率の空間的変化・時間的変化(どのシナプス結合の量的・質的変化がいつまで続くか)としてコードされると考えられています。このようなシナプスの可塑性の代表的な例として神経活動依存性にシナプス伝達効率を上昇させる長期増強(LTP)と、シナプス伝達効率を低下させる長期抑圧(LTD)があります。LTPはシナプス伝達の高頻度刺激(数10-数100Hz)に応じて発生し、LTDはLTPの誘導より低い頻度刺激(5-10Hz)の持続により発生します。記憶に短期記憶と長期記憶があるように、LTPにも伝達効率の上昇が数十分・数時間で終わってしまうものから数日にも亘り維持されるものがあり、このようなLTPでは長期記憶同様、新たなタンパクの合成が必要です。さらにLTPと学習記憶どちらもCa2+、cAMPを二次メッセンジャーとする細胞内情伝達系の活性が必要です。

加齢性記憶障害が起きた動物ではLTPやLTDといったシナプスの可塑性に顕著な変化が見られます。老齢体ではLTPを誘導するのに若齢体よりさらに高頻度の刺激が必要であり、形成されたLTPも老齢体の方が早く消失します。一方、若齢体ではLTDを起こさないような1 Hzの低頻度刺激でも老齢体ではLTDが起きてしまいます。このように、老齢体では若齢体と比べてLTPが起き難く、逆にLTDが起き易いといった刺激頻度とシナプス伝達効率との相関にズレが起きています(図2A)。なぜこのようなズレが起こるのでしょうか？

LTP、LTDいずれもその発現には神経細胞内でのCa2+レベルの上昇が必要です。高頻度刺激による大きなCa2+流入の上昇がLTPの誘導に必要なカルシウムカルモジュリン依存性リン酸化酵素（Ca2+/CaM-dependent protein kinase II, Ca2+/CaMKII）を活性化し、低頻度刺激による小さなCa2+流入の上昇がLTD の誘導に必要な脱リン酸化酵素のカルシニューリン（calcineurin）やprotein phosphatase 1 (PP1)といった脱リン酸化酵素などを活性化すると考えられています。このような刺激に興奮に応じた神経細胞へのCa2+流入経路の一つにL型カルシウムチャンネル(LVGCC)があります。老齢体では記憶に重要な海馬でLVGCCの発現量が増え、且つその活性が上昇していることが見出されています。このため若齢体ではLTDを起こさない低頻度刺激でもcalcineurin、PP1の活性化させるようなCa2+流入の上昇(細胞内Ca2+レベルの調節障害)が起きてしまい、LTDを起こし易くすると考えられています。

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ところでLVGCCの活性上昇は大きなCa2+流入の上昇にも寄与し、LTPを起こし易くする筈ですが、実際にはLTPを抑制する方向に働くのは何故でしょう？神経細胞が刺激を受け活動電位が生じると、その直後には一過性に次の活動電位が生じにくくなる後過分極(after-hyperpolarization, AHP)というものが起こります(図2B)。老齢体の海馬ではこのAHPが大きくなり、より次の活動電位の発生が起き難くなっていることが分かりました。このAHPの増大により高頻度で刺激しても活動電位が発生しにくく、結果としてLTPが起き難くなっていると考えられています。AHPの発生には細胞内Ca2+により活性化され、神経細胞の興奮を鎮めるカリウム(K+)チャンネル(small conductance Ca2+-activated K+ channel, SKチャンネル)が働いています。このSKチャンネルの発現量は加齢により増加しますが、そこに加えてLVGCC活性の上昇による細胞内Ca2+流入の増加がSKチャンネルの活性を増強することで、若齢体と比べて大きなAHPが発生すると考えられています。

LVGCCの活性化による細胞内Ca2+レベルの調節障害説を支持する実験結果として、若い動物でもLVGCCの活性を上昇させる作動薬によりLTPの発生が抑制されること、LVGCCの活性阻害薬により老齢動物の学習記憶障害が改善されることなどが挙げられます。では何故加齢によりLVGCCの活性が上昇するのでしょうか？ LVGCCの発現量は加齢により増加することに加えて、PKAによるLVGCCの活性上昇が加齢により亢進していることも示唆されています(図2C)。これが刺激頻度とシナプス伝達効率との相関にズレを生じ、加齢性記憶障害を引き起こすと考えることが出来ます。

５．脳の老化とcAMP

加齢により発現が変わる100以上の遺伝子が見つかっていますが、どれが加齢性記憶障害に関与しているのか？どのような遺伝子の働きや失調が加齢性記憶障害と関わっているのでしょうか？最近のショウジョウバエの研究から加齢性記憶障害に関わる遺伝子として神経ペプチド(ペプチド様伝達物質)をコードするamnesiac(記憶障害の意味)遺伝子が見いだされました。

amnesiac遺伝子の変異体は記憶障害を示しますが、歳をとったハエにはamnesiac変異体と同じ記憶障害が起こります。またamnesiac変異体ではもはや歳をとっても更なる記憶障害は起こりません。amnesiac遺伝子がコードする神経ペプチドは、記憶の重要な脳部位での（rut型？） アデニレートサイクレース活性を調節していることが示唆されています。いくつかの実験から加齢性記憶障害の分子機構として全く異なる二つの可能性が示されています(図3)。一つはamnesiac遺伝子がコードする神経ペプチドにより調節されているcAMP情報伝達経路が加齢により低下し、amnesiac変異体同様の加齢性記憶障害を引き起こすというもの（モデル1）。他方はamnesiac遺伝子がコードする神経ペプチドにより調節されているcAMP情報伝達経路が、記憶に重要であるのみならず加齢性記憶障害をも引き起こすというもの（モデル2）です。

amnesiac変異体で示されたcAMP情報伝達経路と加齢性記憶障害との関わりは、哺乳類モデルにも当てはめて考えることが出来るようです。マウスではrut型アデニレートサイクレースにホモロジーを持つアデニレートサイクレースAC1, AC8のうち、海馬に発現するAC1及びPKAの活性が加齢により低下することが報告されています。哺乳類の記憶には海馬依存性の記憶(場所の記憶や起こった出来事の記憶)と前頭前野依存性の記憶(電話番号の記憶など一時的に蓄えておく記憶)があります。海馬依存性の記憶に障害を示す老齢体ではcAMPの類似物やアデニレートサイクレースを活性化するドーパミンD1/D5受容体の作動薬、また、cAMP分解酵素(cAMP-phosphodiesterase)の阻害剤により、cAMPの働きを亢進させると加齢性記憶障害が改善されます。こうした結果は加齢によるcAMP情報伝達経路の低下が加齢性記憶障害の原因であることを示唆しています（モデル1）。しかし、cAMP情報伝達経路の活性化による記憶力の向上は加齢体に限らず、若い動物でも起こります。また加齢性記憶障害の原因の一つと考えられているLVGCCの活性上昇は、cAMP情報伝達経路のPKAがLVGCCをリン酸化することにより起こります。さらにcAMPを産生するAC1、AC8はNMDA受容体からのCa2+流入により活性化されますが、NMDA受容体の作動薬（cAMP産生の誘導）ではなく、ブロッカーのMK801（cAMP産生の抑制）により海馬依存性記憶の加齢性障害が改善されるとの報告もあります。こうした例からcAMP情報伝達経路の活性化による加齢性記憶障害の改善は非特異的な効果であり、cAMP情報伝達経路の活性 低下が加齢性記憶障害の原因であるとするには未だ議論の余地が残っていると考えられます。

一方、海馬ではなく前頭前野依存性記憶の加齢による障害に対しては、cAMP情報伝達経路の賦活ではなく、抑制による改善が報告されています。cAMP情報伝達経路の賦活化が歳に関係なく海馬依存性記憶を亢進させるのに対して、cAMP情報伝達経路の抑制による前頭前野依存性記憶の改善効果は、加齢性記憶障害が酷い加齢体に対してより効果的であり、若齢体に対する記憶促進効果はみられません。cAMP産生および分解酵素発現量の加齢による顕著な変化(cAMPレベルの変化)は前頭前野で見つかっていませんが、cAMP情報伝達経路の下流となるCREB依存性の遺伝子転写が加齢により亢進していることが示されています。これはcAMP情報伝達経路の活性が加齢性記憶障害を起こすという点でモデル２に相当しますが、これが海馬依存性記憶の障害にも当 てはまるのかは不明です。

６．個体老化と脳老化の関わり

脳の老化と体の老化にはどのような関係があるのでしょうか？体の老化はインスリンとその類似物質（インスリン様成長因子, IGF）により進むことが、寿命が2倍近くも延びた線虫の変異体の研究から分かりました。インスリンとIGFは体を作り、その機能を維持するために重要なホルモンです。インスリンとIGFは最終的には転写因子FOXO (forkhead transcription factor) による転写を、抑制することで老化を進めます。FOXOは体の成長を抑えて老化を抑制するようなタンパクをコードしている遺伝子の読み出しを誘導する転写因子です。カロリー制限をすると色々な動物で老化が抑制され寿命が延びますが、これはインスリンとIGFの働きを抑えることによるものです。

エネルギー代謝により産生される酸化ストレス物質も老化の原因の一つと考えられています。酸化ストレス物質は、主としてエネルギー代謝の場であるミトコンドリアから発生します。この酸化ストレス物質がDNAやタンパク、脂質といった細胞構成分子や細胞内小器官に損傷を与え、その損傷の蓄積により細胞・個体の老化が起きると考えられています。酸化ストレス物質の働きを抑制する抗酸化物を投与すると、寿命の延長が色々な動物で見られます。

体の老化を進めるIGFにより例えば心臓の老化による機能低下も進みます。では脳の老化に対してはどうでしょうか？カロリー制限は脳の老化にも抑制効果が認められるようです。しかし過度なカロリー制限は寿命を延ばす一方で、却って重篤な記憶障害を引き起こします。また、体の老化を進めるIGFは、脳の老化（加齢性記憶障害）に対しては逆にこれを抑えることが分かりました。このように脳の老化は体の老化とは異なる仕組みによることが分かりつつあります。では何故IGFは脳の老化を促進するのではなく抑制するのでしょうか？

IGFの分泌量は老齢体で老化に伴い低下しますが、適度なカロリー制限により脳内では分泌量が増加するとの報告があります。現在IGFによる加齢性記憶障害の抑制機構として考えられるものに、IGF経路によるタウタンパクのリン酸化抑制機構があります。前述しましたが神経原繊維変化の蓄積は痴呆の程度と顕著な相関がみられる病理所見です。神経原繊維変化の形成にはリン酸化酵素GSK3(glycogen synthase kinase 3)によるタウタンパクのリン酸化が重要な役割を果たすことが示唆されています。タウタンパクはリン酸化されるとその機能を喪失し、神経細胞の正常な機能が維持できなくなり神経原繊維変化を引き起こします。タウタンパクはGSK3だけでなく、他のリン酸化酵素によりリン酸化される複数のリン酸化部位がありますが、神経原繊維変化の形成に重要なのはGSK3によるリン酸化と考えられています。実はGSK3の機能自身もリン酸化によりその機能が調節されています。GSK3はリン酸化されていない状態ではリン酸化酵素としての活性を持ちタウタンパクをリン酸化しますが、リン酸化状態では活性が抑制されています。このGSK3の活性をリン酸化により抑えているのがIGFと考えられています。従って歳をとりIGFの分泌量が減るとリン酸化によるGSK 3活性の抑制が出来なくなり、タウタンパクのリン酸化による神経原繊維変化が起こると考えられます(図4)。アルツハイマー病に顕著なAβはGSK3の活性を抑制しているIGFの作用を妨害することによりタウタンパクのリン酸化を促進させるという報告もあります。通常の老化にともなうタウタンパクのリン酸化に加えて、アルツハイマー病患者ではAβにより タウタンパクのリン酸化が過剰となり、健常老人で見られる加齢性記憶障害をより重篤な痴呆へと移行させていくのかもしれません。