神経回路を正しくつなぐための双方向探索機構
−シナプス後細胞微小突起による標的選択
氏名・所属

高坂 洋史 (東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 助教)
能瀬 聡直 (東京大学大学院新領域創成科学研究科 複雑理工学専攻 教授)

発表概要

従来、正しい神経接続は、神経細胞が標的細胞を探し出して形成されると考えられてきた。本研究では、これと逆方向の標的細胞による神経細胞の探索機構があることを見出した。この双方向的な機構が神経回路形成の基礎にあると考えられる。

発表内容

 脳神経系は、多数の神経細胞からできている。神経系の回路がうまく機能するためには、個々の神経細胞が、適切な標的細胞(他の神経細胞や筋肉細胞など)と接続している必要がある。例えば、人差し指を曲げようとしたときに実際に曲げることができるのは、脳にある神経細胞からの指令が、正しく配線された経路を伝わって人差し指の筋肉細胞まで到達するからである。この正確な配線は出生前の動物の体内で形成される。動物の体内には多数の細胞があるが、一体どのようにして個々の神経細胞が多数の細胞の中から正しい標的細胞を識別して接続するのかは、神経科学の大きな問題の一つである。古くから、細胞を識別するための目印となるものがあるはずであると考えられてきた。実際これまでに、標的細胞の目印として働くタンパク質(=「標識分子」)が複数発見されている。標識分子の遺伝子は、多数の細胞のうち特定の細胞のみで発現する。特定の細胞だけが標識分子を作りだすことで周りの細胞との区別が可能になり、神経細胞がそれを手がかりにして、標的細胞を見つけ出すことが明らかになっている。
 神経細胞は長い軸索を伸ばして標的細胞と接続する。そのため標的選択に関する従来の描像は、神経細胞が積極的な探索を行なう一方で、標的細胞は「標識分子」を作って神経細胞が探し出しくれるのを待っている、というものであった(図1−1)。しかし、実際に生体内で標的選択がどのように進行するのかは明らかになっていない。解析が進まない理由には、二つある。まず、標的選択過程は動的に進行する一過的なプロセスなので、生体内でタイミングよくとらえるのが難しい。第二に、生体に存在する多数の細胞の中から、神経細胞とその標的細胞だけを可視化するのは容易ではない。今回我々は、ショウジョウバエの神経系を用いてこの問題にとりくんだ。以前我々が開発した、生体内での神経接続形成を可視化する技術を用い、生体内で進行する標的選択過程の詳細な解析を行なった。その結果、神経細胞が標的細胞を探すという従来の描像に加えて、標的細胞側も標的選択に積極的に関与することを明らかにした(図1−2)。
 本研究では、ショウジョウバエ胚の運動神経細胞が、筋肉細胞に配線する過程を調べた。この系では、個々の神経細胞が、複数の筋肉細胞の中から特定の細胞を選びだして接続を作ることが知られている。この系を用いて、標的選択の際の標的細胞の形、及び標識分子の分布について調べた。
 緑色蛍光タンパク質GFPを用いて標的認識の際の筋肉細胞M12の形を調べると、細胞の表面から微小突起が伸縮するのが観察される。筋肉細胞M12の周辺では、複数の神経細胞の軸索が探索をしているが、そのうちの一部だけが将来M12と接続する。微小突起の挙動を詳細に解析したところ、M12の微小突起は、将来接続する相手の神経細胞と触れたとき、そのうちの半分の接触が安定に維持された。一方、将来M12と接続しない相手とM12の微小突起が触れたときは、そのような接触は全て離れてしまった(図2)。このことから、標的細胞は微小突起を伸縮させて、神経細胞と積極的に接触し、正しい相手を見分けていることが示唆された。
 次に目印として働く標識分子の可視化を行なった。これまでにショウジョウバエの神経筋結合では、標識分子が複数発見されているが、そのうち、筋肉細胞M12では、カプリシャスというタンパク質が標識分子として機能することが明らかになっている。カプリシャス遺伝子はM12では発現するが、隣接する筋肉細胞では発現しない。M12で特異的に発現するカプリシャスを目印として、ある特定の神経細胞がM12を認識して接続すると考えられている。標識分子カプリシャスとGFPとの融合タンパク質をM12に発現させたところ、標的細胞の微小突起の先端に強く濃縮することが観察された(図3)。微小突起が神経細胞を見分けていることと考え合わせると、標的細胞は、微小突起を伸ばしその先端に「認識分子」を提示することによって、積極的に神経細胞との認識の成立に関与していることが明らかになった。
 以上、本研究では、標的細胞が神経細胞を探しだすというしくみがあることを明らかにした。神経配線の研究は、神経細胞側の挙動が詳しく解析されてきたが、本研究の結果は標的細胞側の関与も重要であることを示唆する。神経細胞による標的細胞の探索と、その逆の標的細胞による神経細胞の探索という双方向的な機構は、多様な神経回路の形成や、確実な神経配線に関わると考えられる。
 本研究では、標的細胞として筋肉細胞を用いたが、標的細胞としての神経細胞も微小突起を伸縮させていることが知られている。また、カプリシャスと類似のタンパク質が哺乳類に存在する。このことから、双方向的な標的選択が、哺乳類の中枢神経系でも起こっている可能性が高く、脳神経系の神経配線の多様性や確実性を担うしくみとして関与していることが予想される。神経疾患の原因として、神経配線異常を考えるならば、神経細胞のみならず、その標的細胞も素因の候補として検討する必要性が提起される。

用語解説

緑色蛍光タンパク質GFP:

1962年に下村脩博士らが発光クラゲの一種Aequorea victoriaから発見した蛍光タンパク質。このAequorea victoriaが日本近海にいるオワンクラゲAequorea coerulescenceと同種であるかは明らかになっていないが、非常に似ているため、Aequorea victoriaもオワンクラゲと呼ばれる。一般的な蛍光分子と異なり、GFPはタンパク質でできた蛍光分子なので、遺伝子として細胞に導入することができる。GFPの登場により、生きた細胞や生体の中で起こる現象の可視化が飛躍的にすすんだ。2008年には、GFPを発見した下村博士、GFPを異種生物(線虫)に初めて導入したチャルフィー博士、GFPの様々な応用技術を開発したチェン博士の3氏にノーベル化学賞が授与された。
本研究では、微小突起の可視化にGFPを用いたのに加え、突起上の分子を可視化するために、GFPから開発されて、異なる「色」の蛍光特性を持つCFP(シアン蛍光タンパク質)とYFP(黄色蛍光タンパク質)を用いて、二つの色での可視化を行なった。
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図1.標的選択における標的細胞の役割。標的細胞が静的である従来の描像(1)と、本研究で明らかになった標的細胞の積極的な関与(2)。


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図2.(左)将来、筋肉細胞M12と接続を作らない神経細胞軸索(矢印)とM12の微小突起の接触。(右)2分後、微小突起と神経細胞軸索(矢印)との接触は離れた(矢尻)。

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図3.筋肉細胞M12(紫)の微小突起の先端(矢印)に集積する標識分子カプリシャス(緑)。横棒のスケール:10μm。

発表雑誌

Development 誌 (2009年3月6日 オンライン版に掲載予定)
“Target recognition at the tips of postsynaptic filopodia: accumulation and function of Capricious”, Hiroshi Kohsaka and Akinao Nose

問い合わせ先

能瀬 聡直(東京大学大学院新領域創成科学研究科教授・複雑理工学専攻/兼任:東京大学大学院理学系研究科教授 物理学専攻)
TEL:04-7136-3919/03-5841-8724  FAX:04-7136-3919
Eメール:nose@k.u-tokyo.ac.jp

高坂 洋史(東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 助教)
TEL/FAX: 04-7136-3921
Eメール:kohsaka@neuro.k.u-tokyo.ac.jp

 

 

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