神経細胞がつながる瞬間をとらえる
発表者
- 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）
- 高坂 洋史（東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 助教）
概要
動物の体の中には神経回路がはりめぐらされている。神経回路は神経細胞が標的の神経細胞や筋肉細胞とシナプスと呼ばれる接着構造を介してつながることで構築されている。シナプスは、神経細胞が情報をやりとりする重要な基本単位であるが、動物の発生過程において、どのようにして形成されるのかはほとんど明らかになっていない。
本研究では、遺伝子操作技術を用いて蛍光を発するように工夫した分子の挙動を、レーザーを用いて追跡することにより、動物個体内で進行するシナプス形成過程の可視化に成功した。この実験手法を用い、細胞どうしをくっつける作用を持つ「細胞接着分子」の一種が神経細胞とその標的細胞の橋渡しとして働くことにより、接触部位にシナプスを誘導することを示した。以上の結果は生体内においてシナプスが誘導される仕組みを初めて明らかにするものである。細胞接着分子やシナプスの異常は様々な神経疾患に関わることが知られており、今回明らかになったシナプス誘導の仕組みは、このような疾患の治療戦略にも有用な情報を提供すると考えられる。
発表内容
図1：シナプス分子集積の生体内可視化
ショウジョウバエ胚において細胞接着分子ファシクリン2を可視化した（左：緑色）。同時に運動神経細胞を赤色で可視化している。右図は神経細胞（赤）の接触にともない、ファシクリン2（緑）がシナプス部に集積する過程を、時々刻々追跡したものである。集積した部位は赤と緑が重なり白く見える。
図2：細胞接着分子によるシナプス誘導
細胞接着分子（緑の図形）の働きによりシナプス部に他の分子（黄色の図形）の集積が誘導される過程を模式的に示した。
神経細胞は、その標的細胞（神経細胞や筋肉細胞）上に情報伝達の場としてシナプス構造を形成する。例えば、運動神経細胞は筋肉細胞上にシナプスを形成し、シナプスを介して信号を伝えることにより筋収縮を引き起こす。シナプスが正しく機能するためには、情報伝達に関わる様々な機能分子（主にタンパク質）が正しくシナプス部へ配置されることが重要であり、この過程がうまくいかないと神経疾患などの脳神経系の異常を引き起こすことになる。これまでに培養神経細胞を用いた研究から細胞接着分子とよばれる細胞同士をくっつける作用をもつタンパク質が神経細胞と標的細胞との接着及びシナプス部への機能分子の配置に関与することが示唆されてきた。シナプスが形成される際、神経細胞と標的細胞の細胞膜が接触すると、両者の膜表面に発現している細胞接着分子がちょうど互いに握手をするように結合してシナプス構造を安定化させる。同時に、細胞接着分子は同じ細胞内の他の分子にも結合することができるので、細胞接着部位への他の分子の集積も誘導することができる（図2参照）。細胞接着分子を介したシナプス形成過程は、培養細胞系では詳しく解析されてきたが、生体内での実際のシナプス形成における細胞接着分子の役割は明らかにされてこなかった。
生体内でのシナプス形成研究が直面する技術的な問題として以下の2点が挙げられる。第1に、生きた状態の動物個体内で非常に微小なシナプス構造を可視化するのが困難であること。第2に、脳神経系の中では膨大な数のシナプスが形成されるので、いつどこでシナプスが形成されるのかを予測するのが難しいことである。本研究において我々は、比較的構成が単純で、高度な遺伝子操作技術が可能なショウジョウバエの神経筋シナプス（運動神経細胞が筋肉細胞上に形成するシナプス）に、最新の分子イメージング技術を適用することによりこれらの問題点を克服した。
ショウジョウバエの神経筋シナプスは以下のような優れた特徴からシナプス可視化に適している。ショウジョウバエの卵は比較的透明で内部構造がよく見える。また、膨大な数のシナプスが存在する中枢神経系に比べて、神経筋シナプスは数が少ないため一つ一つを再現性よく見つけ出すことが可能である。さらに、どの個体でも卵として産み落とされてからほぼ同じ時間経ったのちに、シナプスが形成される。したがっていつどの場所にシナプスが形成されるのかをあらかじめ予測できる。このシナプスにおいて、神経表面と筋肉表面両方に存在しており、したがって両者を結びつける役割を担っていることが期待されたファシクリン2という細胞接着分子に着目した。まず、この分子の動態を可視化するために、遺伝子操作技術を用いて蛍光を発するように工夫して筋肉細胞上に強制的に発現させた。分子の挙動を、レーザー顕微鏡を用いて観察したところ、神経細胞が筋肉細胞に接触するまさにその瞬間にファシクリン2がシナプス部に集まることが分かった（図1）。レーザー顕微鏡を用いると蛍光分子の分布に加えて、細胞内での動きやすさも測ることができる。筋肉細胞上の細胞接着分子について測定したところ、神経細胞との接触に伴って動きやすさが低下し、シナプス部に安定して存在するようになることが明らかになった。また、この細胞接着分子を欠いた変異体では、他の機能分子のシナプス部への局在が正しく起こらなくなった。以上の観察結果から、神経細胞が筋肉細胞に接触すると、細胞間の接着を介してまず細胞接着分子自身の集積がシナプス部において誘導され、さらに細胞接着分子が他の機能分子に結合することにより、それらのシナプス部への集積を促す、というシナプス形成のメカニズムが示唆された（図2）。
本研究は、発生過程において神経細胞がシナプスを介してつながる際の細胞接着分子の振る舞いと働きを個体内で初めて明らかにした。今回解析したファシクリン２と類似した構造をもつ細胞接着分子は哺乳類にも多数見つかっている。したがって、今回明らかになった細胞接着分子を介したシナプス誘導の仕組みは、ヒトを含めた哺乳類においても働いている可能性が高い。シナプスの異常は多くの神経疾患に深く関わっていると考えられている。また神経疾患の原因遺伝子の候補としてファシクリン2に類似した細胞接着分子が知られている。今回得られた知見は、神経回路形成のしくみ解明への大きな一歩となるとともに、シナプスの異常を伴う神経疾患の理解と治療へもつながるものと期待される。
論文情報
The Journal of Cell Biology誌、2007年12月17日号に掲載予定
“In vivo induction of postsynaptic molecular assembly by the cell adhesion molecule Fasciclin2”, H. Kohsaka, E. Takasu, and A. Nose.