膜構造の変化が不要な神経突起の区画化と除去を誘導する

発表者

榎本和生（東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻教授）
金森崇浩（東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻研究員）

発表のポイント

幼弱期の未熟な脳の神経回路が機能的に成熟する際に、胎児期にできた不要な神経回路を区画化して取り除く機構の一端を明らかにしました。
不要な神経突起^（注１）の近くでニューロン^（注２）の細胞膜の構造が変化することによって不要な神経突起の区画化と除去が開始することがわかりました。
本成果は、発達期における不要な神経突起の除去不全が高頻度で見られる自閉症などの脳疾患の発症機構の解明や、将来的には、その診断や治療に貢献する可能性が期待されます。

発表概要

図1.　膜構造の局所的かつ急激な変化が不要な神経突起の区画化と除去を誘導する。神経突起の刈り込みが起きるときには、不要な突起の近くでエンドサイトーシスが誘導されることにより突起の根元が急激に細くなります（狭窄）。この突起構造の急激かつ局所的な変化が、ニューロンの細胞体とは反対側（遠位側）の神経突起と細胞体との物質の往来を遮断することにより、カルシウム振動が遠位側の神経突起において発生し、最終的にカルシウム依存的分解酵素カルパインを介して突起が分解されると説明できます。

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ヒトの脳神経回路の大まかなネットワークは胎児期に形成されますが、この発生初期の幼弱な回路は、まだいわゆる「混線状態」にあります。これはその後の発達段階において、不要な回路の切断や除去を含むネットワークの再編が起こることにより、機能的な情報処理回路へと成熟します。混線回路を解消する際には、既存の回路に含まれる1000個以上のニューロン^（注２）同士の接続の中から、不要な回路のみを除くことが必須です。しかし、従来の研究では、不要な回路の除去過程をリアルタイムで追跡することが技術的に不可能であることから、不要な回路がどのように選択されるかは30年以上解かれないまま謎として残されていました。

このたび東京大学大学院理学系研究科の榎本和生教授の研究チームは、脳の神経回路構造が比較的単純であるショウジョウバエを研究対象として、独自に確立した生体イメージング手法と分子遺伝学的手法を組み合わせることにより「不要な神経回路の選択的除去」を担う機構の一端を解明しました。不要なニューロンの軸索や樹状突起^（注１）の近くで細胞膜の構造が変化することによって、これらの不要な構造の区画化と除去が開始することを示しました。

最近の研究から、脳の神経回路の機能が成熟する過程で生じる異常は、自閉症や統合失調症などの一因となる可能性が示されており、本研究成果は、将来的にこれらの脳疾患の発症メカニズムの解明や、将来的には、その診断法や治療法の開発に貢献する可能性が期待されます。

発表内容

私たちの脳では、軸索と樹状突起という機能的、構造的に異なる2種類の神経突起を介して、1,000億個ものニューロンがネットワークを形成しています。ヒトの脳神経回路の大まかなネットワークは胎児期に形成されますが、この発生初期の幼弱な回路は、いわゆる「混線状態」にあり、その後の発達段階において、不要な回路の切断や除去を含むネットワークの再編が起こることにより、機能的な情報処理回路へと成熟します。この不要な回路の除去過程では、不要な突起のみが変性、あるいは除去される一方で、必要な回路は維持されることが重要です。しかし、ニューロンが自らの突起群の中から「要」「不要」を選択する機構は長らく謎のままでした。その理由として、従来のネコやマウスなど哺乳動物を用いた研究では、不要な回路の除去過程をリアルタイムで追跡することが技術的に不可能であり、また分子生物学的手法により分子基盤を同定することも困難であったことが挙げられます。

これまでに榎本教授の研究チームは、ショウジョウバエ変態期における神経突起の選択的除去機構に着目して研究を行い、不要な突起が除去に先駆けて区画化を受け、自発的に低頻度カルシウム振動^（注３）を発生することが、その突起の除去を誘導する初発因子であることを発見していました（Kanamori et al. Science 2013）。しかし、不要な突起が区画化される仕組みは不明のままでした。

榎本教授らの研究チームは、研究チームが確立した高解像度ライブイメージング観察法^（注４）を駆使して、神経突起の構造変化を詳細に解析したところ、将来的に除去されるべき神経突起の根元が急激に細くなり、細胞内成分の往来が抑制されることを発見しました。この構造変化は、Rab5とダイナミン^（注５）という2つのGTPアーゼ^（注６）の活性により引き起こされる細胞内物質の取り込み作用（エンドサイトーシス^（注７））が原因であり、いずれかの酵素の活性のみを一過的に阻害すると、神経突起の区画化が阻害され、同時に低頻度カルシウム振動の発生および神経突の起除去も停止しました。以上の結果から、神経突起において一過的かつ局所的に誘導されるエンドサイトーシスが不要突起の区画化と除去を引き起こすことを示しました。

最近の研究から、脳の神経回路の機能が成熟する過程で生じる異常は、自閉症や統合失調症などの一因となる可能性が示されており、本研究成果は、将来的にこれらの脳疾患の発症機構の解明や、将来的には、その診断法や治療法の開発に貢献する可能性が期待されます。

本研究は、日本学術振興会新学術領域研究、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業CRESTの支援を受けるとともに、文部科学省「脳科学研究戦略推進プログラム」研究の一環として実施されました。

発表雑誌

雑誌名: Nature Communications（オンライン版3月12日掲載）
論文タイトル: Local endocytosis triggers dendrite thinning and pruning in Drosophila sensory neurons.
著者: Takahiro Kanamori, Jiro Yoshino, Kei-ichiro Yasunaga, Yusuke Dairyo, and Kazuo Emoto
DOI番号: 10.1038/ncomms7515
要約URL: ※

用語解説

注1 軸索や樹状突起（神経突起）: ニューロンは、軸索と樹状突起という異なる突起を介して他のニューロン群とネットワークを形成します。神経突起を介する情報の流れは一方向性であり、軸索と樹状突起は、それぞれ情報の出力と入力を担います。↑
注2 ニューロン: 脳神経回路を構成する主たる細胞群をニューロンと総称します。ヒトの脳内には約1000億個のニューロンが存在し、それぞれが軸索や樹状突起（神経突起、注1）を介してネットワークを形成しており、これが脳機能の構造基盤となります。1つのニューロンは、平均すると約1000個の神経突起（入力突起）をもっていて、それらを介して他のニューロンと接続していると言われています。↑
注3 カルシウム振動: 細胞内のカルシウム濃度が、一定の頻度で上下を繰り返すことです。脳神経系では、ニューロンが生み出すカルシウム振動の頻度やパターンが、さまざまな情報をコードすることがわかってきています。↑
注4 高解像度ライブイメージング観察法: 時間と空間の分解能を高める工夫を加えた共焦点顕微鏡を用いて、生きている生物の体のなかで起きている細胞現象を正確に記録する方法です。私どもの実験系では、ミリ秒の時間分解能、サブマイクロンの空間解像度で、ニューロンの挙動を数日間記録することに成功しています。↑
注5 Rab5とダイナミン: ともに細胞膜の取り込みや放出を制御することが知られているGTP分解酵素（GTPアーゼ）です。その活動にはGTPの分解が必須となります。↑
注6 GTPアーゼ: グアノシン三リン酸（GTP）を結合し加水分解する一群の酵素あるいはタンパク質のことです。↑
注7 エンドサイトーシス: 細胞が細胞膜成分を小胞として取り込む過程のことです。異なる大きさの小胞が取り込まれることが知られており、それぞれにおいて、取り込む成分や、その制御に関わる因子群が異なることがわかっています。↑