Japanese Author

シナプス強度を制御する分子機序を解明

廣瀬 謙造

Nature ダイジェスト Vol. 15 No. 8 | doi : 10.1038/ndigest.2018.180815

脳機能を支える神経回路は、神経細胞同士がシナプスというつなぎ目を介して複雑につながることで作られる。脳の情報や指令は、神経細胞内においては電気的に伝達されるが、シナプスでは神経伝達物質を内包した小胞を介して化学的に伝達される。しかし、伝達の強度を左右する小胞放出の場の数や、場の形成過程などは不明であった。このほど、廣瀬謙造・東京大学大学院医学系研究科教授らは、独自に開発した高感度のイメージング技術に分子の超解像可視化技術を組み合わせることで、場の形成に関わる分子実体の解明に成功した。

–– 単一レベルのシナプスを直接観察して成果を挙げました。

廣瀬: 私は薬理学の出身で、イメージングを用いた「もの、現象、かたち」の生理学研究を進めています。「もの」とは分子を、「現象」とは活動電位などの物理学的に測定可能な現象を、「かたち」とは解剖学的な形態や大きさを意味します。そもそもは細胞内のカルシウムイメージングをやっていたのですが、そこからカルシウム情報伝達に関与するイノシトール三リン酸(IP3)、さらに約10年前からグルタミン酸のイメージングへと進みました。グルタミン酸は脳における神経伝達物質の本丸といえますが、脳のイメージングは他の組織よりも遅れており、グルタミン酸の挙動が分かれば脳機能について面白いことが分かると考えたのです。今回の成果は、シナプスから放出されるグルタミン酸のイメージングに加え、分子の超解像可視化技術を組み合わせて得られたものです1

–– シナプスを介した情報伝達とは、どのようなものですか?

廣瀬: シナプスは、神経細胞同士で電気信号をやりとりするための「つなぎ目」として機能しています。伝える側の神経細胞(シナプス前終末)から情報伝達物質を含む直径約40nmの小胞が放出されると、内包していた情報伝達物質が受け手の神経細胞(シナプス後細胞)の受容体に結合し、信号が伝わる仕組みです。情報伝達物質にはグルタミン酸の他、ドーパミン、GABAなどがあり、それぞれに固有の機能を担っています。例えば、グルタミン酸は電気信号を伝える興奮性シナプス伝達を担います。

–– 今回の研究の目的とは?

廣瀬: 神経伝達物質の放出強度は、「シナプス前終末における小胞を放出する場(サイト)の数」「放出する確率」「小胞内に充塡される神経伝達物質の量」という3因子によって決まると考えられますが、具体的にどのような分子メカニズムで実装されているのか分かっていませんでした。特に、1つのシナプスに放出サイトがいくつあり、それがどのような分子によって制御されているかなどは、全く不明でした。これらの疑問を、私たちが独自に開発したグルタミン酸のプローブを利用して解明しようと目論みました2。このプローブは、グルタミン酸受容体のタンパク質を一部人工改変して蛍光色素を結合させたもので、極めて高感度に解析できるのが特徴です。

–– どのような実験をされたのですか?

廣瀬: まず、ラットの海馬から神経細胞を取り出し、数週間、シャーレで培養して神経回路を作らせました。培養するだけで神経細胞同士が接続し始め、自然に回路様の構造が出来上がるのです。次に、この神経回路にグルタミン酸プローブを加え、グルタミン酸の局在を可視化しました。この状態で回路を何度も電気刺激して小胞の放出を促し、放出されるたびにグルタミン酸が明るく光る様子を録画しました(図1)。

図1 グルタミン酸放出のイメージング解析
上段:海馬培養神経細胞を標識したグルタミン酸蛍光センサー (EOS)の蛍光画像。
中段:電気刺激によって誘発されたグルタミン酸シグナル(EOS の蛍光強度変化)の画像。
下段:シナプスマーカーvGlut1の蛍光免疫細胞化学像。vGlut1の染色パターンとグルタミン酸シグナルの空間パターンが良く一致しており、EOS により単一シナプスから放出されたグルタミン酸が捉えられたことが示された。 | 拡大する

動画にすると光が点滅しているように見えるのですが、そこからある単一のシナプスのデータだけを抜き出し、小胞が放出される様子を詳しく解析しました。その結果、電気刺激しても全てのシナプスが小胞を放出するわけではなく、ばらつきがあると分かりました。機械やAIを設計する際にはエラーがないようにしますが、シナプスは少なからず小胞放出に失敗していたのです。

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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