NAISTなど、神経細胞はタンパク質「Rab33a」で軸索を伸ばすことを解明

奈良先端科学技術大学院大学(NAIST)は9月12日、東北大学の協力を得て、神経細胞が「軸索」を伸ばすために細胞膜を広げる仕組みとして、神経細胞内に存在している、これまでは機能が不明だったタンパク質「Rab33a」が、細胞体で合成された細胞膜成分の軸索先端への輸送と供給を担うことによって、軸索の伸長と形成に関わることを解明したと発表した。

成果は、NAISTバイオサイエンス研究科 神経形態形成学研究室の稲垣直之准教授、同・博士課程3年の中澤瞳氏、同・情報科学研究科の杉浦忠男准教授、東北大学・生命科学研究科の福田光則教授らの共同研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、米国東部時間9月12日付けで米国神経科学会誌「The Journal of Neuroscience」に掲載された。

脳内の神経細胞は、軸索と呼ばれる長い突起を伸ばし、隣接するほかの神経細胞と結合することで脳の活動に必要な情報ネットワークを作っていく。軸索を伸ばすため、神経細胞の表面積を広げなければならず、神経細胞が時には1mにも達する長い軸索を伸ばすには、細胞体の表面積の1万倍にも達することもある。

これまでに、細胞膜より回収された膜成分を軸索先端へリサイクルする仕組みは報告されていた。しかし、神経突起を伸長させるには細胞膜リサイクルだけでなく、細胞体で新たに作られた膨大な量の膜成分を供給することが必要不可欠である。しかし、これまではその仕組みはこれまでよくわかっていなかった。

そこで研究グループは今回、脳に存在し、細胞内で膜の輸送に関わる「Rabファミリー」と呼ばれるタンパク質の仲間である機能が不明だったRab33aに着目して解析を行った次第だ。

実験では、ラットの脳内の海馬にある神経細胞を培養して材料に使った。また、光って目印となるクラゲ蛍光タンパク質(GFP)などを遺伝子に組み込んで、軸索内における細胞膜成分やRab33aの動きをライブ観察した。また、軸索の先端で細胞膜成分が細胞膜に供給される様子は、「SypHy」という膜融合の際に光る蛍光タンパク質と全反射顕微鏡を用いて観察した。

まず始めに、Rab33aの分布が調べられた。神経細胞では、細胞膜の材料となる膜成分は細胞体にある「小胞体」と「ゴルジ装置」で合成され、軸索内を先端まで輸送されて軸索の先端で細胞膜に供給されると考えられている(画像1)。

実験観察の結果、Rab33aはゴルジ装置から軸索先端に至る膜成分の輸送経路に沿って分布することがわかった。画像2の顕微鏡写真では、軸索先端にRab33a(緑色)が広がっていることが示されている。

軸索の先端は手のひらのような構造をしており、画像2では右方向に進む。手のひらの甲に当たる部位は青色(微少管を染色)に、指に当たる部位は赤色(「アクチン線維」を染色)に見えている。Rab33aが軸索の先端に顆粒状に広く分布していることが確認できるはずだ。

一方、「エンドソーム」と呼ばれる細胞膜のリサイクルに関わる経路にはRab33aは見られないことが確認された。

次に、ライブ観察で、Rab33aが制御する膜成分の移動と突起先端での膜成分の供給を顕微鏡で測定した。その結果、Rab33aの発現量を減らした神経細胞では、細胞体から軸索先端への膜成分の輸送量が減少し、膜成分の軸索先端の細胞膜への供給量も減少することがわかったのである。

また、Rab33aの発現量を減らした神経細胞では、軸索の形成と伸長が抑制された。逆に、Rab33aの量を増やし過ぎた神経細胞では、膜成分の突起先端への供給が過剰となった結果、複数の軸索が形成されたのである。

以上の結果から、Rab33aが、細胞体で新たに合成された細胞膜成分を軸索先端へ輸送し細胞膜に供給することによって、軸索の形成と伸長を起こすことが明らかとなった(画像1)。

神経が軸索を伸ばす分子の仕組みは、神経再生の治療法開発にとって基盤となる知見だと、研究グループは語っており、今回の発見は、これまでに知られていなかった軸索を伸ばすために細胞膜を広げる仕組みに光を当てることとなったとする。また、同時に、軸索を伸ばす分子を発見し、その仕組みを1つずつ明らかとすることによって、神経軸索を伸ばす薬剤や遺伝子治療法のデザインが今後可能となってゆくことが期待されるともコメントしている。