基底膜

 執筆者：吉川大和、門谷裕一、野水基義

基底膜

はじめに
　基底膜（きていまく、basement membrane または basal lamina）は、上皮組織（内皮や中皮を含む）と結合組織の境界、筋細胞・脂肪細胞および神経実質の周囲に見られるシート状の細胞外マトリックスである。筋や神経組織では、外板(external lamina) とも呼ばれる。基底膜は、組織構造維持のための機械的な足場、物質の選択的透過性を司る障壁、細胞極性の決定、細胞の代謝、生存、増殖、分化、移動などを調節する。中枢神経系では、血液-脳関門(BBB: blood-brain-barrier)および血液—脳脊髄液関門(BCSFB: blood-CSF barrier)の形成とその機能に関与している。また、脳室の近傍ではフラクトン(fractone)と呼ばれる基底膜様構造があり、これが成体脳の神経幹細胞にニッチを提供する。

目次

1. 基底膜の構造
2. 中枢神経系における基底膜の分布
3. 中枢神経系における基底膜の構成成分
4. 中枢神経系における基底膜の機能と疾患
5. 中枢神経の再生研究における基底膜

1. 基底膜の構造
　透過電子顕微鏡で見た基底膜は3層構造で、上皮細胞や実質細胞に近い部分から、比較的電子密度の低い透明板(lamina lucida)、電子密度が高い緻密板(lamina densa)、その外側の線維細網板(lamina fibroreticlularis)が区分される。このうち緻密板は様々な基底膜成分が共局在する部位で、通常20〜300 nm厚である。中枢神経組織や内皮の基底膜では最外層の線維細網板は認められないことが多い[1]。光学顕微鏡で基底膜を観察するには渡銀等の特殊な組織染色か、基底膜成分に対する免疫組織化学によるのが一般的である。
　基底膜の主成分は、IV型コラーゲン (Type IV collagen)、ラミニン (laminin) 、ニドゲン (nidogen)、ヘパラン硫酸プロテオグリカン (HSPG) である[2]。これら分子間の相互作用の解析にもとづき（後述）、基底膜ではIV型コラーゲンがその骨格をなす網目構造を形成し、これにニドゲンを介したラミニンやヘパラン硫酸プロテオグリカンが配位するというモデルが提唱されている[3]。

2. 中枢神経系における基底膜の分布
　神経管（neural tube）は、胚盤背側の外胚葉が溝状に陥没すると同時に溝の両側が伸び出し左右が接触・融合することによって形成される。この過程を通じて外胚葉の直下や神経管の周囲には連続した基底膜が観察される。
成熟した中枢神経組織の実質最外層では、アストログリアの突起(astrocyte endfeet)が層をなし、限界膠(glial limitation)を形成する。基底膜はこのアストロサイトの突起の層を裏打ちするように認められ、神経実質と軟膜とを隔てている (軟膜基底膜:pial basement membrane) [4]。
　中枢神経系に出入りする血管は、軟膜の一部を伴って脳実質へ侵入する。血管の実質内への侵入に伴って血管壁の平滑筋細胞が失われるため、やがて血管の周囲は内皮基底膜 (endothelial basement membrane) と軟膜基底膜の延長である脳実質基底膜(parenchymal basement membrane)の二層によって囲まれるようになる。さらに脳実質内に侵入すると両基底膜は融合し、この基底膜(composite basement membrane)は一面で血管内皮と他面でアストログリアの突起と接することになる。[4]。
　フラクトン(fractone)は、脳実質内の毛細血管を取り巻く基底膜のみが上衣細胞(ependymal cell)に向かって枝分かれしながら伸び出した構造である[5]。上衣細胞は固有の基底膜を持たない。

　脈絡叢(choroid plexus)は血管に富む構造で脳脊髄液 (CSF: blood-cerebrospinal fluid) を産生する。脈絡叢は脳室内に突出しており、波うった脈絡上皮細胞(choroid plexus epithelium)とその直下を走る毛細血管網からなる。脈絡上皮細胞、血管内皮ともに固有の基底膜をもち、両者が密接した部分ではあたかも2重の基底膜が両者を隔てているように見える。脈絡叢でこの2枚の基底膜が融合するという報告はない。

3. 中枢神経系における基底膜の構成成分
　組織を問わず全ての基底膜に共通して存在する基底膜の主成分に、IV型コラーゲン (Type IV collagen)、ラミニン (laminin) とニドゲン (nidogen)、ヘパラン硫酸プロテオグリカン (HSPG) がある[2]。これらには以下に述べるようなアイソフォームが存在し、その組み合わせにより組織や細胞に特異的な基底膜を形成する。各アイソフォームの分布は、論文以外にもTHE MATRIOME PROJECT (http://www.matrixome.com/bm/Home/home/home.asp) に詳しく記載されている[6]。

　IV型コラーゲン (Type IV collagen)：IV型コラーゲンは非線維性であり、基底膜の骨格をなす網目状構造の形成に関与している。他のコラーゲンと同様に、α鎖と呼ばれるポリペプチド鎖が3本集まり、3重らせん構造を形成している。IV型コラーゲンには6種類のα鎖が存在し、各アイソフォームはその組み合わせに応じて[α1(IV)]2α2(IV)のように表記される。脳実質基底膜 (parenchymal basement membrane)には、[α1(IV)]2α2(IV)と[α5(IV)]2α6(IV) の2種類が共発現しているが、血管内皮基底膜 (endothelial basement membrane)では[α1(IV)]2α2(IV)のみが発現す
る[7]。脈絡叢の基底膜では、毛細血管基底膜には[α1(IV)]2α2(IV)が、脈絡上皮細胞の基底膜にはα3(IV)α4(IV)α5(IV)で構成されたIV型コラーゲンが存在している[7]。フラクトンにはIV型コラーゲンが含まれているが、各α鎖の分布などは明らかになっていない[8]。

　ラミニン(laminin)：ラミニンは、α、β、γの3つの鎖からなる3量体糖タンパク質で、それぞれの鎖のC末の3重らせんドメインで会合した十字架構造をしている[9]。α鎖が5種類、β鎖が3種類、γ鎖が3種類存在し、それらの組み合わせによって、例えばα1、β1、γ1ならばラミニン-111、α5、β2、γ1ならばラミニン-521のように命名されている。現在までに18種類の組み合わせが報告されている。α、β、γの鎖のなかで、α鎖が細胞の接着に関わる主要な鎖としてラミニンの機能に大きく関わっている。血管内皮基底膜には、ラミニン-411と-511が存在している。また、脳実質基底膜 (parenchymal basement membrane)には、ラミニン-111とラミニン-211が共発現する。血管が脳実質内に侵入し、2つの基底膜が融合した部分では、ラミニン-211、-411、-511が共発現する[4]。脈絡上皮の基底膜にはラミニン-511が存在している。一方、脈絡叢の毛細血管基底膜はラミニン-411である[6]。血管内皮の基底膜を除く各基底膜では、同時にβ2およびγ3鎖の発現も見られることから、ラミニン-421/-423/-521/-523が同時に含まれることが予想される[6, 9]。フラクトンには、β1とγ1鎖が存在しているが、これらと会合するα鎖は明らかになっていない[8]。

　ニドゲン (nidogen)：ニドゲンはエンタクチン(entactin)とも呼ばれ、2種類のアイソフォーム(nidogen-1 and -2)が知られている。どちらもラミニンγ1鎖に結合し、ラミニンをIV型コラーゲンに結びつけることで基底膜の形成と維持に関与している[10]。どちらも中枢神経組織内におけるほとんどの基底膜に共発現している[6, 10, 11]。フラクトンには、ニドゲン-1は存在しているが、ニドゲン-2については明らかになっていない[8]。

　ヘパラン硫酸プロテオグリカン (heparan sulfate proteoglycan)：基底膜に含まれるヘパラン硫酸プロテオグリカンとしてパールカン(perlecan)とアグリン(agrin)がある。血管内皮基底膜では、パールカンが、軟膜基底膜および脳実質基底膜では、アグリンがそれぞれ主要なヘパラン硫酸プロテオグリカンとして存在する。脳実質内に侵入した血管基底膜のうち、脳実質基底膜と融合した部分では、パールカンとアグリンの両方が存在している[4]。脈絡叢では、ともに脈絡上皮と毛細血管の基底膜で発現している[6, 12]。フラクトンには、パールカンは存在しているが、アグリンについては明らかになっていない[8]。

4. 中枢神経系における基底膜の機能と疾患
　中枢神経系における基底膜IV型コラーゲンは、血液-脳関門および血液—脳脊髄液関門の物質交換を制限するフィルター機能に関与することが示唆される。実際、IV型コラーゲンα1鎖の変異は、脳内出血(brain hemorrhage)や孔脳症(porencephaly)を引き起こすことがヒトおよびマウスで明らかになっている[13, 14]。また、脈絡上皮細胞の基底膜に発現するIV型コラーゲンアイソフォームα3(IV)α4(IV)α5(IV)は、腎糸球体（血液—尿関門を構成）や肺胞（血液—空気関門を構成）の基底膜で発現し[15, 16]、血液—脳脊髄液関門の選択的透過性に関与することが示唆される。

　ラミニンγ1鎖のニドゲン結合部位を欠失させたマウスでは、軟膜基底膜および軟膜に連続した血管周囲の基底膜が障害され、脳皮質の形成に異常が起きる[11]。軟膜基底膜におけるラミニンα1鎖の欠損は、小脳の形成に影響し、行動障害が起こる[17]。ニドゲン-1を欠失させたマウスの一部では海馬におけるニドゲン-2の代償的な亢進が認められず、このような場合には行動障害が現れる[18]。

　中枢神経実質には、血液中からの免疫細胞の侵入が制限されている。しかし、脳脊髄炎ではこれらの機能が破綻し、リンパ球の侵入が見られるようになる。血管内皮基底膜にはラミニンα4鎖とα5鎖が含まれ、リンパ球の侵入はラミニンα5鎖を欠く領域で起こることが報告されている[1]。これを裏付けるように、ラミニンα4鎖欠失マウスでは、ラミニンα5鎖が補償的に発現上昇するため、炎症に際してのリンパ球の侵入が見られなくなる[1]。

5. 中枢神経の再生研究における基底膜
　基底膜は組織に高度に組み込まれた構造であるため生化学的な調製が難しく、その研究はなかなか進展しなかった。70年代後半になり、マウス肉腫 (Engelbreth-Holm-Swarm sarcoma) から種々の基底膜成分を含む基底膜様ゲル（マトリゲル、matrigelの名称で市販） が得られることがわかり、これによって個々の分子について研究が進展した[19]。また、マトリゲルやそれから精製されたラミニン111をもちいることにより初代培養を含む様々の神経系細胞のin vitro研究が格段に進んだ。近年、ヒト ES 細胞をマトリゲル上で培養し、ROCK 阻害剤 Y-27632 で処理することにより、中枢神経系細胞であるドーパミン作動性ニューロンへ高い効率で誘導することが可能であることが示されている[20]。

参考文献
References

1. Wu, C, Ivars, F, Anderson, P, Hallmann, R, Vestweber, D, Nilsson, P, Robenek, H, Tryggvason, K, Song, J, Korpos, E, Loser, K, Beissert, S, Georges-Labouesse, E, and Sorokin, LM. Endothelial basement membrane laminin alpha5 selectively inhibits T lymphocyte extravasation into the brain. Nat Med. 15: 519-27 (2009)
2. Timpl, R. Structure and biological activity of basement membrane proteins. Eur J Biochem. 180: 487-502 (1989)
3. Colognato, H, Galvin, J, Wang, Z, Relucio, J, Nguyen, T, Harrison, D, Yurchenco, PD, and Ffrench-Constant, C. Identification of dystroglycan as a second laminin receptor in oligodendrocytes, with a role in myelination. Development. 134: 1723-36 (2007)
4. Engelhardt, B and Sorokin, L. The blood-brain and the blood-cerebrospinal fluid barriers: function and dysfunction. Semin Immunopathol. 31: 497-511 (2009)
5. Mercier, F, Kitasako, JT, and Hatton, GI. Anatomy of the brain neurogenic zones revisited: fractones and the fibroblast/macrophage network. J Comp Neurol. 451: 170-88 (2002)
6. Manabe, R, Tsutsui, K, Yamada, T, Kimura, M, Nakano, I, Shimono, C, Sanzen, N, Furutani, Y, Fukuda, T, Oguri, Y, Shimamoto, K, Kiyozumi, D, Sato, Y, Sado, Y, Senoo, H, Yamashina, S, Fukuda, S, Kawai, J, Sugiura, N, Kimata, K, Hayashizaki, Y, and Sekiguchi, K. Transcriptome-based systematic identification of extracellular matrix proteins. Proc Natl Acad Sci U S A. 105: 12849-54 (2008)
7. Urabe, N, Naito, I, Saito, K, Yonezawa, T, Sado, Y, Yoshioka, H, Kusachi, S, Tsuji, T, Ohtsuka, A, Taguchi, T, Murakami, T, and Ninomiya, Y. Basement membrane type IV collagen molecules in the choroid plexus, pia mater and capillaries in the mouse brain. Arch Histol Cytol. 65: 133-43 (2002)
8. Kerever, A, Schnack, J, Vellinga, D, Ichikawa, N, Moon, C, Arikawa-Hirasawa, E, Efird, JT, and Mercier, F. Novel extracellular matrix structures in the neural stem cell niche capture the neurogenic factor fibroblast growth factor 2 from the extracellular milieu. Stem Cells. 25: 2146-57 (2007)
9. Durbeej, M. Laminins. Cell Tissue Res. 339: 259-68 (2010)
10. Ho, MS, Bose, K, Mokkapati, S, Nischt, R, and Smyth, N. Nidogens-Extracellular matrix linker molecules. Microsc Res Tech. 71: 387-395 (2008)
11. Halfter, W, Dong, S, Yip, YP, Willem, M, and Mayer, U. A critical function of the pial basement membrane in cortical histogenesis. J Neurosci. 22: 6029-40 (2002)
12. Handler, M, Yurchenco, PD, and Iozzo, RV. Developmental expression of perlecan during murine embryogenesis. Dev Dyn. 210: 130-45 (1997)
13. Gould, DB, Phalan, FC, Breedveld, GJ, van Mil, SE, Smith, RS, Schimenti, JC, Aguglia, U, van der Knaap, MS, Heutink, P, and John, SW. Mutations in Col4a1 cause perinatal cerebral hemorrhage and porencephaly. Science. 308: 1167-71 (2005)
14. Vahedi, K, Kubis, N, Boukobza, M, Arnoult, M, Massin, P, Tournier-Lasserve, E, and Bousser, MG. COL4A1 mutation in a patient with sporadic, recurrent intracerebral hemorrhage. Stroke. 38: 1461-4 (2007)
15. Ninomiya, Y, Kagawa, M, Iyama, K, Naito, I, Kishiro, Y, Seyer, JM, Sugimoto, M, Oohashi, T, and Sado, Y. Differential expression of two basement membrane collagen genes, COL4A6 and COL4A5, demonstrated by immunofluorescence staining using peptide-specific monoclonal antibodies. J Cell Biol. 130: 1219-29 (1995)
16. Nakano, KY, Iyama, KI, Mori, T, Yoshioka, M, Hiraoka, T, Sado, Y, and Ninomiya, Y. Loss of alveolar basement membrane type IV collagen alpha3, alpha4, and alpha5 chains in bronchioloalveolar carcinoma of the lung. J Pathol. 194: 420-7 (2001)
17. Ichikawa-Tomikawa, N, Ogawa, J, Douet, V, Xu, Z, Kamikubo, Y, Sakurai, T, Kohsaka, S, Chiba, H, Hattori, N, Yamada, Y, and Arikawa-Hirasawa, E. Laminin alpha1 is essential for mouse cerebellar development. Matrix Biol. 31: 17-28 (2012)
18. Vasudevan, A, Ho, MS, Weiergraber, M, Nischt, R, Schneider, T, Lie, A, Smyth, N, and Kohling, R. Basement membrane protein nidogen-1 shapes hippocampal synaptic plasticity and excitability. Hippocampus. 20: 608-20 (2010)
19. Kleinman, HK and Martin, GR. Matrigel: basement membrane matrix with biological activity. Semin Cancer Biol. 15: 378-86 (2005)
20. Watanabe, K, Ueno, M, Kamiya, D, Nishiyama, A, Matsumura, M, Wataya, T, Takahashi, JB, Nishikawa, S, Nishikawa, S, Muguruma, K, and Sasai, Y. A ROCK inhibitor permits survival of dissociated human embryonic stem cells. Nat Biotechnol. 25: 681-6 (2007)