「神経細胞極性」の版間の差分

　典型的な神経細胞は、一本の長い軸索と複数本の短い樹状突起を持つ<ref name=ref1><pubmed> 8210176 </pubmed></ref> <ref name=ref2><pubmed> 17311006 </pubmed></ref>。軸索は直径がその先端まであまり変化しないが、樹状突起は先端にゆくにしたがい直径が細くなる。軸索は直角に枝分かれすることが多く、樹上突起はY字型に枝分かれすることが多い。また、軸索と樹状突起では、微小管の配向が異なる。成熟した神経細胞の軸索では、微小管のプラス端が突起の遠位に向かって配向するが、樹状突起ではプラス端が遠位に向かって配向した微小管とマイナス端が遠位に向かった微小管とが混在している<ref><pubmed> 2592416 </pubmed></ref>。さらに、軸索と樹状突起ではタンパク質の分布も異なり<ref name=ref1 />、非リン酸化TauやSynaptophysin、Synapsin-1は軸索特異的に、[[MAP2]] は樹状突起特異的に存在するため、軸索と樹状突起のマーカーとして用いられている。

　[[ラット]][[海馬]]から培養した神経細胞は、90%が極性の発達した[[興奮性]]の[[錐体細胞]]から構成されており、その均一性のため神経細胞の極性化の解析によく用いられてきた。この神経細胞は、培養条件下で外部からの刺激がなくとも自発的に細胞極性を形成することが知られており、その過程は5つのステージに分類されている（図1）<ref name=ref1 /> <ref><pubmed> 3282038 </pubmed></ref>。まず、神経細胞は培養開始数時間で葉状仮足を形成する（ステージ1）。その後、細胞体からminer processと呼ばれる数本の未成熟な神経突起が伸長する（ステージ2）。この時点では、各突起の長さはほぼ同じで、神経細胞は対称に見える。ステージ2の間、個々の未成熟な突起はダイナミックな伸長と退縮を繰り返し、培養1.5日後、これらの突起のうち一本が急激に伸長し、対称性が破れる（ステージ3）。その後、この突起は急激な伸長を続け、軸索特異的分子の集積とともに軸索へと[[分化]]する。さらに培養を続けると、培養4日後に残りの突起の伸長が始まる。これらの突起には樹状突起特異的分子が集積し、樹状突起へと分化する（ステージ4）。その後、軸索と樹状突起の間に[[シナプス]]が形成され、一連の神経細胞の極性化は終了する（ステージ5）。

　[[大脳皮質]]の興奮性神経細胞は、[[脳室]]層（ventricular zone ; VZ）での前駆細胞の非対称分裂で生じ、脳表面に向かう移動の途中で極性化が起こる。これまで、興奮性神経細胞は移動時の先導突起（leading process ; LP）が樹状突起に、trailing process（TP）が軸索になると考えられていた<ref><pubmed> 20452947 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 22715881 </pubmed></ref>。しかし最近になって、興奮性神経細胞の多くは中間帯まで移動すると減速し、先導突起とtrailing processを失い、培養海馬神経細胞と同様に、複数の短い神経突起の伸長と退縮を繰り返す現象が報告された（図2A）<ref><pubmed> 14602813 </pubmed></ref> <ref name=ref8><pubmed> 22267309 </pubmed></ref>。これらの神経細胞は、その後一本の突起を脳室に沿う接線方向に急激に伸長させ、軸索を形成する。一方、細胞体は脳表面に向かって別の突起を伸ばしながら移動し、最終的にL時型の軸索が生じる<ref name=ref8 />。

　神経細胞の極性形成には神経突起が伸長する必要があるが、その突起伸長には突起先端の[[成長円錐]]が重要な役割を果たすと考えられている。成長円錐の先導端にはアクチン線維が豊富に存在しており、軸索伸長方向に重合しながら逆行性に移動し、アクチン線維の後方で脱重合することが知られている（図3）。このようなアクチン線維のターンオーバーはArp2/3やCofilinなどのアクチン結合タンパク質によって制御されており、これらの分子の活性は軸索伸長に関与する。また、逆行性移動するアクチン線維の力を成長円錐の推進力に変える機構として、クラッチメカニズムが提唱されており<ref><pubmed> 10934315 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 3078414 </pubmed></ref>、これまでに[[細胞接着分子]][[L1]]-CAMとアクチン線維を連結するシューティン1<ref name=ref12><pubmed> 18519736 </pubmed></ref> <ref name=ref13><pubmed> 23453953 </pubmed></ref>やN-カドヘリンとアクチン線維を連結するカテニン（catenin）<ref><pubmed> 18524892 </pubmed></ref>、エズリン（ezrin）<ref><pubmed> 22219290 </pubmed></ref>等がクラッチ分子として機能することが報告されている。さらに最近、クラッチ分子シューティン1を介したアクチン線維とL1-CAMの連結を強めると軸索伸長が促進することが報告された<ref name=ref13 /> <ref name=ref16><pubmed> 26261183 </pubmed></ref>。

　[[チューブリン]]は軸索に最も多く存在するタンパク質であり、突起先端におけるチューブリンの重合と微小管の安定化は軸索伸長において重要な因子である<ref><pubmed> 18268107 </pubmed></ref>。微小管の安定性は微小管結合タンパク質（MAPs）によって制御されており、MAP1BやMAP2が神経細胞の極性化に関与することが報告されている<ref name=ref18><pubmed> 19400726 </pubmed></ref>。また、CRMP-2やAPCは微小管の重合を促進することで、DOCK7はRac1を介して微小管の不安定化タンパク質スタスミンを不活性化することで軸索伸長に関与する<ref name=ref19><pubmed> 11477421 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 12134159 </pubmed></ref>。

　軸索の伸長のためには[[細胞膜]]の表面積を拡大させる必要があり、細胞内[[小胞輸送]]に関与する[[低分子量GTP結合タンパク質]][[Rab]]ファミリーが関与していると考えられている。これまでに、Rab5やRab8、Rab11などが軸索の形成や伸長に関わること<ref><pubmed> 17082457 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 17267689 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 22573681 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 17046692 </pubmed></ref>、Rab7、Rab11、Ran27などが突起伸長のシグナル伝達を担う分子を軸索先端へ輸送すること<ref><pubmed> 19460344 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 19759314 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 20810886 </pubmed></ref>、Ran11が神経突起伸長を調節するインテグリンの輸送に関与することが報告されている。また、Rab5、Rab7、Rab8、Rab10、Rab11はエンドサイトーシスによって回収された小胞膜の細胞膜のリサイクリングに関与すると考えられている。さらに最近、Rab33aが細胞体で新たに合成された膜成分の軸索輸送と成長円錐における膜融合を引き起こし、軸索伸長に関与することが報告された<ref><pubmed> 22972995 </pubmed></ref>。また、SNAREタンパク質やRab10、TC10Exo70複合体が成長円錐における小胞膜と細胞膜の融合に関与することも報告されている<ref><pubmed> 19846717 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 21856246 </pubmed></ref>。

　ネトリンは[[線虫]]のUNC-6のホモログであり、UNC-40（DCC）等の受容体に結合する<ref><pubmed> 16520734 </pubmed></ref>。線虫のUNC-6やUNC-40の変異体では、産卵口の筋肉の神経細胞の軸索形成が遅れ、軸索ガイダンスにも異常が生じる。また、反発性ガイダンス因子であるSema3Aは、cGMPの産生を介してcAMP/PKAを阻害し、PKA依存的な軸索形成を抑制して樹状突起形成を促進する<ref><pubmed> 21835341 </pubmed></ref>。NGF、BDNF、NT-3などのニューロトロフィンは、PI3-キナーゼ、Ras、cAMP、IP3などを介したシグナル伝達経路に関与しており、受容体であるTrkを阻害すると大脳皮質内を移動する神経細胞の極性形成に異常が生じる<ref><pubmed> 22087032 </pubmed></ref>。また、TGFβはPar6をリン酸化することで軸索形成に関与しており、TGFβの受容体であるTβR2をノックアウトしたマウスは、大脳皮質の神経細胞において軸索形成に異常を示す<ref><pubmed> 20603020 </pubmed></ref>。IGF-1に関しては、大脳皮質内の興奮性神経細胞に対する軸索形成作用が示唆されている<ref><pubmed> 17057708 </pubmed></ref>。また、Wntも軸索形成と極性化に関与しており、Wnt5Aは軸索形成を促進する<ref><pubmed> 16571624 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 21557503 </pubmed></ref>。

　軸索形成の方向性の決定には、ラミニンやL1-CAMといった細胞[[接着分子]]の方向性を持った刺激も関与する<ref><pubmed> 17482549 </pubmed></ref> <ref name=ref39><pubmed> 10414970 </pubmed></ref>。ラミニンやL1-CAMをストライプ状にコートした基質上に神経細胞を培養すると、ラミニンやL1-CAMに接触した神経突起が優先的に軸索になる。また、ラミニンでコートしたマイクロビーズを用いてステージ2の培養海馬神経細胞の未成熟な神経突起を刺激すると、マイクロビーズ接触した突起先端にPIP3が濃縮し、突起が急速に伸長して軸索へと分化する<ref name=ref39 />。これらのことから、ラミニンやL1-CAMは接着性の細胞外シグナル分子として働き極性形成に関与すると考えられる。また、インテグリンはラミニンのレセプターとして知られており、神経細胞の発生過程の早い段階から発現がみられ、Integrin-linked kinase (ILK)を介して[[GSK3β]]を不活性化する。ILKを阻害すると軸索形成が抑制され、反対にILKの活性化型変異体を発現させると複数の軸索が形成される<ref><pubmed> 17490631 </pubmed></ref>。さらに最近、β1インテグリンはSADキナーゼを介して微小管を制御することで、神経極性に関与することも報告されている<ref><pubmed> 22430151 </pubmed></ref>。

　神経細胞の極性化を担う細胞内シグナル伝達に関して、この十数年の間に、さまざまな細胞内分子群が同定されてきている（図4）<ref name=ref2 /> <ref name=ref18 />。

　また、H-Ras、K-Ras、N-Ras、R-RasといったRasタンパク質は、PI3-キナーゼの上流で神経細胞の極性形成に関与する。Rasタンパク質を過剰発現すると過剰に軸索が形成され、[[ドミナントネガティブ]]変異体を発させると軸索の形成が阻害される<ref><pubmed> 16343426 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 17107957 </pubmed></ref>。

　Cdc42やRac1、[[RhoA]]などのRhoファミリーGタンパク質は、神経細胞だけでなく、さまざまな細胞の形態形成に関与する。P21-activated kinase（Pak1）は、Cdc42やRac1の下流で活性化されるリン酸化酵素で<ref><pubmed> 17687038 </pubmed></ref>、海馬神経細胞の軸索に局在する。活性化型のPak1を過剰発現させると過剰な軸索が形成され、反対にPak1の発現を抑制すると軸索の形成が阻害される。さらに、Pak1はネトリンの下流でクラッチ分子シューティン1をリン酸化する。リン酸化されたシューティン1は、アクチン線維と細胞接着分子の間の連結を強めることで軸索形成を促進する<ref name=ref13 /> <ref name=ref16 />。さらにシューティン1の過剰発現は過剰軸索の形成を引き起こすことから<ref name=ref51><pubmed> 17030985 </pubmed></ref>、クラッチ分子の制御は軸索形成に関与すると考えられる。RhoAは下流のRhoキナーゼ/ROCKを活性化することで、CofilinやProfilinを介してアクチン線維のダイナミクス制御し、神経細胞の極性形成に関与する<ref><pubmed> 11276226 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 14517206 </pubmed></ref>。

　Par1bはmicrotubule affinity-regulating kinase2（MARK2）とも呼ばれるリン酸化酵素で、Tauなどの微小管結合タンパク質をリン酸化する<ref><pubmed> 16717194 </pubmed></ref>。MARK2の発現抑制は過剰軸索の形成を引き起こし、MARK2の過剰発現は軸索形成を抑制する。また、MARK2は下流分子のGAKINのリン酸化を介して軸索形成を引き起こし、さらに樹状突起形成の抑制にも関与する<ref><pubmed> 20194617 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 18045904 </pubmed></ref>。

　対称性の破れに関する研究は、古くから理論研究が先行しており、局所における活性物質のポジティブフィードバックによる自己増幅と、抑制物質のネガティブフィードバックによる側方抑制を導入した数理モデルが提唱されている<ref>''' Turing AM '''<br> The Chemical Basis of Morphogenesis.<br>'' Philos. Trans. R. Soc. London B Biol. Sci.  '':1952</ref> <ref><pubmed> 10918306 </pubmed></ref>。これまで、PI3-キナーゼとその上流分子であるH-Rasとの間にポジティブフィードバックの関係が生じることから、活性依存的にH-Rasの突起先端への輸送が促進されるという仮定をしてモデルを立てパラメータを調節した場合や<ref><pubmed> 18158244 </pubmed></ref>、微小管が突起の長さ依存的に濃縮するという仮定を立てた場合に<ref><pubmed> 20493705 </pubmed></ref>、神経細胞の対称性の破れが起こることが報告されている。また、神経極性に関与するシグナル因子の相互作用解析から、活性因子であるPI3-キナーゼとその下流因子との間にポジティブフィードバックが働くことで軸索が伸長し、さらに軸索の成長円錐から抑制因子が他の未成熟な神経突起に伝達されることで側方抑制がかかるという極性形成モデルが提唱されている（図5A）<ref name=ref2 />。

　極性関連分子の軸索や樹状突起への選択的な局在には、[[キネシン]]や[[ダイニン]]などの微小管依存的モータータンパク質が重要な役割を果たすと考えられている<ref><pubmed> 19773780 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 20137950 </pubmed></ref>。神経細胞に発現するキネシンのモータードメインを神経細胞に発現させ、その局在解析から軸索特異的なキネシンモータードメインの濃縮が確認された<ref><pubmed> 10846156 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 16543128 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 19377471 </pubmed></ref>。また、軸索に特異的に濃縮するメカニズムとしてチューブリンの翻訳後修飾が提唱されたが<ref><pubmed> 20032309 </pubmed></ref>、それだけでは説明がつかないという報告もあり<ref><pubmed> 21768290 </pubmed></ref>、まだよくわかっていない。