神経成長の分子基盤をどう理解するか？

神経回路形成という過程を経て、ヒトでも出生時にはすでにひとりでに、「脳」という「容器」自体は既に出来上がっている。成長円錐(growth cone)は発達期の神経細胞に形成される突起（主に軸索）の先端に形成される運動性に富んだ構造であり、これが移動して特定の経路をたどり、標的神経細胞を認識するとそこで停止してシナプス構造が作られる。このような成長円錐の機能は、発生時期のみならず、成熟脳においてもadult neural stem cell の分化に伴う可塑的シナプス形成や、損傷脳で生ずる神経回路再編時にも必要とされ、脳の発生・可塑性・再生の全てにわたってその分子基盤が関わっていると考えられる。成長円錐の分子基盤を哺乳動物脳で包括的に理解すべく、プロテオミクスを適応した結果(PNAS 2009; Neurosci Res 2014)、線虫・ショウジョウバエとは全く異なる分子基盤が浮かび上がってきた。今回はその基盤に基づく、新たなアプローチの結果を紹介する。
1) 超解像度顕微鏡による膜動態の解析：成長円錐では細胞骨格の重合と、膜面積の拡大という２つの事象が協調して起こることで神経成長が可能になると想定される。従って、細胞骨格（アクチン繊維、微小管）と膜成分（小胞、膜）との関連性が可視化できなければ、軸索再生などの問題にはチャレンジできない。成長円錐は狭い構造の中に、ぎっしりとこれらの内部構造が集積していて、通常の共焦点顕微鏡では追跡不可能であった。演者はSIM型超解像顕微鏡を用いてこの点にアプローチし、リアルタイムで小胞の動きを可視化すると、成長円錐先端のアクチン繊維の束化と連動する、クラスリン非依存性のエンドサイトーシスが発見できた。この動きはＺ軸方向に存在し、従来のクラスリン依存性の動きとは全く分子機構も空間的位置も異なり、この動きを阻害すると神経成長が抑制された。また脂質ラフトはこのような動きに支配された(Cell Rep 2017; J Neurosci 2017)。この結果は神経成長の膜動態が多様性を持って、細胞骨格に関係することを初めて示した結果である。
2) リン酸化プロテオミクスからの神経成長シグナリングの解析；リン酸化はシグナル伝達の中心的な機構であるが、神経成長の実働部隊の蛋白質ではほとんどわかっていない。この包括的なプロファイリングのため、成長円錐のリン酸化プロテオミクスを行って、約2000種類の蛋白質に関する約6,000箇所のリン酸化部位を同定した。このin vivoリン酸化情報はこれまでのin vitroリン酸化情報とは量的・質的に大きく異なっており、プロリン指向性 (proline-directed) リン酸化が顕著であった。バイオインフォマティクスと阻害剤実験より、MAPK系のJNK (c-jun N-terminus kinase)であることが見いだされた。最も頻度の高いのは、神経成長の古典的な分子マーカーであるGAP-43のリン酸化であり、演者はこれまでほとんど注目されていなかった部位に対するリン酸化特異抗体を作成し、発生期の伸長軸索、成熟時の再生軸索はほとんどこのリン酸化を伴っていることを見出した。このリン酸化抗体が新規の神経成長・再生の分子マーカーとなるものと考え、解析を進めている。