星形膠質細胞が分泌するニューロカンが抑制性シナプスの形成と機能を制御する
星形グリア細胞の分泌するNeurocanが抑制性シナプスの形成と機能を制御する
近年、脳内のニューロンとグリア細胞の相互作用がシナプス形成と機能維持に与える役割についての研究が神経科学のホットトピックとなっています。本論文はデューク大学医学センターのDolores Iralaらによって2024年5月に《Neuron》誌に発表され、グリア細胞がNeurocanのC末端断片を分泌することにより特定の種類の抑制性GABAergicシナプスの形成と機能を制御することを示しています。
背景
哺乳類の大脳皮質では、80%のニューロンがグルタミン酸作動性（興奮性）錐体ニューロンであり、20%がγ-アミノ酪酸作動性（抑制性）中間ニューロンです。中間ニューロンはその形態学、転写学、電気生理学的特性に基づいて、ソマトスタチン（SST）、パルブアルブミン（PV）、5-ヒドロキシトリプタミン受容体3A（HTR3A）の三大クラスに分類されます。グリア細胞がシナプス形成に重要な役割を果たしていることは分かっていましたが、これまでの研究ではグリア細胞が分泌するいくつかのタンパク質が興奮性シナプスの形成を促進することが確認されていました。例えば、血小板反応タンパク（Thrombospondins）、SPARCL1/Hevin、糖タンパクなどです。しかし、抑制性シナプス形成を制御するグリア細胞分泌シグナルは明確ではありませんでした。
研究過程
抑制性シナプス形成を制御するグリア細胞分泌タンパクを探るために、著者らはグリア細胞を含まない皮質ニューロン培養システムを開発しました。これには新生ラット皮質からの興奮性および抑制性ニューロンが含まれています。免疫吸着法を利用してL1CAM陽性のニューロンを分離し、これを体外で培養し、広範な神経突起の形成を促しました。神経突起はグリア細胞培養液（ACM）またはリコンビナントタンパクで処理し、体外培養8日目および11日目のニューロンでそのシナプス生成効果を確認しました。
培養されたニューロンには2%未満のグリア細胞酸性フィラメントプロテイン（GFAP）陽性グリア細胞が含まれ、78%が興奮性ニューロン、20%が抑制性ニューロンでした。共焦点顕微鏡と画像解析を用いて、著者らはACMが抑制性シナプスの形成を顕著に誘導することを発見しましたが、それぞれのシナプスマーカー（BassoonおよびGephyrin）の数は変わりませんでした。加えて、候補タンパク質のスクリーニングにより、Neurocan（NCAN）が顕著に抑制性シナプス形成を誘導するグリア細胞分泌タンパクとして特定されました。
研究結果
以下はこの研究の主要な発見です：
NCAN断片の位置とシナプス形成： ウエスタンブロットおよび免疫蛍光染色により、Neurocanの新生マウス発達における発現パターンおよび切断位置が特定されました。NCANのC末端断片はシナプスに位置し、マウス皮質の抑制性シナプス形成と機能を制御していることが示されました。
NCAN欠失がシナプス形成に与える影響： NCAN遺伝子をノックアウトしたマウスモデル（第3および第4エクソンを削除）を使用し、抑制性シナプスの数と機能が顕著に減少することが発見されましたが、興奮性シナプスの密度や機能には影響しませんでした。透過型電子顕微鏡を用いてさらに確認したところ、NCAN欠損マウスのACC領域における抑制性シナプス密度は半減していましたが、ニューロンの生存率、体重、脳の密度には顕著な影響はありませんでした。
NTERおよびCTER断片が抑制性シナプスに与える影響： 体外培養実験により、NCANのC末端（CTER）断片が抑制性シナプスの形成を顕著に促進することが発見されましたが、N末端（NTER）断片は顕著な作用を示しませんでした。NCANノックアウトマウスのACMにCTER断片を添加したところ、抑制性シナプス数の減少が完全に救済されました。
NCANと特定のシナプスタンパクの相互作用： 超解像顕微鏡およびインビボ近接標識法を用いて、NCAN-ELS断片が特異的にソマトスタチン（SST）陽性シナプスの形成を調節することが発見されましたが、パルブアルブミン（PV）陽性シナプスには顕著な効果はありませんでした。
機能的研究： 電気生理学実験を行い、マウスACC領域のL2-3層錐体ニューロンの微小抑制性シナプス後電流（mIPSC）を記録しました。その結果、NCANノックアウトマウスではmIPSCの頻度が顕著に低下しており、これが抑制性シナプス機能の制御作用を示し、主にSST陽性シナプスに影響を与えることが分かりました。
結論と実際の意義
本研究では、グリア細胞が分泌するNeurocanのC末端断片が新規の抑制性シナプス形成の重要な調節タンパクであると明らかになり、特に哺乳類の大脳皮質における特定の種類の抑制性シナプス形成に関与していることが示されました。この発見は神経発達および神経ネットワークの安定性に関する新しい洞察を提供し、神経疾患や脳損傷の治療介入における新しい潜在的なターゲットを提供します。
さらに、本研究は、NCAN断片の特定の調節作用が異なるニューロン細胞タイプおよび特定のシナプスの形成と機能に関与する可能性があることを発見し、今後の研究においてグリア細胞とニューロン間のより複雑で精密な相互作用メカニズムを解明する基礎を築きました。