image: This is a freeze fracture replica image showing the voltage-gated calcium channels clusters on presynaptic membrane in rats. The green circles represent channel clusters, and inside each green circle are small black dots, which are the individual channels. This is easier to see in the inset, labeled A3, where the channels are blue dots. view more
Credit: OIST Professor Tomoyuki Takahashi
あらゆる運動、感覚、記憶機能に関与して、これらの生命活動を可能にしているのは、脳内のカルシウムイオンです。しかしカルシウムイオンがニューロン（神経細胞）内の標的分子に到達するスピードやそのタイミングが情報伝達に与える影響については、完全には解明されていません。沖縄科学技術大学院大学（OIST）の研究者らは、カルシウムチャネルから小胞※１上のカルシウムセンサーへの距離がどのようにニューロンの情報伝達の精度と効率に影響を及ぼすのかを突き止めました。この研究で、高橋智幸教授率いるOIST細胞分子シナプス機能ユニットは、仏国パスツール研究所やオーストリア科学技術研究所をはじめとする研究機関と国際共同研究を行い、電位依存性カルシウムチャネル※２の分布を明らかにしました。このチャネルはカルシウムイオンをニューロン内に流入させることにより、小胞からの神経伝達物質の放出を引き起こします。この度、2015年1月7日号の米科学誌ニューロンに掲載される本研究成果は、神経伝達物質放出の精度と効率に関する数十年来の謎を解き明かし、動物の成熟に伴い情報伝達がどのように変化するのかについて示唆を与えるものです。
活動電位による膜電位の一過性の変化は、ニューロン内を伝わり、次のニューロンと隙間（シナプス間隙）を隔てて面するニューロンの末端に到達します。シナプス前末端と呼ばれるこの部位に活動電位が伝わると電位依存性カルシウムチャネルが開口し、カルシウムイオンが流入します。カルシウムイオンはチャネルの中心から波紋状に拡散し、シナプス小胞と呼ばれる神経伝達物質を含有する小包にぶつかります。カルシウムイオンが小胞上のセンサータンパク質に結合すると、これが引き金となって、小胞がシナプス前末端の細胞膜と融合し、次のニューロンに向かって神経伝達物質をシナプス間隙に放出します。
このようなメカニズムは良く知られているものの、カルシウムが電位依存性チャネルから小胞への拡散移動する様式については明らかではありません。シナプス前末端の活性部位全体にチャネルが分布しているとみなす研究者もいれば、チャネルが輪状に個々の小胞を囲むと提唱する者もいます。そのため、高橋教授のプロジェクトではまず電子顕微鏡を用いて実験を行い、前シナプスの細胞膜を凍結した後に割断することで、カルシウムチャネルを割断面に露出させました（図１）。その結果、チャネルは複数集まってクラスターを形成しており、クラスターを構成するチャネルの個数はクラスターごとに異なっていることがわかりました。
次に、チャネルクラスターが情報伝達に与える影響を特定するため様々な実験を行い、シミュレーションを行った結果、多数のカルシウムチャネルから構成されるクラスターではその近くの小胞から神経伝達物質が放出される効率が高くなるという結論に達しました。重要なのは、小胞近くに位置するチャネルクラスターは、小胞から遠いクラスターよりも速やかに、かつ効率的に神経伝達物質の放出を引き起こし、信号の精度と効率を高めるということです。 「小胞上のカルシウムセンサーが小胞からの伝達物質放出を誘発するには、高濃度のカルシウムが必要ですが、小胞から離れたチャネルから到達するカルシウムは拡散や他のタンパク質との結合により濃度が低くなります」と、高橋教授は述べました。
さらに、高橋教授と共同研究者は実験用ラットを用い、このチャネルと小胞との間の距離が、個体が発達するにつれてどのように変化するのか、また、この距離の変化が情報伝達にどのような影響を与えるのかを調べました。すると、ラットが生後7日目から14日目へと成熟するにつれて、電位依存性チャネルと小胞の間の距離は30ナノメートルから20ナノメートルに短縮することが分かりました。同教授は、「このチャネル小胞間の距離の短縮は著しい生後発達変化で、成熟したラットではカルシウムがシナプス前末端に流入した後、はるかに迅速に小胞からの放出が起きることを示し、信号伝達の速度は30％も上がります」と、説明しました。
この結果に基づいて高橋教授らは神経科学研究に普遍的に応用可能な外縁放出モデルを提唱しました（図２）。このモデルでは、カルシウムチャネルがクラスターの形で存在し、小胞上のカルシウムセンサーはチャネルクラスターから様々な距離に存在することを前提として、両者間の距離を測定する方法を提案するものです。 「クラスターの中心から距離を測ると、クラスターのサイズによって測定距離が変わってしまいます」と、同教授は説明します。そのため、電位依存性チャネルクラスターと小胞の間の距離の測定は、クラスターの中心からではなくクラスター外縁を起点として測定することを提案しています。この新しいモデルに基づいて計算した距離を用いれば、生後発達と共に情報伝達の精度が上昇することが説明できます。
「逆に、何らかの原因でこの距離が拡大すると神経情報系の精度が低下する結果、記憶形成をはじめとする中枢神経機能が妨げられる可能性があります」と、高橋教授は語りました。
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本研究は、独立行政法人科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業（CREST）の一環として行われました。
Journal
Neuron