• イノシトール三リン酸（IP₃）受容体の欠損により樹状突起形成に異常が発生
• IP₃受容体からのカルシウム放出が樹状突起形成に重要な神経栄養因子の発現を調節
• プルキンエ細胞の樹状突起の形成制御は、顆粒細胞中のIP₃受容体を介して行われる

1.

背　景

脳は、神経細胞同士が結びつき、巨大なネットワークを形成することにより、学習や記憶、運動の制御といった、さまざまな機能を発揮します。ネットワークの構築に重要な働きを果たす神経細胞は、樹状突起、細胞体（細胞本体）、軸索の３つの部分から成り立っており、軸索の先端にあるシナプスを介して、別の神経細胞とつながり合っています。外部からの刺激は、樹状突起が受け取り、神経細胞内で電気信号に変換され、軸索を通り、軸索の末端に達するとグルタミン酸などの神経伝達物質を放出し、この神経伝達物質を次の神経細胞が受け取ることで、情報を伝達します（図１）。 　一方、カルシウムは、細胞内の情報伝達物質として非常に重要な働きをしています。しかしながら、その機能を発揮するためには、適切な濃度とその時間的変化が大切であり、多大なカルシウム上昇は細胞を死に至らすことが知られています。イノシトール3リン酸（IP3）受容体は、細胞内のカルシウム貯蔵庫にあるイオンチャネルで、細胞外の刺激に応じて貯蔵庫からカルシウムを放出し細胞内カルシウムの濃度を変化させる大切な分子の一つです。これまでこのIP3受容体には、3種類のタイプがあることが明らかになっており、このうちタイプ１のIP3受容体（IP3R1）は、脳の神経細胞で非常に多く発現しています。 　研究グループは、1996年に遺伝子組み換え技術を用いて、IP3R1を欠失したマウスを作成し、この組み換えマウスが小脳失調やてんかんを起こすこと、記憶のモデルとされる神経可塑性に異常があることを発見しています。しかしながら、これまでIP3R1を欠損したマウスの神経樹状突起の伸展に異常があるかどうかはまったく明らかにされていませんでした。

2.

研究手法と成果

研究グループは、まず初めに、野生型のマウスとIP3R1を欠損した組み換えマウス、それぞれの小脳にある細胞を培養しました。培養した細胞中には、小脳の主要な神経細胞であり、樹状突起が発達しているプルキンエ細胞のほか、数種類の神経細胞とグリア細胞が含まれています。培養したプルキンエ細胞の樹状突起の伸展の異常の有無を調べた結果、IP3R1を欠損した組み換えマウス由来のプルキンエ細胞は、野生型のものに比べ、樹状突起の枝分かれが少なく、また長く伸びていることが分かりました（図2）。 　次に培養細胞中のどの細胞にあるIP3R1が、プルキンエ細胞の樹状突起伸展を調節しているかを明らかにすることにしました。その際、二つの仮説を立てました。一つ目は、プルキンエ細胞にあるIP3R1が、自身の樹状突起伸展を制御する仮説。二つ目は、プルキンエ細胞以外の細胞にあるIP3R1が、細胞間のコミュニケーションを介してプルキンエ細胞の樹状突起の伸展を制御するという仮説です（図3A）。 　この二つの仮説を調べるために、研究グループでは、野生型の細胞とIP3R1欠損型の細胞を混ぜて培養するという、非常に単純な実験を行いました。つまり、この実験系では、野生型とIP3R1欠損型のプルキンエ細胞の周りの環境はどちらも同じであり、もしプルキンエ細胞自身のIP3R1が樹状突起の伸展に重要であれば、もともとIP3R1が非常に多く発現している野生型のプルキンエ細胞とIP3R1欠損型のプルキンエ細胞との樹状突起の伸展に差が出るはずです。ところが、野生型とIP3R1欠損型のプルキンエ細胞の樹状突起の伸展には差が無くなりました。（図3B）。つまり、この結果は、プルキンエ細胞以外の培養細胞中にあったIP3R1が、細胞間のコミュニケーションでプルキンエ細胞の樹状突起の伸展を制御していることを示唆しています。 　次に、プルキンエ細胞に情報伝達する主な神経細胞の一つである顆粒細胞がプルキンエ細胞樹状突起伸展制御に関わる可能性を調べました。まず顆粒細胞に3種類のIP3受容体の内、今まではあまり存在していないと考えられていたIP3R1が一番多く発現していることを明らかにしました（図4A）。 　顆粒細胞は、細胞外刺激に応じて、樹状突起伸展に重要な働きをする神経栄養因子の一つ「BDNF」を産生することが知られています。また一方、この細胞外刺激がIP3R1を介してカルシウムを放出する可能性があることから、カルシウム放出とBDNFの発現の関係に着目しました。その結果、IP3R1を欠損した組み換えマウスの顆粒細胞では、細胞外刺激に応じたカルシウム貯蔵庫からのカルシウムの放出がほとんどないことが分かり、また刺激に応じたBDNFの発現上昇も少ないことを明らかにしました（図4B,C）。さらにこの結果をもとに、BDNFをIP3R1欠損型の小脳の培養細胞に添加すると、IP3R1欠損型のプルキンエ細胞の樹状突起伸展は正常に戻ることも分かりました（図4D）。 　さらに研究グループでは、実際のマウスの小脳においてプルキンエ細胞の樹状突起の形態を明らかにすることにしました。プルキンエ細胞に蛍光物質をいれて特殊な顕微鏡で樹状突起を可視化して観察した結果、野生型のプルキンエ細胞が非常に整然とした美しい樹状突起伸展を示すのに対し、IP3R1欠損型のプルキンエ細胞の樹状突起伸展は大きく乱れていることを発見しました（図5A）。これは樹状突起の枝分かれが減少していることが原因の一つと考えられ、上記の培養細胞を用いた知見と一致しました。また、電子顕微鏡による観察の結果、IP3R1欠損型の小脳顆粒細胞の軸索の末端には、神経伝達物質を含むと思われる顆粒が異常に蓄積していることが分かり、顆粒細胞とプルキンエ細胞間のコミュニケーションに異常があることを示唆しています（図5B）。 　また、神経栄養因子のBDNFが軸索末端からの神経伝達物質の放出を調節するという以前の研究の知見と合わせると、顆粒細胞でIP3受容体を介して作られたBDNFが、顆粒細胞自身の軸索に作用して神経伝達物質の放出を制御していると考えられます（図6）。

3.

今後の期待

研究グループは、生体内でプルキンエ細胞の樹状突起の伸展が、小脳顆粒細胞に発現するIP3R1を介して、細胞間の情報伝達を制御していることを初めて明らかにしました。今後は、IP3受容体を介した貯蔵庫からのカルシウム放出の下流で、BDNFの発現を調節している詳細な分子メカニズムが解明されることが期待されます。また、今回示したIP3受容体を介した神経樹状突起の伸展制御機構が、他の脳領域の神経細胞にも共通する現象なのかどうかも明らかにする必要があります。 　一方、以前から培養細胞を用いて示唆されているIP3受容体が神経細胞の軸索伸展やガイダンスに重要な働きをするという現象に関しては、既存のIP3受容体欠損マウスには明らかな異常が見られていません。その一つの可能性として、3種類のIP3受容体が、相互に他のIP3受容体の欠損を補っていることが考えられます。今後は、たくさんある神経細胞のうち、ある一部の神経のIP3受容体を無くしたマウスや、IP3受容体の3種類をすべて欠損したマウスを作成し、それぞれの神経のIP3受容体が脳における神経ネットワークの形成、記憶や学習などの複雑な脳機能にどのような働きをしているのかが、総合的に明らかにされることが期待されます。

<補足説明>

※1	イノシトール三リン酸（IP3）受容体
	細胞内のカルシウム貯蔵庫の一つである小胞体膜上に存在するカルシウム放出チャネル。細胞外情報物質(ホルモンや神経伝達物質など)であるイノシトール三リン酸（IP3）が、細胞膜にある受容体に結合することでチャネルが開き、小胞体内のカルシウムを細胞質に放出する。IP3受容体のカルシウム放出活性は低濃度のカルシウムで活性化され、高濃度で抑制される。
※2	小脳
	運動や平衡感覚の調節の中枢。
※3	プルキンエ細胞
	小脳皮質に一層に並ぶ大型の神経細胞。小脳の中で唯一の出力細胞。
※4	神経栄養因子
	神経細胞の生存や機能の維持に重要なタンパク質の一つ。
※5	BDNF
	Brain-Derived Neurotrophic Factor（脳由来神経栄養因子）の略。

図1 神経細胞の構造

樹状突起、細胞体、軸索の３つの部分からなる。細胞体が本体で、樹状突起（入力部分）から刺激を受け、その刺激を軸索（出力部分）からシナプス（情報伝達部分）を介して次の神経に伝えることで、神経ネットワークを形成する。

図2 IP3受容体タイプ１（IP3R1）を欠損したプルキンエ細胞の樹状突起伸展異常

プルキンエ細胞に発現するカルビンデインタンパク質を抗体で染色してある。IP3R1を欠損したプルキンエ細胞の樹状突起は長くなり、また分岐数が野生型のものに比べ少ない。 注意：図では、プルキンエ細胞のみが標識してあるが、その周りにはたくさんのほかの種類の細胞が存在する。

図3 プルキンエ細胞以外の細胞にあるIP3R1によるプルキンエ細胞樹状突起伸展の制御

（A）	IP3R1がプルキンエ細胞の樹状突起形成を制御する二つの可能性。

（仮説１）	プルキンエ細胞にあるIP3R1が自身の樹状突起伸展を制御する場合。
（仮説２）	プルキンエ細胞以外の細胞XにあるIP3R1がプルキンエ細胞の樹状突起伸展を制御する場合。

（B）	野生型の細胞とIP3R1を欠損した細胞を混ぜて培養し、周りの環境を同じにすると、野生型とIP3R1欠損型のプルキンエ細胞の形態に差が無くなる。これは、プルキンエ細胞以外の細胞にあるIP3R1がプルキンエ細胞の樹状突起伸展に重要な働きをすることを示唆する。

図4 顆粒細胞にIP3R1が発現し、細胞内カルシウム貯蔵庫からカルシウムを放出する
（A）	顆粒才能にIP3R1が発現する。矢印がIP3R1タンパク質であり、IP3R1欠損マウスにはこのタンパク質が見られない。
（B）	刺激に応じたカルシウム貯蔵庫からのカルシウムの放出が、野生型の顆粒細胞にはあるが、IP3R1欠損型の細胞には見られない。
（C）	刺激に応じた神経伝達物質のBDNFの発現がIP3R1欠損型の顆粒細胞は野生型に比べて少ない。
（D）	BDNFを与えると、IP3R1欠損型プルキンエ細胞の異常な形態は正常に戻り、野生型のようになる。

図5 野生型とIP3R1欠損型マウスのプルキンエ細胞の生体内での形態
（A）	IP3R1欠損型プルキンエ細胞は、分岐数が減っており、樹状突起の全く無い領域が存在する。
（B）	プルキンエ細胞と顆粒細胞のシナプスの電顕像。IP3R1欠損型の顆粒細胞の神経終末は、肥大し中にたくさんの神経伝達物質を含んだ粒が見られる。これは、顆粒細胞からプルキンエ細胞への情報伝達がうまくいっていないことを意味する。

図6 今回の研究で予想されるIP3R1を介したプルキンエ細胞の樹状突起の形成制御

顆粒細胞にあるIP3R1は、細胞外刺激によりカルシウムを貯蔵庫から放出する。その結果、神経栄養因子のBDNFが作られる。顆粒細胞で作られたBDNFは、自身の軸索終末に作用してグルタミン酸の放出を増大させる。プルキンエ細胞は、顆粒細胞からのグルタミン酸を情報として、樹状突起の形成を行う。