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2019年2月 5日 (火)

やぶにらみ生物論121: 化学シナプスの発見とカルシウムチャネル

シナプスといえば、通常は図1のような化学シナプスを意味しますが、広義では前稿(1)のようなギャップ結合も含まれます。この様な場合、ギャップ結合は電気シナプス、軸索先端と樹状突起・筋肉などが接する通常のシナプスは化学シナプスと呼ばれることになります。ギャップ結合ではイオンや電子は細胞間のトンネルを拡散によってダイレクトに往来しますが、化学シナプスでは細胞と細胞で神経伝達物質を受け渡しするという複雑なプロセスを経て情報が伝わります。

心臓の拍動のように生まれてから死ぬまで同じことをやっているのなら、ギャップ結合での伝達で大丈夫かもしれませんが、その心臓にしても運動すれば拍動を増やさなければなりません。そしてやめれば元に戻す必要があります。睡眠時・冬眠時には拍動は低下します。新たな記憶を蓄積し、日々中身が変化していく脳では、とてもギャップ結合だけではやっていけません。

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化学シナプスの存在を予言したのはカハール(図1)で、その後デ・ロバーティスやパラーデの電子顕微鏡を用いた研究によってその実在が形態学的に証明されました(2)。さらにシナプスにおける情報伝達が、なんらかの水溶性化学物質で行なわれていることを証明したのはオットー・レーヴィです(図2)。

レーヴィはストラスブルク大学の医学部を卒業後いったん臨床医になりましたが、あまりに多くの患者の死を見て自分が無力であることを思い知らされ、臨床医をやめて基礎医学を志しました(3)。

彼はユダヤ系のドイツ人ですが、1902年にオーストリアのグラーツ大学に職を得て、そこで図2の重要な実験を行ない、1921年に発表しました。彼は2匹のカエルから心臓を取り出し、片方には迷走神経をつけたまま、片方は迷走神経を取り除いた状態にしました。両者ともリンゲル液(ナトリウム、カリウム、カルシウムを含む生理食塩水)に浸し、迷走神経に電気刺激を与えると心臓の拍動が低下しました。そしてそのときに心臓をひたしていた液を吸い取り、別のリンゲル液に浸しておいた迷走神経を除去した心臓に滴下するとやはり心臓の拍動が低下することを発見しました。

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レーヴィの実験結果は、迷走神経の刺激によってリンゲル液に溶け出した水溶性の化学物質に、心臓の拍動を低下させる活性があることを意味します。後にこの物質はデイルによってアセチルコリンであることが証明されました。神経伝達物質の発見です。これらの業績によってレーヴィとデイル(図2)は1936年のノーベル生理学医学賞を受賞しました(4)。

レーヴィは運の良い人で、彼の実験は迷走神経の働きが活発な冬のカエルを用いた場合だけ再現できることがあとで分かりました(5)。夏に実験していたらこの発見はなかったことでしょう。

その運の良いはずのレーヴィはその後とんでもない不運に遭遇します。ノーベル賞受賞の2年後にドイツ軍がオーストリアに侵攻し、レーヴィは逮捕されてポストや財産をすべて剥奪されることになりました。しかしなんとか収容所送りは免れ、米国に亡命して1961年に亡くなるまでニューヨークで暮らしました。

バーナード・カッツ(図3)もオットー・レーヴィと同じくユダヤ系のドイツ人でしたが、彼はライプチッヒ大学の医学部を1934年に卒業すると、いちはやく英国に実質亡命し、ロンドン大学で研究を行ないました(6)。その後オーストラリアに移住し、シドニーでエクレスとカフラーという共同研究を得ました。カッツは彼らと共に、アセチルコリンエステラーゼの阻害剤であるエゼリンを用いた実験で、筋収縮が神経筋接合部からの電気刺激によって直接おこるのではなく、神経筋接合部(シナプス)での神経伝達物質の作用によって間接的に活動電位が発生することを示し、レーヴィとデイルの理論を実証しました(7、8)。

カッツはその後オーストラリア国籍を獲得し、第二次世界大戦中はオーストラリア空軍に入隊しました。ニューギニアで航空管制部隊の将校として、日本航空部隊によるポートモレスビーやダーウィン攻撃をレーダーで監視していたようです。戦後ロンドンに戻って研究に復帰しました(8)。

カッツの最大の業績はシナプス前細胞において、神経伝達物質が袋に包まれて保管されており、それが袋単位で膜から放出されてシナプス後細胞を興奮させる役割を持っていることを示したことです(9、10)。文献10にはシナプス前細胞に多数のシナプス小胞が存在することを示す電子顕微鏡写真が掲載されています。カッツのアイデアはその後多くの研究者によって実証され、図3のようなシナプスの模式図が描かれるようになりました。カッツは1970年にノーベル生理学医学賞を受賞しています。

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ニューロン軸索での電気的情報移動は主としてナトリウムチャネルの働きによるものですが、ニューロン末端での化学的情報移動においては主役がカルシウムチャネルに変わります。このメカニズムはウィキペディアで簡潔にまとめてあるので、コピペしておきます(11)。

1.前シナプス細胞の軸索を活動電位が伝わり、末端にある膨らみであるシナプス小頭に到達する。
2.活動電位によりシナプス小頭の膜上に位置する電位依存性カルシウムイオンチャネルが開く。
3.するとカルシウムイオンがシナプス内に流入し、シナプス小胞が細胞膜に接して神経伝達物質が細胞外に開口放出される。
4.神経伝達物質はシナプス間隙を拡散し、後シナプス細胞の細胞膜上に分布する神経伝達物質受容体に結合する。
5.後シナプス細胞のイオンチャネルが開き、細胞膜内外の電位差が変化する。

図3で興味深いのは、シナプス間隙に放出された神経伝達物質のうち、シナプス後細胞にトラップされなかった余剰分子は、シナプス前細胞の自己受容体や能動的再吸収で回収されるという機構の存在です。これは単にもったいないから再利用しようというだけでなく、拡散によって周囲のニューロンに影響を与えるとノイズになってしまうからだと思われます。

カルシウムは昔から筋収縮に必要であることは知られていました。このあたりの話は江橋節郎の自伝にいろんなエピソードが書かれてあり、楽しく読ませていただきました(12)。そのなかでリンゲル液で有名なリンゲルが、早くも1883年に筋収縮にカルシウムが必要であることを示す実験をやっていたことが書いてあります。またポツラーがカルシウムキレート剤によって筋肉が弛緩することを発見したとも記されてあります。

細胞内のカルシウムイオン濃度は通常10の-8乗から-7乗モルという非常に低い濃度ですが、血清中の濃度は10の-3乗モルという高濃度であり、この著しい濃度差をカルシウムチャネルが維持しているわけです(13)。活動電位が神経末端に到達すると、カルシウムチャネルが開いて一気にカルシウムが細胞内に流入するわけです。この電位依存性カルシウムチャネルの構造は、ウィリアム・キャテラルらが中心となって解明しました(14、図4、図5)。

骨格筋のカルシウムチャネルはα1、α2、β、γ、δ の5つのサブユニットからなり、α2とδはSS結合で共有結合しています。カルシウムの通り道となるチャネル自体は膜貫通α1サブユニットにより形成され、δ は細胞外、β は細胞内にあります。このほか膜を貫通するα2とγ がα1に隣接しています(図4)。

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α1サブユニットは6回づつ膜を貫通するドメインを4つ持つ、アミノ酸の数約2000で分子量190キロダルトンの巨大タンパク質です(図5)。β サブユニットとγ サブユニットはどちらも4つのαヘリックス部位を持っていますが、γ が膜を4回貫通しているのに対して、β は一度も貫通せず、細胞内に存在します(図5)。脳神経系におけるカルシウムチャネルの構造もこれに類似していますが、γ  サブユニットについてはチャネルに含まれるかどうかまだ議論があるようです(14)。

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β サブユニットやα1サブユニットの細胞内領域は神経伝達物質の放出制御、シナプス小胞の移動、遺伝子発現の調節などに関与しているとされています。例えばβサブユニットはRIM1という足場タンパク質と結合し、RIM1がシナプス小胞のタンパク質Rab3に結合することが報告されています(15)。このことはカルシウムチャネル複合体が、シナプス小胞を膜近傍に引き寄せる働きを持っていることを示唆しています。シナプス小胞が膜に接近すれば、エキソサイトーシス機構によって神経伝達物質がシナプス間隙に放出されます(図6)

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図7はシナプス前後細胞の電子顕微鏡写真です(16)。シナプス前細胞に多数のシナプス小胞が蓄積されていることがわかります。シナプス後細胞のシナプス側には非常に電子密度の高い部分がありますが、これは神経伝達物質を受け取り、細胞内に取り込む機構が集積しているためと思われます(図7)

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図7は神経と神経の接合部ですが、図8は神経と筋肉の接合部です。同じシナプスですが、その構造には違いがあります。左の電子顕微鏡写真をみると筋細胞のシナプス領域には、効率よく神経伝達物質をトラップするためと思われる多数のひだがみられます(図8)。神経伝達物質が取り込まれることによって、ナトリウムチャネルが開いて活動電位が発生し、筋収縮の引き金が引かれます(17)。

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参照

1)http://morph.way-nifty.com/grey/2019/01/post-b533.html

2)http://morph.way-nifty.com/grey/2018/04/post-a2b0.html

3)ウィキペディア:オットー・レーヴィ
https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_Loewi

4)Otto Loewi, Novel lecture: The Chemical Transmission of Nerve Action.
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1936/loewi/lecture/

5)Elliot S. Valenstein, The Discovery of Chemical Neurotransmitters., Brain and Cognition vol. 49, pp. 73–95 (2002)
doi:10.1006/brcg.2001.1487
https://pdfs.semanticscholar.org/f7ba/4a5c744019d8e93347a9a04991d8d729a2f7.pdf#search=%27Walter+Dixon

+neurotransmitter%27

6)Sir Bernard Katz, Biographical
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1970/katz/biographical/

7)JC Eccles, B Katz, and SW Kuffler., Effect of eserine on neuromuscular transmission. J. Neurophys., vol.5, no.3, pp. 211-230

(1942)
https://www.physiology.org/doi/abs/10.1152/jn.1942.5.3.211?journalCode=jn

8)Bert Sakmann, Sir Bernard Katz: 26 March 1911 - 20 April 2003., Biogr Mem Fellows R Soc. vol. 53., pp. 185-202. (2007)
https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsbm.2007.0013

9)J del Castillo and B Katz., La base ‘quantale’ de la transmission neuromusculaire. Colloques Int. C.N.R.S. vol. 67, pp. 245–

256. (1957)

10)R. Birks, H. E. Huxley, and B. Katz., The fine structure of the neuromuscular junction of the frog., J Physiol., vol. 150(1):

pp. 134–144. (1960)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1363152/pdf/jphysiol01288-0154.pdf

11)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%8A%E3%83%97%E3%82%B9

12)江橋 節郎: カルシウムと私
http://brh.co.jp/s_library/interview/12/

13)千勝典子、松本俊夫: カルシウム代謝とその調節
http://www.nara-gyunyuya.com/contents/ca/15.htm

14)William A. Catterall、Voltage-Gated Calcium Channels., Cold Spring Harb Perspect Biol 2011;3:a003947 (2011)
doi: 10.1101/cshperspect.a003947
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3140680/pdf/cshperspect-CAL-a003947.pdf

15)清中茂樹,瓜生幸嗣,三木崇史,森泰生、神経伝達物質放出におけるCa2+チャネル複合体形成の生理的意義
生化学 第80巻 7号 pp.658-661 (2008) 
http://www.jbsoc.or.jp/seika/wp-content/uploads/2013/11/80-07-08.pdf

16)Zacharie Taoufiq, OIST2013
https://www.oist.jp/ja/news-center/photos/11850

17)Neuromuscular junction (wikipedia)
https://en.wikipedia.org/wiki/Neuromuscular_junction

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