続・生物学茶話２４６： シナプス前細胞のアクティヴゾーン

電子顕微鏡でシナプスを見るとシナプス後細胞の細胞膜の電子密度が高いということは、２０世紀の半ば頃から知られていました（１）。これは後に postsynaptic density と呼ばれるようになりますが、この日本語訳「シナプス後肥厚」というのは、どうして density を肥厚と訳したのかがわかりません。英語とは関係なく命名したのかもしれません。

確かに図２４６－１を見ても、シナプス後細胞の高密度領域は明らかにわかります。一方でそれに対面するシナプス前細胞の部分にも、後細胞ほど分厚くはありませんが確かに高密度領域は存在します。シナプス後細胞の場合神経伝達物質の受容体とそれを固定するタンパク質集合体が細胞骨格（スキャフォールド）で固定されているような構造が推測されますが、シナプス前細胞の場合、細胞膜は頻繁にエキソサイトーシスを行っているので流動的で、それでも高密度であるということは多くのタンパク質がここに集中して作業しているに違いありません。

図２４６－１　シナプスの電子顕微鏡写真 (wikipedia: postsynaptic density より）

前回（２４５）の内容から考えて、カルシウムチャネル、ＳＮＡＲＥ複合体、ＭＵＮＫ、ＲＩＭなどがシナプス前細胞のアクティヴゾーンに集積すると思われますが、もう少し詳しく見ていきましょう。シナプス前細胞は電位変化の情報がくるとミリ秒単位の短時間で神経伝達物質を放出しなければなりません。そのためにはあらかじめ準備を万端整えておく必要があります。エンペラドール=メレロとケーザーはカルシウムチャネル、ＳＮＡＲＥ複合体以外の、あらかじめ準備されているタンパク質のセットを図２４６－２のようにまとめています（２）。

図２４６－２　カルシウムチャネルとＳＮＡＲＥ複合体以外のシナプス前細胞のアクティヴゾーンを構成するタンパク質複合体

ここには今まで言及していないタンパク質がいくつか登場しています。まず楽器の名前がつけられた Piccolo/Bassoon は類似した部分を持ち関連性がある非常に巨大なタンパク質で、Piccolo の分子量は約５５万ダルトン、Bassoon は約４２万ダルトンです。両者はアクティヴゾーンでスキャフォールドを形成する構造タンパク質ですが、それぞれ別の機能も持っており、特に Piccolo がアクチンと結合していることは重要だと思われます（３、４）。

ELKS はPiccolo/Bassoon、Liprinα、Rim1αなどと結合するドメインを持っており（図２４６－２）、少なくともこれらのタンパク質の立体配置に重要な役割を果たしていると思われます。Liprinαは mDia の活性を抑制することを通じて、アクチン線維の形成に関与しているようです（５）。また RIM と RIM-BP は電位依存性カルシウムチャネルと共に疎水性で相分離を起こすような集合体を形成し、小胞体を細胞膜近辺にとどめる役割を果たしているようです（６、７、図２４６－３のＢの部分）。この１つの相をコンデンセートと呼び、Ｂはすぐにエキソサイトーシスで神経伝達物質を放出できる状態にあるシナプス小胞が集合している状態とされています。ただ図２４６－３のようにはっきりしたＡ相、Ｂ相、それ以外の部分というような境界があるかというと、私にはまだ信じられません。

図２４６－３　コンデンセート説

図２４６－４はウィキペディアの active zone という項目（８）に掲載されてあった図で、とりあえず報告されているタンパク質とそれらの関係をまとめたものです。このようなイメージで最終的に良いのか（正しいのか）どうかはわかりませんし、すべてが網羅されているわけでもありませんが、関係タンパク質を一覧するには便利かもしれないので貼っておきます。スペクトリンがＶＤＣＣと結合するという論文は、アンキリンを介してというもの以外はみつかりませんでした。

図２４６－４　アクディヴゾーンのタンパク質複合体（ウィキペディアの模式図）

図２４６－５は参照文献２などを参考に調べた結果ですが、やはり哺乳類が保有するアクティヴゾーンのタンパク質とホモローガスなタンパク質を線虫(C.elegance)もショウジョウバエ(D.melanogaster)も保有しています。前回（２４５）のシンタキシンでもわかるように、アクティヴゾーンにおけるシナプス小胞の集積と高速で行われるエキソサイトーシスをサポートするメカニズムは、これらの生物が分岐する以前のエディアカラ紀あるいはそれ以前に確立されていて、今生きている生物はそれをわずかな適応と改良を重ねてはいるものの、数億年の間基本的に引き継いでいることは明らかです。

図２４６－５　マウス、線虫、ショウジョウバエにおけるシナプス前細胞アクティヴゾーンタンパク質　名前は別々に命名されていますがホモロジーがあり、各グループ（RIM, Liprin, ELKS/CAST, Munk13）は同根のタンパク質とされています

参照

１）Sanford L. Palay, SYNAPSES IN THE CENTRAL NERVOUS SYSTEM, J Biophys Biochem Cytol. vol.2(4): pp.193-202. (1956)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2229686/

２）Javier Emperador-Melero and Pascal S Kaeser, Assembly of the presynaptic active zone., Current Opinion in Neurobiology vol.63: pp.95–103 (2020)
DOI: 10.1016/j.conb.2020.03.008
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32403081/

３）Fenster, Steven D.; Kessels, Michael M.; Qualmann, Britta; Chung, Wook J.; Nash, Joanne; Gundelfinger, Eckart D.; Garner, Craig C., Interactions between Piccolo and the actin/dynamin-binding protein Abp1 link vesicle endocytosis to presynaptic active zones. The Journal of Biological Chemistry. vol.278 (22): pp.20268-20277 (2003) doi:10.1074/jbc.M210792200
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12654920/

４）Eckart D. Gundelfinger, Carsten Reissner and Craig C. Garner,
Role of Bassoon and Piccolo in Assembly and Molecular Organization of the Active Zone., Frontiers in Synaptic Neuroscience., vol.7, article 19, (2016)
doi: 10.3389/fnsyn.2015.00019
https://www.frontiersin.org/journals/synaptic-neuroscience/articles/10.3389/fnsyn.2015.00019/full

５）Satoko Sakamoto, Shuh Narumiya & Toshimasa Ishizaki, A new role of multi scaffold protein Liprin-α. Liprin-α suppresses Rho-mDia mediated stress fiber formation., BioArchitecture vol.2, Issue 2 (2012)
https://doi.org/10.4161/bioa.20442
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.4161/bioa.20442

６）細川智永　シナプス伝達と可塑性を担うタンパク質の集合と区画化　
Journal of Japanese Biochemical Society vol.94(4): pp.523-528 (2022)
doi:10.14952/SEIKAGAKU.2022.940523
https://seikagaku.jbsoc.or.jp/10.14952/SEIKAGAKU.2022.940523/data/index.html

７）Xiandeng Wu, Qixu Cai, Zeyu Shen, Xudong Chen, Menglong Zeng, Shengwang Du, Mingjie Zhang, RIM and RIM-BP Form Presynaptic Active-Zone-like Condensates via Phase Separation., Mol Cell vol.73(5): pp.971-984.e5. (2019)
doi: 10.1016/j.molcel.2018.12.007
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30661983/

８）Wikipedia: active zone
https://en.wikipedia.org/wiki/Active_zone