• 神経回路形成に必要な周りの細胞（グリア細胞）の成長を促すタンパク質「ＤＮＥＲ（デ ィナー）」の発見
• ＤＮＥＲの発現を抑えると小脳神経回路の発達が遅れる
• 神経回路を構成する多様な細胞を成熟させる新技術の開発、再生医療への応用が期待

1.

背　景

脳神経回路は、突起を伸ばして連結し合うニューロン（神経細胞）の電気信号の送受信により機能しますが、脳にはニューロンだけでなく、ニューロンより数〜十数倍の数のグリア細胞（※１）が存在しています。グリア細胞は、ニューロンの周りをグリア突起で被い、脳組織構築の支柱形成、ニューロンへの栄養供給、ニューロン間の信号伝達の補助などを行って、ニューロンの機能と生存を支えています（図１）。両者は発生中も密接に関係し、共通の幹細胞から誕生して互いの分化と成長を制御し合い、緻密な神経のネットワークを形成していきます。 　最近の研究では、神経幹細胞からのニューロンとグリアの分化に、Notchシグナル（※３）が重要な役割を果たすことが明らかになってきました。動物の生体や試験管内の神経幹細胞でNotchシグナルと呼ばれるタンパク質間の化学反応の伝達経路を活性化すると、ニューロンの分化が抑えられアストロサイトと呼ばれるグリア細胞の一種が過剰に分化します。逆にNotchシグナルを抑えるとニューロンが過剰に誕生することから、Notchシグナルは幹細胞からニューロンへの分化を抑え、アストロサイト（グリア細胞）の分化を促進すると考えられています（図２）。しかしNotchシグナルは、あらゆる組織の発生に不可欠であり、Notchシグナルの働きに関係する遺伝子を欠損させたノックアウト動物は、発生の初期に死に至るため、神経回路形成に実際にどのような機能を果たしているかは不明な点が多く残されています。 　これまでに研究グループは、分化した脳神経系ニューロンに特異的に発現するDNER遺伝子とそれにコードされる膜タンパク質を発見しています。分子構造と発現からDNERは、ニューロンと周囲の細胞との相互作用を通じて神経回路形成に関わるシグナル分子であることが推定されたため、DNERが関与するシグナルの実体と機能を解析することにしました。

2.

研究手法と成果

アミノ酸配列の解析で、DNERの構造にNotchシグナルの働きを活性化する基質タンパク質と類似点が認められたため、培養細胞を用いてDNERとNotchの相互作用の有無を検証しました。遺伝子操作によりDNER・Notchそれぞれを発現させた細胞を接触させると、両分子間で結合が起こり、Notchシグナルが活性化することが示され、DNERがNotchシグナルの基質として作用しうることが明らかになりました（図３）。 　実際に生体内で両者が結合しうるのか、発現分布を詳細に比較したところ、回路形成期の小脳で密接に相互作用する細胞で発現していました。DNERを発現する小脳の主要なニューロンであるプルキンエ細胞は、Notchを発現するバーグマングリアと呼ばれるグリア細胞の突起に覆われています（図４）。プルキンエ細胞の形態分化と機能発現には接触するバーグマングリアの支持が不可欠です。両細胞間でのDNER - Notchシグナルの生理的意義を検討するため、幼若マウスの小脳から未熟なバーグマングリアを採取してDNER存在下及び非存在下で培養しました。その結果、DNER存在下でバーグマングリアの突起が、DNERが非存在下の場合と比較して約２倍伸長する事が明らかになりました（図５左）。またこのDNERの効果は、バーグマングリアをNotchシグナルを抑制する薬剤で処理するか、Notchシグナルの活性化を阻害する突然変異分子を細胞内に強制的に発現させると消失しました。 　さらに、DNERの発現を抑えたマウスの小脳の形態を詳細に観察しましたところ、バーグマングリア突起に形成不全が見られ、小脳神経回路の発達が著しく遅れていることがわかりました（図５右）。これらの結果から、DNERがNotchシグナルを活性化してほ乳動物の脳で特異的に細胞分化を誘導し、ニューロンの機能に不可欠なグリアの成長を促す働きを持っている事が証明されました（図６）。

3.	今後の期待
	DNERは、魚類以上の脊椎動物の脳で、神経回路形成期の各種ニューロンに強く発現しており、小脳のみでなく広く脳神経系細胞の分化を調節し、脊椎動物の複雑な脳神経回路網の発達と進化に貢献してきた可能性があります。再生医療の分野では、疾病などにより脱落したニューロンを、試験管内で神経幹細胞から分化させ移植することが計画されています。しかしながら脳の正常な機能の回復には、複数種の細胞を含む神経回路を再構成させることが必要であり、今後の課題になってくると考えられます。本研究で新たに発見した神経系細胞分化の制御因子は、今後の脳再生医療研究にひとつの方向性を与えるものと期待されます。

<補足説明>

※1	グリア細胞
	神経系をつくる細胞のうちニューロンでないものの総称。脳神経系にはアストロサイト、オリゴデンドロサイト、ミクログリアなどが含まれる。それぞれの細胞種に特徴的な突起を伸ばしてニューロンがつくる神経回路を取り囲み、神経組織の支柱、ニューロンへの栄養供給と環境整備、信号伝達の修飾などの機能を担う。
※2	幹細胞・神経幹細胞
	外界の刺激に応じて様々な種類の細胞へ分化する多分化能を有し、また未分化な状態の幹細胞をつくる自己複製能を有する細胞のこと。神経幹細胞は、ニューロン（神経細胞）とグリア細胞へ分化する能力を有している状態の細胞のこと。外傷や疾病で損傷した組織を修復させる再生医療の材料として注目されている。
※3	Notchシグナル
	動物界で広く発生中の様々な細胞分化を制御する細胞間シグナル。幹細胞分化の重要な制御因子である。Notch遺伝子は細胞膜を貫通する受容体型膜タンパク質をコードする。Notchタンパク質の細胞外領域領域が特定の基質タンパク質と結合すると構造変化を起こし、細胞内のタンパク質を連鎖的に活性化して、細胞分化の引き金となる転写を引き起こす。これまで同定されたNotchと結合する基質は全て膜タンパク質で、細胞の接触によりシグナルが活性化する。
※4	DNER（読み：ディナー）
	ほ乳動物の脳神経系ニューロンにおいて、信号を受信する樹状突起膜に特異的に発現する膜タンパク質をコードする遺伝子として当研究チームが2002年に発見した。DNERタンパク質の分子量は約90 kDa（キロダルトン）。Delta/Notch-like EGF-related Receptorの略称。
※5	小脳
	脊椎動物で姿勢や運動を制御する中枢。主要ニューロンのプルキンエ細胞はアストロサイトの一種であるバーグマングリアの突起に覆われ、細胞形態の分化と維持、信号伝達の修飾を受けている。

（図１）グリア細胞の種類と機能

（図２）神経幹細胞分化におけるNotchシグナルの役割

（図３）DNERの構造とNotchシグナルの基質としての作用

（図４）DNERとNotchは小脳の隣接するニューロンとアストロサイトに発現する

（図５）DNER-Notchシグナルはバーグマングリアの成長を促進する

（図６）小脳発生におけるDNERの役割