アクティブゾーン

アクティブゾーン
典型的な中枢神経系のシナプスの図。活性領域のタンパク質は、上部ニューロン末端の暗褐色のピラミッドとして表される。
詳細
識別子
ラテン	活性帯
TH	H2.00.06.2.00012
微細解剖学の解剖学用語 [Wikidataで編集]

活性領域またはシナプス活性領域は、1970年にクートーとペコット・デシャヴァシネインが初めて使用した用語で、神経伝達物質が放出される部位を定義するものです。2つのニューロンはシナプスと呼ばれる構造を介して近接接触し、互いに通信できるようにします。隣の図に示すように、シナプスは、神経伝達物質を含む小胞を格納する1つのニューロンのシナプス前ボタン（図の一番上）と、神経伝達物質の受容体を持つ2番目のシナプス後ニューロン（一番下）で構成され、2つのニューロンの間にはシナプス間隙と呼ばれる隙間があります（シナプス接着分子SAMが2つを結合しています^[1]）。活動電位がシナプス前ボタンに到達すると、小胞の内容物がシナプス間隙に放出され、放出された神経伝達物質はシナプス間隙を越えてシナプス後ニューロン（図の下側の構造）に移動し、シナプス後膜上の受容体を活性化します。

活性領域は、シナプス前膜と活性領域細胞基質 (CAZ) と呼ばれるタンパク質の密集した集合体から成り、神経伝達物質の放出を仲介するシナプス前ボタンの領域です。電子顕微鏡で見ると、CAZ は膜に近い暗い (電子密度の高い) 領域として見られます。CAZ 内のタンパク質はシナプス小胞をシナプス前膜につなぎ、シナプス小胞の融合を仲介します。これにより、活動電位が到達したときに神経伝達物質が確実かつ迅速に放出されます。

アクティブゾーンの機能は、神経伝達物質がニューロンの特定の場所で確実に放出され、ニューロンが活動電位を発火した場合にのみ放出されるようにすることです。^[2]活動電位が軸索に沿って伝播すると、シナプス前ボタンと呼ばれる軸索末端に到達します。シナプス前ボタンでは、活動電位がカルシウムチャネル (VDCC) を活性化し、 カルシウムの局所的な流入を引き起こします。カルシウムの増加はアクティブゾーンのタンパク質によって検出され、神経伝達物質を含む小胞を膜と融合させます。この小胞と膜の融合により、神経伝達物質がシナプス間隙 (シナプス前ボタンとシナプス後膜の間の空間) に放出されます。その後、神経伝達物質は間隙を越えて拡散し、シナプス後膜上のリガンド依存性イオンチャネルとG タンパク質結合受容体に結合します。神経伝達物質がシナプス後受容体に結合すると、シナプス後ニューロンに変化が起こります。神経伝達物質が放出され、シナプス後受容体に結合してシナプス後ニューロンに変化を引き起こすプロセスを神経伝達と呼びます。

活性領域は、これまで調査されたすべての化学シナプスに存在し、すべての動物種に存在します。これまで調査された活性領域には、少なくとも 2 つの共通点があります。すべて、膜から突出して膜に近いシナプス小胞をつなぎとめるタンパク質の密な物質を持ち、膜から始まりシナプス前膜からわずかに離れた小胞で終わる長い糸状の突起を持っています。タンパク質の密な突起は、調査されたシナプスの種類に応じてサイズと形状が異なります。密な突起の顕著な例の 1 つはリボン シナプス (以下を参照) です。リボン シナプスには、シナプス小胞の輪に囲まれたタンパク質の密な物質の「リボン」があり、シナプス前膜に対して垂直に伸び、長さは 500 nm にもなります。^[3] グルタミン酸シナプスには、膜から約 50 nm 伸びる小さなピラミッドのような構造があります。^[4] 神経筋シナプスには、2列の小胞があり、その間には長いタンパク質性の帯があり、帯に対して垂直で膜と平行に伸びる規則的な間隔の水平リブにつながっています。これらのリブは、膜のペグ（おそらくカルシウムチャネル）の上に位置する小胞に接続されています。^{[5]以前の研究では、}グルタミン酸作動性ニューロンの活性領域には、非常に規則的なピラミッド型のタンパク質の高密度物質の配列が含まれており、これらのピラミッドはフィラメントで接続されていることが示されていました。この構造は、小胞が格子の穴に導かれる幾何学的な格子に似ていました。^[4] この魅力的なモデルは、最近の実験によって疑問視されています。最近のデータによると、グルタミン酸作動性活性領域には高密度タンパク質物質の突起が含まれていますが、これらの突起は規則的な配列ではなく、細胞質に約80nm突き出ている長いフィラメントが含まれています。^[6]

アクティブゾーンには、UNC13B /Munc13、RIMS1（Rab3相互作用分子）、Bassoon、Piccolo /aczonin、ELKS、およびliprins-αという少なくとも5つの主要な足場タンパク質が豊富に存在します。これらの足場タンパク質は、アクティブゾーンの高密度ピラミッド構造の構成要素であると考えられており、シナプス小胞をシナプス前膜とカルシウムチャネルに近づけると考えられています。タンパク質ELKSは、細胞接着タンパク質β-ニューレキシンや、複合体内のPiccoloやBassoonなどの他のタンパク質に結合します。^[7]次に、β-ニューレクシンはシナプス後膜にある細胞接着分子ニューロリジンに結合します。ニューロリジンは、シナプス後受容体に結合するタンパク質と相互作用します。 Piccolo/ELKS/β-ニューレキシン/ニューロリギンの間で見られるようなタンパク質相互作用により、小胞融合を媒介する機構がカルシウムチャネルに近接し、小胞融合がシナプス後受容体に隣接していることが保証されます。小胞融合とシナプス後受容体が近接しているため、シナプス後受容体の活性化と神経伝達物質の放出の間にほとんど遅延がありません。

神経伝達物質の放出は、神経伝達物質小胞がシナプス前膜に融合することで行われます。このメカニズムの詳細はまだ研究中ですが、プロセスの詳細のいくつかについてはコンセンサスが得られています。シナプス前膜とシナプス小胞の融合には、1 つの密接に関連するカルシウム チャネル^{[10]からのカルシウムの局所的増加 [ 9]} と、非常に安定したSNARE複合体の形成が必要であることが知られています。シナプス小胞融合の一般的なモデルの 1 つは、SNARE 複合体の形成が Munc18、Munc13、RIM などのアクティブ ゾーンのタンパク質によって触媒されるというものです。この複合体の形成は、小胞を「プライミング」して、小胞融合と神経伝達物質の放出 (以下を参照: 放出可能なプール) の準備を整えると考えられています。小胞がプライミングされた後、コンプレクシンがSNARE 複合体に結合します。これは「スーパープライミング」と呼ばれます。スーパープライミングされた小胞は、容易に放出可能なプール（下記参照）内にあり、すぐに放出される準備ができています。活動電位の到達により、SNARE/複合体複合体の近くの電位依存性カルシウムチャネルが開きます。次にカルシウムが結合してシナプトタグミンの構造が変化します。この構造変化により、シナプトタグミンは複合体を取り外し、SNARE複合体に結合し、標的膜に結合することができます。シナプトタグミンがSNARE複合体と膜の両方に結合すると、膜に機械的な力が誘導され、小胞膜とシナプス前膜が融合します。この融合により膜孔が開き、神経伝達物質が放出されます。孔は、小胞膜全体がシナプス前膜と区別できなくなるまで大きくなります。^{[11] [12] [13]}

シナプス前ボタンには、シナプス前膜に小胞を融合させて神経伝達物質を放出し、神経伝達物質小胞を再生する、効率的に調整されたプロセスがあります。シナプス小胞サイクルと呼ばれるこのプロセスにより、シナプス前ボタン内の小胞の数を維持し、シナプス終末が自律的なユニットになることができます。サイクルは、(1)ゴルジ体の一部が切り離されてシナプス小胞が形成され、この小胞がシナプス終末に輸送されることから始まります。終末では、(2)小胞に神経伝達物質が満たされます 。 (3)小胞は活性領域に輸送され、細胞膜の近くにドッキングします。 (4)活動電位中に、小胞は膜と融合し、神経伝達物質を放出し、小胞上に以前あった膜タンパク質が活動周辺領域に拡散できるようにします。 （５）膜タンパク質は活性領域周辺で隔離され、エンドサイトーシスされてクラスリン被覆小胞を形成する。（６）小胞はその後神経伝達物質で満たされ、活性領域へと輸送される。

エンドサイトーシス機構はエキソサイトーシス機構よりも遅い。つまり、激しい活動では末端の小胞が枯渇し、放出できなくなる可能性がある。シナプス小胞の枯渇を防ぐために、激しい活動中にカルシウムが増加すると、クラスリンを介したエンドサイトーシスに関与するタンパク質を脱リン酸化カルシニューリンが活性化される。[ 14 ^]

シナプスには、少なくとも 2 つのシナプス小胞クラスター、つまり、容易に放出可能なプールと予備プールが含まれています。容易に放出可能なプールはアクティブ ゾーン内に位置し、シナプス前膜に直接接続されていますが、予備プールは細胞骨格によってクラスター化されており、アクティブ ゾーンに直接接続されていません。

放出可能プールはアクティブゾーンにあり、シナプス前膜に直接結合しています。これはアクティブゾーン内のタンパク質によって安定化され、SNAREタンパク質によってシナプス前膜に結合しています。これらの小胞は、単一の活動電位によって放出される準備ができており、予備プールからの小胞によって補充されます。放出可能プールは、容易に放出可能なプールと放出可能なプールに細分化されることがあります。

予備プールは活性領域に直接つながっていません。シナプス前カルシウム濃度の上昇はカルシウム-カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼ（CaMK）を活性化します。CaMKはシナプシンというタンパク質をリン酸化します。シナプシンは予備プール小胞のクラスター化と細胞骨格への付着を媒介します。シナプシンのリン酸化により予備プールの小胞が動員され、活性領域に移動して容易に放出可能なプールを補充できるようになります。^{[15] [16]}

ペリアクティブゾーンはアクティブゾーンを取り囲み、シナプス前終末のエンドサイトーシスの場となっている。ペリアクティブゾーンでは、インターセクチン1などの足場タンパク質が、ダイナミン、クラスリン、エンドフィリンなどのエンドサイトーシスを媒介するタンパク質をリクルートする。 ^[17]ショウジョウバエ では、インターセクチンホモログであるDap160が神経筋接合部のペリアクティブゾーンに位置しており、変異型Dap160は高頻度刺激中にシナプス小胞を枯渇させる。^[18]

リボンシナプスは、光受容細胞、網膜双極細胞、有毛細胞などの感覚ニューロンに見られる特殊なタイプのシナプスです。リボンシナプスには、シナプス前膜に垂直な小胞の配列をつなぎとめる高密度のタンパク質構造が含まれています。電子顕微鏡写真では、膜に垂直なリボンのような構造として表示されます。「従来の」シナプスとは異なり、リボンシナプスは小胞の段階的な放出を維持できます。言い換えると、ニューロンの脱分極が進むほど、小胞融合の速度が速くなります。リボンシナプスの活性領域は、アーキフォーム密度とリボンの 2 つの領域に分かれています。アーキフォーム密度は小胞融合の場所であり、リボンは放出可能な小胞のプールを格納します。リボン構造は主にRIBEYEタンパク質で構成されており、リボン体積の約64～69%を占め、ファゴットなどの足場タンパク質によってアーキフォーム密度に固定されています。^[19]

神経伝達物質の放出は、シナプス前ニューロンで活動電位を誘発した後、シナプス後電位の振幅を測定することによって測定できます。この方法で神経伝達物質の放出を測定すると、放出された同じ量の神経伝達物質に対するシナプス後ニューロンの影響が時間の経過とともに変化する可能性があるため、問題が発生する可能性があります。別の方法は、パッチピペットを使用してシナプス前膜との小胞融合を直接測定することです。細胞膜は、正イオンと負イオンが膜の両側に蓄えられるコンデンサーと考えることができます。膜の面積が大きいほど、膜を特定の電位に保つために必要なイオンが多くなります。電気生理学では、これは、端子への電流注入により、小胞融合前の方が、小胞融合後よりも膜を所定の電位に充電するのにかかる時間が短いことを意味します。膜を電位に充電するまでの時間経過と膜の抵抗を測定し、これらの値を使用して、膜の静電容量を式 Tau/抵抗 = 静電容量で計算できます。この技術により、研究者はシナプス前終末の膜容量の増加を測定することでシナプス小胞の放出を直接測定することができる。^[20]

• ペアパルス促進
• シナプス後密度