軸索誘導

軸索誘導 （軸索経路探索とも呼ばれる）は、ニューロンが軸索を正しいターゲットに送り出すプロセスに関する神経発達のサブフィールドです。軸索は神経系内で非常に正確な経路をたどることが多く、軸索がどのようにしてそれほど正確に経路を見つけるのかは、現在も研究が続けられている分野です。

軸索の成長は成長円錐と呼ばれる領域から起こり、軸索のターゲットへの到達は比較的少ない誘導分子で達成されます。成長円錐受容体は誘導シグナルに反応します。

成長中の軸索は、成長先端に成長円錐と呼ばれる非常に運動性の高い構造を持ち、軸索の成長方向を指示する細胞外環境の信号に反応します。これらの信号はガイダンス キューと呼ばれ、固定されている場合も拡散している場合もあり、軸索を引き付けたり反発したりします。成長円錐には、これらのガイダンス キューを認識し、信号を化学向性反応に解釈する受容体が含まれています。一般的な理論的枠組みは、成長円錐がガイダンス キューを「感知」すると、受容体が成長円錐内のさまざまなシグナル伝達分子を活性化し、最終的に細胞骨格に影響を与えるというものです。成長円錐がガイダンス キューの勾配を感知すると、成長円錐内の細胞内シグナル伝達が非対称に起こり、細胞骨格の変化が非対称に起こり、成長円錐がガイダンス キューに近づいたり離れたりするようになります。^[1]

遺伝学的および生化学的手法（下記参照）の組み合わせにより、いくつかの重要な軸索誘導分子とその受容体の発見につながった。^[2]

• ネトリン: ネトリンは分泌分子であり、受容体であるDCCおよびUNC-5に結合して軸索を引き付けたり反発したりする働きがあります。
• スリット:スリット-ロボ細胞シグナル伝達複合体内のロボ（ラウンドアバウト）クラス受容体と結合して、通常は成長円錐を撃退する分泌タンパク質。
• エフリン: エフリンは、他の細胞の表面にある Eph 受容体を活性化する細胞表面分子です。この相互作用は、誘引的または反発的になります。場合によっては、エフリンは、発現細胞にシグナルを伝達することで受容体としても機能し、Eph はリガンドとして機能します。エフリンと Eph の両方を含む細胞へのシグナル伝達は、「双方向シグナル伝達」と呼ばれます。
• セマフォリン: セマフォリンの多くの種類は主に軸索忌避剤であり、プレキシンとニューロピリンと呼ばれる細胞表面受容体の複合体を活性化します。
• 細胞接着分子 (CAM) : 成長中の軸索間の接着を媒介し、成長円錐内で細胞内シグナル伝達を誘発する膜貫通タンパク質。CAM は、軸索上で成長する軸索の正しい軸索ナビゲーション (束形成) を媒介する主要なタンパク質クラスです。CAM には、IgSF-CAM (免疫グロブリン スーパーファミリーに属する) とカドヘリン (Ca 依存性 CAM) の 2 つのサブグループがあります。

さらに、成長円錐は、適切に移動するために、他の多くの種類の細胞外分子も使用します。

• BMP、Wnt、ヘッジホッグ、FGFなどの発達モルフォゲン
• ラミニン、テネイシン、プロテオグリカン、N-CAM、L1などの細胞外マトリックスおよび接着分子
• NGFのような成長因子
• 神経伝達物質とGABAのような調節物質

成長中の軸索は、成長経路を決定する際にさまざまな誘導シグナルに依存します。伸長する軸索の成長円錐は、適切な誘導を確実にするために、シグナルの解釈と統合の複雑なシステムでこれらのシグナルを処理します。^[3]これらのシグナルは機能的に次のように分類できます。

• 接着シグナルは、軸索の突出に必要な基質との物理的相互作用を提供します。これらのシグナルは、成長中の軸索が接触するグリア細胞やニューロン細胞に発現したり、細胞外マトリックスの一部になったりします。例としては、細胞外マトリックスのラミニンやフィブロネクチン、細胞表面にあるカドヘリンや Ig ファミリー細胞接着分子などがあります。
• 向性シグナルは誘引物質または忌避物質として作用し、細胞内シグナル伝達を介して細胞骨格に作用して成長円錐の運動性に変化を引き起こします。たとえば、ネトリンは誘引物質と忌避物質の両方として作用し、軸索を正中線に導く役割を果たします。一方、セマフォリン3Aは嗅上皮から軸索が成長して嗅球のさまざまな場所をマッピングするのを助けます。
• 成長円錐の特定の誘導シグナルに対する感受性に影響を与える調節シグナル。たとえば、神経栄養因子は軸索のセマフォリン 3A の忌避作用に対する感受性を低下させることができます。

これらのさまざまな誘導手がかりが豊富にあることを考えると、成長円錐はさまざまな情報を、特定の時点でのさまざまな価数の手がかりの勾配を単純に合計することによって統合し、成長の方向を決定すると以前は考えられていました。しかし、腹側正中線を横切る軸索の脊椎動物神経系の研究では、調節手がかりが他の手がかりに対する軸索の反応を調整する上で重要な役割を果たしていることが示されており、軸索誘導のプロセスは非線形であることが示唆されています。たとえば、交連軸索はネトリンに引き寄せられ、スリットに反発されます。しかし、軸索が正中線に近づくと、スリットの反発作用はロボ3/リグ1受容体によって抑制されます。^[4]軸索が正中線を横切ると、スリットによるロボの活性化によってネトリンを介した誘引が抑制され、軸索はスリットに反発されます。

神経索の形成にはいくつかの基本的なルールがあります。無脊椎動物と脊椎動物の両方の神経系において、最初の神経索は先駆ニューロンの先駆軸索によって形成されます。^[5]これらの軸索は、最終目的地を目指す過程で、再現可能な経路をたどり、中間のターゲットで停止し、特定の選択ポイントで軸索を分岐します。この原理は、昆虫の感覚ニューロンの CNS 延長軸索によって実証されています。

四肢の発達の過程では、近位ニューロンが最初に軸索束を形成し、中枢神経系に向かって成長する。四肢の成長の後期には、より遠位のニューロンからの軸索がこれらの先駆軸索と束状になる。先駆ニューロンが欠失すると、中枢神経系に神経支配することになる後の軸索の伸展が妨げられる。^[6]同時に、ほとんどの場合先駆ニューロンには固有の特徴がなく、軸索誘導におけるその役割は他のニューロンで代替できることは注目に値する。例えば、アフリカツメガエルの網膜視蓋結合系では、網膜神経節細胞の先駆軸索は眼の背側部分に由来する。しかし、眼の背側半分が未成熟な背側に置き換わると、いくらかの遅れの後、腹側ニューロンが背側細胞の先駆経路を置き換えることができる。^[7]ゼブラ フィッシュの網膜の研究では、初期の網膜前駆細胞の神経分化を阻害すると、軸索が眼から出られなくなることが示されています。同じ研究では、ガイダンス受容体を欠いたパイオニアニューロンの成長に続いて、二次ニューロンの異常な成長軌道が実証されました。^[8]したがって、パイオニア軸索が提供するガイダンスの範囲は議論の余地があり、システムごとに異なる可能性がありますが、パイオニア経路は明らかにフォロワー投射にガイダンスキューを提供し、ターゲットへのナビゲーション能力を高めます。

経路内で最初に伸びる軸索は、未熟なグリア細胞と密接に相互作用します。脊椎動物の形成中の脳梁では、原始的なグリア細胞が最初に半球の上衣領域と背側隔壁に移動し、脳梁繊維の先駆軸索が伸びるために使用する一時的な構造を形成します。^[9]発達中の神経系におけるグリアとニューロン間のシグナル伝達は相互的です。たとえば、ハエの視覚系では、光受容体の軸索が眼柄から出るにはグリアが必要ですが、グリア細胞は軸索に沿って戻るためにニューロンからのシグナルに依存しています。^[10]

成長中の軸索は、経路探索の際にガイドポスト細胞などの一過性のニューロン構造にも依存しています。マウスの視覚系では、適切な視交叉形成は、視交叉の正中線で特殊な放射状グリアと交差する一過性ニューロンのV字型構造に依存しています。視交叉軸索はこの構造に沿って、またその周囲を成長しますが、構造を侵食することはありません。^{[11]もう1つの例は、発達中の}大脳皮質のサブプレートで、脳室下帯の下の一過性ニューロン層で構成され、永久皮質層に入る軸索のガイドポストとして機能します。サブプレートは、脳が成熟するにつれてこれらの細胞群が消失する（または他の細胞タイプに移行する）という点で、視交叉ニューロンに似ています。^[12]これらの発見は、一過性細胞集団は成熟した神経系では機能しなくても、重要なガイダンスの役割を果たすことができることを示しています。

軸索成長円錐に関する最も古い記述は、19世紀後半にスペインの神経生物学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハールによってなされた。 ^[13]しかし、軸索誘導の分子生物学および細胞生物学の理解は、数十年も経ってから始まった。過去30年ほどで、科学者は軸索がどのように方向を見つけるかを解明するためにさまざまな方法を用いてきた。軸索誘導に関する初期の研究の多くはバッタで行われ、個々の運動ニューロンが特定され、その経路が特徴付けられた。マウス、ゼブラフィッシュ、線虫、ショウジョウバエなどの遺伝モデル生物では、科学者は突然変異を発生させ、それが軸索のナビゲーションエラーを引き起こすかどうか、またどのように引き起こすかを調べることができる。in vitro実験は、成長中の軸索を直接操作するのに有用である。一般的な方法は、培養でニューロンを成長させ、成長円錐を精製した誘導シグナルにさらして、成長中の軸索が方向転換するかどうかを調べることである。こうしたタイプの実験は、ニワトリやアフリカツメガエルなど、従来の発生学的非遺伝子モデル生物を使用して行われることが多い。これらの種の胚は入手が容易で、哺乳類とは異なり体外で発生し、実験操作が容易である。

軸索誘導のメカニズムをさらに理解するため、モデル システムで数種類の軸索経路が広範に研究されてきました。おそらく、これらのうち最も有名な 2 つは、交連とトポグラフィック マップです。交連は、軸索が神経系の片側から反対側へ正中線を横切る場所です。トポグラフィック マップは、ある組織のニューロン グループが、空間関係が維持されるように組織化された配置で軸索を別の組織に投射するシステムです。つまり、隣接するニューロンがターゲット組織の隣接する領域を神経支配します。

上で説明したように、軸索誘導の手がかりは「誘引」または「反発」に分類されることがよくあります。これは単純化であり、異なる軸索は特定の手がかりに対して異なる反応を示します。さらに、同じ軸索成長円錐は、タイミング、同じまたは他の手がかりの以前の経験、および手がかりが見つかった状況に基づいて、特定の手がかりに対する反応を変えることができます。これらの問題は、交連の発達中に例示されます。神経系の左右対称性は、軸索が正中線の両側で同じ手がかりに遭遇することを意味します。交差する前に (同側)、成長円錐は正中線に向かって移動し、正中線に引き付けられる必要があります。ただし、交差した後 (反対側)、同じ成長円錐は反発されるか正中線への引き付けを失い、正しいターゲット組織を見つけるために環境を再解釈する必要があります。

正中線の軸索誘導がどのように制御されるかを理解する上で、特に大きな影響を与えた実験システムが 2 つあります。

ショウジョウバエに強力な遺伝子ツールを使用した結果、軸索誘導シグナルの重要なクラスであるスリットとその受容体であるロボ (ラウンドアバウトの略) が特定されました。腹側神経索は梯子のように見え、3 つの縦方向の軸索束 (束) が梯子の「横木」である交連で接続されています。胚の各節には、前部と後部の 2 つの交連があります。

現在受け入れられているモデルは、正中線細胞によって生成されるスリットが、ロボ受容体を介して軸索を正中線から反発するというものである。同側性に突出する（交差しない）軸索は、その表面に常にロボ受容体を持っているが、交連軸索は表面にロボがほとんどないかまったくないため、ネットリンや、おそらくは他の未確認の手がかりによって正中線に引き寄せられる。しかし、交差後は、軸索上のロボ受容体が強くアップレギュレーションされ、ロボを介した反発が正中線への引き寄せを克服できるようになる。このロボの動的な制御は、少なくとも部分的には、ロボが細胞表面に到達して破壊の標的となるのを防ぐ、Comm（Commissurelessの略）と呼ばれる分子によって達成される。^[15]

脊椎動物の脊髄では、背側からの交連ニューロンが腹側底板に向かって下方に突出しています。同側の軸索は底板に達する前に方向を変えて縦方向に成長しますが、交連軸索は正中線を横切り、反対側で縦方向に曲がります。驚くべきことに、Netrin、Slit、Robo はすべてこのシステムでも同様の機能的役割を果たしています。未解決の謎の 1 つは、脊椎動物にcomm遺伝子がまったく存在しないことです。現在では、Comm の機能の少なくとも一部は、Robo3 (または Rig1) と呼ばれる Robo の改変型によって実行されているようです。

脊髄系は、正中線への曝露後に成長円錐の刺激に対する反応が変化することを初めて明確に実証した。培養された摘出ニューロンは、底板組織に接触したかどうかに応じて、外因的に供給されたスリットに反応する。^[16]

上で説明したように、トポグラフィック マップは、ニューロン集団と別の組織内のターゲット フィールドの間に空間的な関係が維持されているときに作成されます。これは、特に感覚システムにおける神経系組織の主要な特徴です。神経生物学者のRoger Sperry は、分子「タグ」と呼ばれるものによって媒介されるトポグラフィック マッピングの先見的なモデルを提案しました。これらのタグの相対量は、両方の組織にわたって勾配で変化します。現在、これらのタグはリガンド (キュー) とその軸索受容体であると考えられています。おそらく、最もよく理解されているタグのクラスは、Ephrin リガンドとその受容体である Ephs です。

最も単純なタイプのマッピング モデルでは、網膜などのニューロン領域で Eph 受容体の発現レベルの勾配を想像することができます。前部の細胞では受容体の発現レベルが非常に低く、後部の細胞では受容体の発現レベルが最も高くなります。一方、網膜細胞の標的 (視蓋)では、エフリン リガンドは同様の勾配 (後部高から前部低) で編成されます。網膜の軸索は前蓋に入り、後方向に進みます。一般に、Eph を持つ軸索はエフリンによって反発されるため、軸索は後蓋に向かって進むほど、ますます進みにくくなります。ただし、反発の程度は、網膜内のニューロン細胞体の位置によって決まる、軸索自体の Eph 発現レベルによって決まります。したがって、Eph の発現レベルが最も低い前網膜からの軸索は、Ephrin の発現レベルが高い場所であるにもかかわらず、後蓋に投射することができます。後網膜細胞は Eph を高レベルで発現し、その軸索は蓋のより前方で停止します。

ニワトリの胚はサイズが大きく、入手しやすいことから、発生学者のお気に入りのモデル生物となっています。研究者は、培養された網膜軸索に対して特異的な活性を示した視蓋の成分を、ニワトリを使って生化学的に精製しました。これにより、Ephs と Ephrin が、スペリーの仮説上の「タグ」であることが特定されました。

網膜視蓋投射はアフリカツメガエルやゼブラフィッシュでも研究されています。ゼブラフィッシュは、無脊椎動物で行われるような遺伝子スクリーニングが比較的簡単かつ安価に行えるため、潜在的に強力なシステムです。1996 年には、網膜軸索誘導およびマッピングのスクリーニングを含む大規模なスクリーニングがゼブラフィッシュで実施されました。変異体の多くはまだ特徴付けられていません。

遺伝学と生化学により、軸索誘導に影響を及ぼす分子の大規模なセットが特定されています。これらすべての要素がどのように組み合わさるのかは、あまり理解されていません。軸索誘導受容体のほとんどは、シグナル伝達カスケードを活性化し、最終的には細胞骨格の再編成と成長円錐の接着特性につながり、これらがすべての細胞の運動性の基盤となります。これは、哺乳類の皮質ニューロンで十分に文書化されています。^[17]しかし、これは、同じ手がかりが異なる成長円錐からの応答スペクトルにどのようにつながるのかという疑問を引き起こします。異なる受容体が単一の手がかりに反応して誘引または反発を活性化するのかもしれません。別の可能性としては、受容体複合体が「一致検出器」として機能し、ある手がかりに対する応答を別の手がかりの存在下で変更するというものです。同様のシグナル伝達「クロストーク」が、細胞表面の受容体の下流で細胞内で発生する可能性があります。

実際、交連軸索成長反応は、ネトリン活性化DCC受容体の存在下で誘引、抑制、またはサイレンシングされることが示されています。^[18]この可変活性は、成長円錐でのRoboまたはUNC-5受容体の発現に依存しています。そのため、SlitがRobo受容体を活性化すると、DCC受容体を介してネトリンの誘引ポテンシャルがサイレンシングされます。一方、UNC-5受容体を発現している成長円錐は、ネトリン-DCC活性化に反発的に反応します。これらのイベントは、ネトリン活性化DCC受容体とRoboまたはUNC-5受容体との間の細胞質相互作用の結果として発生し、最終的にDCCの細胞質シグナル伝達を変化させます。したがって、成長円錐の前進は非常に複雑であり、ガイダンスキュー、受容体発現、受容体相互作用、および細胞骨格のリモデリングに影響を与えるその後のシグナル伝達メカニズムからの可塑性に左右されるという図が浮かび上がります。

軸索が細胞体から遠く離れた場所にあるさまざまな細胞外シグナルに反応してナビゲートし調整する能力があることから、研究者は成長円錐の固有の特性に注目するようになりました。最近の研究では、ガイダンス キューが成長円錐内のタンパク質の局所的な翻訳と分解を調整することで、軸索の時空間的変化に影響を与えることが明らかになっています。^[19]さらに、この活動は遠位核遺伝子発現とは無関係に発生するようです。実際、体細胞が切断された軸索を持つ網膜神経節細胞(RGC) では、成長円錐がアフリカツメガエルの胚の視蓋を追跡し、神経支配を続けています。^[20]

この活動に対応するため、成長円錐は細胞骨格のリモデリングに関与する受容体と細胞内シグナル伝達タンパク質をコードするmRNAをプールしていると考えられています。[ ^21]アフリカツメガエルの網膜視蓋投射系では、これらのタンパク質の発現は誘導キューとそれに続く局所翻訳装置の活性化によって影響を受けることが示されています。誘引キューであるネトリン-1はmRNA輸送を刺激し、成長円錐の糸状仮足におけるβ-アクチンの合成に影響を与え、RGC成長円錐を再構築してネトリン分泌の方向に導きます。^[22]一方、反発キューであるスリットは、成長円錐におけるコフィリン（アクチン脱重合因子）の翻訳を刺激し、軸索反発を引き起こすと考えられています。^[23]さらに、ニワトリの切断された交連軸索は、正中線横断中にEph-A2受容体を翻訳および発現する能力を示します。^[24]その結果、研究では、局所的なタンパク質発現が、ガイダンス分子に反応して成長円錐が前進する急速で動的かつ自律的な性質を説明する便利なメカニズムであることが示唆されている。

現代の拡散強調MRI技術は、軸索発達の巨視的過程を明らかにする可能性もあります。拡散 MRIデータからコネクトーム、つまり脳グラフを構築できます。グラフの頂点は解剖学的にラベル付けされた脳領域に対応し、そのような 2 つの頂点 (たとえばuとv ) は、データ処理のトラクトグラフィー段階でuとvに対応する 2 つの領域を接続する軸索繊維が見つかった場合、エッジで接続されます。Human Connectome Projectから計算された多数の脳グラフは、 http://braingraph.org サイトからダウンロードできます。Consensus Connectome Dynamics (CCD) は、 Budapest Reference Connectome Serverのグラフィカル インターフェイスで最小信頼パラメータを継続的に減少させることによって発見された注目すべき現象です。^{[25] [26]}ブダペスト・リファレンス・コネクトーム・サーバーは、頻度パラメータkを持つn=418人の被験者の脳の接続を描写している。任意のk=1,2,...,nについて、少なくともk個のコネクトームに存在するエッジのグラフを見ることができる。パラメータkがk=nからk=1まで1つずつ減少すると、包含条件が緩和されるため、グラフにはますます多くのエッジが表示される。驚くべき観察結果は、エッジの出現がランダムとはほど遠いことである。それは、木や低木のような成長する複雑な構造に似ている（YouTubeのこのアニメーションで視覚化されている）。 ^[27]では、成長する構造が人間の脳の軸索の発達を模倣していると仮定されている。最も早く発達する接続（軸索繊維）はほとんどの被験者で共通であり、その後発達する接続は、その分散が軸索発達の過程で蓄積されるため、ますます分散が大きくなっている。

軸索誘導は遺伝的に他の特性や特徴と関連している。例えば、異なるシグナル伝達経路のエンリッチメント解析により、頭蓋内容積との遺伝的関連性が発見された。^[28]

• パイオニア軸索
• RTN4Rは軸索成長の阻害を媒介する

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