成長円錐

成長円錐は、シナプス標的を求めて発達中または再生中の神経突起がアクチンに支えられて伸びた大きな突起です。軸索の成長を駆動するのは成長円錐です。^[1]その存在は、スペインの組織学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハールが顕微鏡で観察した静止画像に基づいて最初に提唱されました。彼は、固定細胞に基づく成長円錐を「アメーバ状の運動を備えた円錐形の原形質の集中」と初めて説明しました (Cajal、1890)。^{[2]成長円錐は、}神経細胞の神経突起 (樹状突起または軸索)の先端にあります。成長する軸索と樹状突起の感覚、運動、統合、適応機能はすべて、この特殊な構造に含まれています。

成長円錐の形態は、手を例にすると簡単に説明できます。成長円錐の細い延長部分は、マイクロスパイクとして知られる尖った糸状仮足です。^[3]糸状仮足は成長円錐の「指」のようなもので、形と支えとなるアクチンフィラメント (F-アクチン) の束を含んでいます。糸状仮足は成長円錐の主要な構造で、成長円錐の端から数マイクロメートル伸びる細い円筒形の延長部分のように見えます。糸状仮足は、軸索の成長と誘導に重要な受容体と細胞接着分子を含む膜で囲まれています。

糸状仮足の間には、手のひらのひものような「葉状仮足」があります。これらは、糸状仮足のように束になった F アクチンではなく、密集したアクチン メッシュの平らな領域です。これらは、成長円錐の先端に隣接して現れることが多く、2 つの糸状仮足の間に位置するため、「ベールのような」外観になります。成長円錐では、新しい糸状仮足は通常、これらの糸状仮足間のベールから出現します。

成長円錐は、周辺 (P) ドメイン、遷移 (T) ドメイン、および中心 (C) ドメインの 3 つの領域で説明されます。周辺ドメインは、成長円錐の外縁を囲む薄い領域です。主にアクチンベースの細胞骨格で構成され、非常に動的な葉状仮足と糸状仮足が含まれます。 ただし、微小管は、動的不安定性と呼ばれるプロセスによって一時的に周辺領域に入ることが知られています。中心ドメインは、成長円錐の中心、軸索に最も近い場所にあります。この領域は、主に微小管ベースの細胞骨格で構成され、一般的に厚く、さまざまなサイズの多くの細胞小器官と小胞が含まれます。遷移ドメインは、中心ドメインと周辺ドメインの間の薄い帯状の領域です。

成長円錐は分子的に特殊化しており、そのトランスクリプトームとプロテオームは親細胞体のものとは異なる。^[4]成長円錐内では、アクチンと微小管を互いに、膜に、その他の細胞骨格成分に固定するなど、さまざまな役割を果たす細胞骨格関連タンパク質が多数存在する。これらの成分には、成長円錐内で力を生成する分子モーターや、微小管を介して成長円錐に出入りする膜結合小胞などがある。細胞骨格関連タンパク質の例としては、ファシンとフィラミン（アクチン束形成）、タリン（アクチン固定）、ミオシン（小胞輸送）、mDia（微小管とアクチンの結合）などがある。

成長円錐の非常に動的な性質により、さまざまな刺激に応じて方向や枝分かれを急速に変えることで周囲の環境に反応することができます。軸索の伸長には、突出、充血、および固定と呼ばれる 3 つの段階があります。突出中は、成長円錐の先端に沿って糸状仮足と層状の伸長が急速に起こります。糸状仮足が成長円錐の側端に移動すると充血が起こり、微小管が成長円錐のさらに奥に侵入して、ミトコンドリアや小胞体などの小胞や細胞器官を運びます。最後に、成長円錐の首にある F アクチンが脱重合して糸状仮足が引っ込むと固定が起こります。次に膜が収縮して、微小管の束の周りに円筒形の軸索シャフトを形成します。軸索分岐の1つの形態も同じプロセスで発生しますが、充血期に成長円錐が「分裂」する点が異なります。これにより、主軸索が分岐します。軸索分岐のもう1つの形態は、側枝（または間質枝）と呼ばれます。^{[5] [6]}側枝分岐は、軸索の分岐とは異なり、確立された軸索シャフトからの新しい枝の形成を伴い、成長中の軸索の先端の成長円錐とは無関係です。このメカニズムでは、軸索は最初に糸状仮足または葉状仮足を生成しますが、これに続いて軸索微小管が侵入し、軸索シャフトから垂直に伸びる枝にさらに発達することができます。確立された側枝は、主軸索と同様に成長円錐を示し、主軸索の先端とは独立して発達します。

全体的に、軸索の伸長は先端成長と呼ばれるプロセスの結果です。このプロセスでは、軸索細胞骨格の残りの部分は静止したまま、成長円錐に新しい物質が追加されます。これは、細胞骨格に基づくダイナミクスと機械的張力という 2 つのプロセスによって発生します。細胞骨格のダイナミクスでは、微小管が成長円錐に重合し、重要な成分を供給します。機械的張力は、成長円錐内の分子モーターによる力の生成と軸索に沿った基質への強力な接着により膜が引き伸ばされたときに発生します。一般に、急速に成長する成長円錐は小さく、伸長の度合いが大きく、動きが遅いまたは一時停止している成長円錐は非常に大きく、伸長の度合いは小さくなります。

成長円錐は、アクチンマイクロフィラメントの構築と小胞融合による細胞膜の伸長を通じて継続的に構築されています。アクチンフィラメントは近位端で脱重合および分解し、遊離モノマーがアクチンフィラメントの先端 (遠位端) に移動できるようにします。そこで、アクチンフィラメントは重合して再付着します。アクチンフィラメントは、ミオシンモーター駆動プロセス (逆行性 F-アクチンフロー) によって先端から絶えず輸送されています。アクチンフィラメントは末梢領域で重合し、次に遷移領域まで逆方向に輸送され、そこでフィラメントが脱重合されます。これにより、モノマーが解放されてサイクルを繰り返すことができます。これは、タンパク質全体が移動するため、アクチンのトレッドミル運動とは異なります。タンパク質が単にトレッドミル運動する場合、モノマーは一方の端から脱重合し、もう一方の端で重合しますが、タンパク質自体は移動しません。

軸索の成長能力は、アクチン フィラメントのすぐ外側にある微小管にあります。微小管は急速に重合して成長円錐のアクチンが豊富な周辺領域を「探る」ことができます。これが起こると、微小管の重合末端が F-アクチン接着部位と接触し、そこで微小管先端関連タンパク質が「リガンド」として機能します。基底膜のラミニンは成長円錐のインテグリンと相互作用して、成長円錐の前進を促進します。さらに、軸索の成長は、軸索の構造的サポートを提供する微小管の近位末端の安定化によってもサポートされます。

軸索の動きは、カルシウムや環状ヌクレオチドなどのセカンドメッセンジャーを介して確立される感覚機能と運動機能（上記参照）の統合によって制御されます。軸索の感覚機能は、細胞外マトリックスからの誘引または反発の合図に依存しており、軸索を特定の経路から遠ざけ、適切な目標地点に誘引するのに役立ちます。誘引合図はアクチンフィラメントの逆流を抑制し、その集合を促進しますが、反発合図は正反対の効果があります。アクチン安定化タンパク質も関与しており、誘引合図がある場合の糸状仮足と葉状仮足の継続的な突出に不可欠です。一方、反発合図がある場合にはアクチン不安定化タンパク質が関与します。

同様のプロセスが微小管にも関係しています。成長円錐の片側に誘引刺激があると、その側で特定の微小管が微小管安定化タンパク質によって標的とされ、成長円錐が正の刺激の方向に向きを変えます。反発刺激の場合は逆のことが当てはまります。負の刺激があると、成長円錐の反対側で微小管の安定化が優先され、成長円錐が反発刺激から遠ざかります。このプロセスはアクチン関連プロセスと相まって、軸索の全体的な方向性のある成長をもたらします。

成長円錐受容体は、ネトリン、スリット、エフリン、セマフォリンなどの軸索誘導分子の存在を検出します。最近では、 WntやShhなどの細胞運命決定因子も誘導キューとして機能することが示されています。同じ誘導キューは、状況に応じて誘引物質または忌避物質として機能する可能性があります。その代表的な例はネトリン1で、ネトリン受容体DCCを介して誘引を、UNC-5受容体を介して忌避をシグナルします。さらに、これらの同じ分子が血管の成長を誘導することに関与していることが発見されました。軸索誘導は神経系の最初の配線を指示し、損傷後の軸索再生にも重要です。^[7]