分子神経科学

分子神経科学は、分子生物学の概念を動物の神経系に適用する神経科学の一分野です。この分野の範囲は、分子神経解剖学、神経系における分子シグナル伝達のメカニズム、遺伝学とエピジェネティクスの神経発達への影響、神経可塑性と神経変性疾患の分子的基礎などのトピックをカバーしています。^[1]分子生物学と同様に、分子神経科学は比較的新しい分野であり、かなりダイナミックです。

分子生物学では、ニューロン間の情報伝達は、通常、シナプスと呼ばれる細胞間の隙間を介した化学物質の伝達によって行われます。伝達された化学物質は神経伝達物質と呼ばれ、重要な身体機能のかなりの割合を制御します。^[2] 標識技術によって神経伝達物質を解剖学的に特定することができます。神経組織切片をホルムアルデヒドで固定することにより、カテコールアミンなどの特定の神経伝達物質を化学的に特定することができます。これにより、紫外線にさらすとホルムアルデヒド誘導蛍光を生じさせることができます。この技術を使用して、線虫C. elegansでカテコールアミンの一種であるドーパミンが特定されました。 ^{[3]標的の化学物質または生物学的実体に対する抗体を産生させる}免疫細胞化学には、他にも興味深い技術がいくつかあります。標的の神経伝達物質は、放射性標識された一次抗体と二次抗体によって特異的にタグ付けされ、オートラジオグラフィーによって神経伝達物質を特定することが できます。神経伝達物質の存在（必ずしも位置は特定できない）は、酵素免疫細胞化学または酵素免疫測定法（ELISA）で観察することができます。酵素測定法では、基質結合により沈殿物、蛍光体、または化学発光が誘発されます。神経伝達物質を組織化学的に同定できない場合は、神経取り込みメカニズムによって神経伝達物質の位置を特定するという代替方法があります。^[1]

生体内の興奮性細胞には、電位依存性イオンチャネルがある。これらは神経系全体のニューロンで観察できる。最初に特徴づけられたイオンチャネルは、1950年代にALホジキンとAFハクスリーがイカ属ロリゴの巨大軸索を研究した際に発見したナトリウムイオンチャネルとカリウムイオンチャネルである。彼らの研究により、生理学的条件に依存する細胞膜の選択的透過性と、これらの透過性から生じる電気的効果によって活動電位が生じることが実証された。^[4]

ナトリウムチャネルは、 1984年に沼正作によってウナギのElectrophorus electricusから単離された最初の電位依存性イオンチャネルでした。フグ毒のテトロドトキシン（TTX）はナトリウムチャネル遮断薬であり、カラムクロマトグラフィー法で結合させて化学分離することでナトリウムチャネルタンパク質を単離しました。タンパク質のアミノ酸配列はエドマン分解によって分析され、次にチャネルタンパク質のクローン作成に使用できるcDNAライブラリの構築に使用されました。チャネル自体のクローン作成により、他の動物の同じチャネルを特定するなどの用途が可能になりました。^[1] ナトリウムチャネルは、段階的電位と活動電位の発生時にカリウムチャネルと協調して機能することが知られています。ナトリウムチャネルは、Na ⁺イオンのニューロンへの流入を可能にし、その結果、ニューロンの静止膜電位からの脱分極が起こり、脱分極の程度に応じて段階的電位または活動電位につながります。^[5]

カリウムチャネルはさまざまな形で存在し、ほとんどの真核細胞に存在し、通常は細胞膜をカリウム平衡電位で安定化させる傾向があります。ナトリウムイオンと同様に、段階的電位と活動電位もカリウムチャネルに依存しています。ニューロンへのNa ⁺イオンの流入は細胞の脱分極を誘発しますが、ニューロンからのK ⁺イオンの流出は細胞を静止膜電位に再分極させます。カリウムイオンチャネル自体の活性化は、活動電位中のNa ^{+流入による脱分極に依存しています。 [1]} ナトリウムチャネルと同様に、カリウムチャネルにもチャネルタンパク質の作用を阻害する独自の毒素があります。そのような毒素の例は大きなカチオンであるテトラエチルアンモニウム（TEA）ですが、種間でチャネルタイプが多様であることを考えると、毒素がすべてのカリウムチャネルに対して同じ作用機序を持つわけではないことは注目に値します。カリウムチャネルの存在は、麻酔をかけると細胞の再分極の問題により神経細胞と筋肉の電気生理学的異常を引き起こし、制御不能に震えるショウジョウバエの突然変異体で初めて確認されました。カリウムチャネルは、発見当時はカリウムチャネルに対する高親和性リガンド（TEAなど）が知られていなかったため、チャネルタンパク質の精製を行う代わりに、ハエの分子遺伝学を操作することによって初めて特定されました。^{[1] [6]}

カルシウムチャネルは、特定の細胞シグナル伝達カスケードや軸索末端での神経伝達物質の放出に重要です。興奮性細胞にはさまざまな種類のカルシウムイオンチャネルが存在します。ナトリウムイオンチャネルと同様に、カルシウムイオンチャネルはクロマトグラフィー精製技術によって単離され、クローン化されています。神経伝達物質の放出の場合と同様に、カルシウムチャネルは細胞内タンパク質と相互作用し、特に筋細胞の筋小胞体などの場所でシグナル伝達に重要な役割を果たすことが注目に値します。^[1]

細胞のシグナル伝達とコミュニケーションには様々なタイプの受容体が利用されており、イオンチャネル型受容体と代謝型受容体が含まれる。これらの細胞表面受容体の種類は、作用のメカニズムと持続時間によって区別され、イオンチャネル型受容体は高速シグナル伝達に関連し、代謝型受容体は低速シグナル伝達に関連します。代謝型受容体は、シグナル伝達カスケードが著しく異なる多種多様な細胞表面受容体をカバーしています。^{[1] [5]}

イオンチャネル受容体は、リガンド依存性イオンチャネルとも呼ばれ、リガンド結合を伴うイオンチャネルの流れによって神経機能と生理機能を媒介する即効性受容体です。ニコチン受容体、GABA受容体、グルタミン酸受容体は、リガンド依存性イオンチャネルの流れによって制御される細胞表面受容体の一部です。GABAは脳の主な抑制性神経伝達物質であり、グルタミン酸は脳の主な興奮性神経伝達物質です。^[1]

GABA _A受容体と GABA _C受容体はイオンチャネル型であることが知られていますが、GABA _B受容体は代謝チャネル型です。GABA _{A受容体は}中枢神経系(CNS)における迅速な抑制反応を媒介し、ニューロン、グリア細胞、副腎髄質細胞に存在します。細胞への Cl ⁻イオン流入を誘導する役割を担っており、それによって段階的電位または活動電位の到達時に膜脱分極が発生する可能性を減らします。GABA 受容体は非内因性リガンドと相互作用して活動に影響を及ぼすこともできます。たとえば、化合物ジアゼパム(市販名はバリウム) はアロステリック作動薬で、受容体の GABA に対する親和性を高めます。GABA 結合の増加によって生理学的抑制効果が増大するため、ジアゼパムは有用な精神安定剤または抗けいれん薬(抗てんかん薬)となります。一方、ピクロトキシンのような痙攣薬の作用でCl ⁻細胞流入を減少させることによって GABA 受容体を標的にすることもできます。この化合物の拮抗作用機序は GABA 受容体に直接作用するわけではありませんが、t-ブチルビシクロホロチオネート (TBPS) やペンチレンテトラゾール (PZT) など、アロステリック不活性化が可能な他の化合物があります。GABA _Aと比較して、GABA _C受容体は GABA に対する親和性が高く、活動が長く続く可能性があり、その反応はより低い GABA 濃度によって生成される可能性があります。^[1]

イオンチャネル型グルタミン酸受容体には、NMDA、AMPA、カイニン酸受容体が含まれます。これらの受容体は、グルタミン酸の活性を促進する作動薬にちなんで名付けられています。NMDA受容体は、学習と記憶におけるニューロンの可塑性、および脳卒中やてんかんなどの神経病理に影響を及ぼす興奮性メカニズムで知られています。NDMA受容体は、イオンチャネル型GABA受容体と同様に複数の結合部位を持ち、グリシン神経伝達物質やフェンシクリジン（PCP）などの共作動薬の影響を受ける可能性があります。NMDA受容体はCa ²⁺イオンによって電流を運び、電圧と膜電位に応じて細胞外Mg ²⁺イオンによってブロックされる可能性があります。このCa ²⁺流入は、NMDA受容体によって生成される興奮性シナプス後電位（EPSP）によって増加し、Ca ²⁺ベースのシグナル伝達カスケード（神経伝達物質の放出など）を活性化します。 AMPAは他のイオンチャネル型グルタミン酸受容体よりも短く大きな興奮性シナプス後電流を生成する。^[5]

ニコチン受容体はアセチルコリン（ACh）神経伝達物質と結合し、非選択的陽イオンチャネルの流れを生成し、興奮性シナプス後反応を引き起こします。ニコチン摂取によって影響を受ける受容体の活動は、多幸感、リラックス感、そして高レベルでは必然的に中毒を引き起こします。^[5]

代謝型受容体は、シナプス後細胞内の応答が遅い受容体です。通常、これらの応答が遅い特徴は、生化学におけるより複雑な細胞内変化です。代謝型受容体による神経伝達物質の取り込みの応答は、G タンパク質結合受容体の場合のように、細胞内酵素の活性化やセカンドメッセンジャーを介したカスケードを引き起こします。代謝型受容体には、特定のグルタミン酸受容体、ムスカリン性 ACh 受容体、GABA _B受容体、受容体チロシンキナーゼなど、さまざまなものがあります。

Gタンパク質結合シグナル伝達カスケードは、特定の神経伝達物質のシグナルを大幅に増幅し、細胞内に数百から数千のセカンドメッセンジャーを生成します。Gタンパク質結合受容体がシグナル伝達カスケードを引き起こす作用メカニズムは次のとおりです。

1. 神経伝達物質が受容体に結合する
2. 受容体は構造変化を起こし、Gタンパク質複合体の結合を可能にする。
3. Gタンパク質複合体が受容体に結合すると、GDPはGTPと交換される。
4. Gタンパク質複合体のαサブユニットはGTPに結合し、分離してアデニル酸シクラーゼなどの標的タンパク質と結合する。
5. 標的タンパク質への結合は、セカンドメッセンジャー（サイクリックAMPなど）の産生速度を増加または減少させる。
6. GTPaseはαサブユニットを加水分解し、GDPに結合し、αサブユニットは不活性なGタンパク質複合体に戻る。

神経伝達物質は、量子と呼ばれる個別のパケットの形で、あるニューロンの軸索末端からシナプスを介して別のニューロンの樹状突起に放出されます。これらの量子は、電子顕微鏡によってシナプス小胞として特定されています。小胞には、直径約40～60 nmの小シナプス小胞（SSV）と、直径約120～200 nmの電子密度の高い小胞である大高密度コア小胞（LDCV）の2種類があります。 ^[1]前者はエンドソームに由来し、アセチルコリン、グルタミン酸、GABA、グリシンなどの神経伝達物質を含んでいます。後者はゴルジ体から派生し、カテコールアミンやその他のペプチド神経伝達物質などのより大きな神経伝達物質を含んでいます。^[7]神経伝達物質は軸索終末から放出され、以下の順序でシナプス後樹状突起に結合する：^[5]

1. 細胞骨格からのシナプス小胞の動員/リクルート
2. 小胞（結合）のシナプス前膜へのドッキング
3. ATPによる小胞のプライミング（比較的遅いステップ）
4. プライミング小胞とシナプス前膜の融合と、収容された神経伝達物質の放出
5. シナプス後細胞の受容体における神経伝達物質の取り込み
6. 神経伝達物質が興奮性か抑制性かに応じて、シナプス後細胞における活動電位の開始または抑制（興奮性の場合はシナプス後膜の脱分極が生じる）

神経伝達物質の放出は、電位依存性カルシウムチャネルを介して軸索末端に入る Ca ²⁺イオンの外部供給に依存しています。末端膜との小胞融合と神経伝達物質の放出は、入ってくる活動電位によって誘発される Ca ²⁺勾配の生成によって引き起こされます。Ca ²⁺イオンは、この膜融合を受けるために、予備プールから新しく合成された小胞を動員します。この作用機序は、イカの巨大軸索で発見されました。^[8]細胞内 Ca ²⁺イオンを低下させることは、神経伝達物質の放出に対する直接的な抑制効果をもたらします。^[1]神経伝達物質が放出された後、小胞膜は生成元にリサイクルされます。カルシウムイオンチャネルは、発生場所に応じて異なる場合があります。たとえば、軸索末端のチャネルは、細胞体（神経性かどうかに関係なく）の一般的なカルシウムチャネルとは異なります。軸索末端でもカルシウムイオンチャネルの種類は変化し、神経筋接合部に位置するP型カルシウムチャネルがその例である。^[1]

性別決定の違いは性染色体によって制御されます。性ホルモンの放出は脳の性的二形性（性的特徴の表現型の分化）に大きな影響を与えます。最近の研究では、これらの二形性を制御することが正常および異常な脳機能の理解につながることが示唆されているようです。性的二形性は、種によって異なる性別に基づく脳の遺伝子発現によって大きく影響を受ける可能性があります。

齧歯類、キイロショウジョウバエ、線虫などの動物モデルは、動物の脳とホルモン産生生殖腺における性差の起源や程度を観察するために使用されてきた。齧歯類では、性染色体の遺伝子操作に関する研究により、一方の性別に対する影響が、もう一方の性別に対する影響と完全に逆の結果となった。例えば、特定の遺伝子をノックアウトすると、男性にのみ不安のような影響が生じた。D . menlanogasterに関する研究では、生殖腺を除去した後でも脳の性差の発現が大きく偏っていることがわかり、性差は特定の側面ではホルモン制御とは無関係である可能性があることが示唆された。^[9]

性別に偏りのある遺伝子を観察することは、脳生理学の観察において臨床的に意義があり、関連する（直接的または間接的）神経疾患の可能性を秘めています。発達において性別に偏りのある疾患の例としては、ハンチントン病、脳虚血、アルツハイマー病などがあります。^[9]

多くの脳機能は、生物のDNA配列を変更することなく、遺伝子発現の変異や変化によって細胞レベルや分子レベルで影響を受ける可能性があります。これは、エピジェネティック制御としても知られています。エピジェネティックメカニズムの例には、ヒストン修飾やDNAメチル化などがあります。このような変化は、脳疾患、精神疾患、依存症の発生に強い影響を与えることがわかっています。^[10]エピジェネティック制御は、初期発達における高度な可塑性に関与していることが示されており、生物の臨界期におけるその重要性を定義しています。 ^[11] エピジェネティックな変化が人間の脳にどのように影響するかの例は次のとおりです。

• 脳の海馬におけるrRNA遺伝子のメチル化レベルが高いとタンパク質の生成が低下し、海馬機能の制限により学習・記憶障害が生じ、結果として自殺傾向につながる可能性がある。 ^[12]
• 健康な人と精神病患者の遺伝的差異を比較した研究では、脳細胞のシグナル伝達に関連する60種類のエピジェネティックマーカーが発見されました。^[12]
• 児童虐待などの環境要因は、自殺した人では見られなかった、ストレス反応に関連するグルココルチコイド受容体上のエピジェネティックタグの発現を引き起こすようです。 ^[12]これは経験依存の可塑性の一例です。
• 個体における環境の豊かさは海馬遺伝子のヒストンアセチル化の増加と関連しており、それによって記憶の強化（特に空間記憶）が改善される。^[11]

興奮毒性はグルタミン酸受容体が不適切に活性化される現象である。これは、高レベルのグルタミン酸神経伝達物質がシナプス後ニューロンの過剰な活性化を引き起こし、シナプス後ニューロンの死につながる可能性がある、長期にわたる興奮性シナプス伝達によって引き起こされる可能性がある。脳損傷（虚血などによる）後、興奮毒性はニューロン損傷の重要な原因であることが判明している。これは、脳への血流減少後の突然の血液灌流が、虚血期間中のグルタミン酸とアスパラギン酸の増加によって引き起こされる過剰なシナプス活動をもたらす可能性がある場合、理解できる。 ^{[5] [13]}

アルツハイマー病は最も一般的な神経変性疾患であり、高齢者の認知症の最も一般的な形態である。この疾患は、記憶およびさまざまな認知機能の進行性喪失を特徴とする。脳内のアミロイドβペプチド（40〜42アミノ酸残基）の沈着がアルツハイマー病の発症に不可欠であるという仮説が立てられている。蓄積は海馬の長期増強を阻害すると言われている。アミロイドβオリゴマーの受容体がプリオンタンパク質である可能性もある。^[14]

パーキンソン病は、アルツハイマー病に次いで2番目に多い神経変性疾患です。これは、ヒトの脳の黒質のドーパミン作動性ニューロンの喪失によって引き起こされる運動低下性基底核疾患です。したがって、基底核の抑制性流出は減少せず、そのため視床によって媒介される上位運動ニューロンは、適時に活性化されません。具体的な症状には、硬直、姿勢の問題、動作の緩慢化、振戦などがあります。中型有棘ニューロンから網様体細胞へのGABA受容体入力を遮断すると、パーキンソン病で発生する抑制に似た上位運動ニューロンの抑制が引き起こされます。^[5]

ハンチントン病は、大脳基底核の中型有棘細胞からの正常な抑制入力の欠如によって引き起こされる運動亢進性大脳基底核疾患である。これは、上位運動ニューロンの不適切な活性化など、パーキンソン病に関連するものとは逆の効果をもたらす。パーキンソン病に関連して観察されるGABA作動性メカニズムと同様に、黒質網様部に注入されたGABA作動薬は上位運動ニューロンの抑制を減少させ、ハンチントン病の症状に似た弾道的な不随意運動を引き起こす。^[5]