ニューロフィラメント

ニューロフィラメント（NF ）は、ニューロンの細胞質に見られるIV型中間径フィラメントに分類されます。直径10nm、長さは数マイクロメートルのタンパク質ポリマーです。^[1]微小管（約25nm）およびマイクロフィラメント（7nm） とともに、ニューロンの細胞骨格を形成します。主に軸索の構造的支持を提供し、神経伝導速度に影響を与える軸索の直径を調節する機能を持つと考えられています。ニューロフィラメントを形成するタンパク質は、中間径フィラメントタンパク質ファミリーのメンバーであり、遺伝子構成とタンパク質構造に基づいて6つのタイプに分類されます。タイプIとIIは、上皮で発現するケラチンです。タイプIIIには、ビメンチン、デスミン、ペリフェリン、グリア線維性酸性タンパク質（GFAP）などのタンパク質が含まれます。タイプIVは、ニューロフィラメントタンパク質NF-L、NF-M、NF-H、 α-インターネキシンで構成されています。タイプ V は核ラミンから構成され、タイプ VI はタンパク質ネスチンから構成されます。タイプ IV 中間径フィラメント遺伝子はすべて、他の中間径フィラメント遺伝子配列には見られない 2 つの固有のイントロンを共有しており、これは 1 つの原始的なタイプ IV 遺伝子からの共通の進化的起源を示唆しています。

神経細胞の細胞質内に伸びるタンパク質性フィラメントは神経原線維とも呼ばれます。^[2]この名前は、いくつかの神経変性疾患の神経原線維変化に使用されます。

ニューロフィラメントのタンパク質構成は、動物門によって大きく異なります。ほとんどは哺乳類のニューロフィラメントについて知られています。歴史的には、哺乳類のニューロフィラメントは、ニューロフィラメントタンパク質 NF-L (低分子量; NF-L )、NF-M (中分子量; NF-M )、NF-H (高分子量; NF-H ) と呼ばれる 3 つのタンパク質のみで構成されていると考えられていました。これらのタンパク質は軸索輸送の研究から発見され、「ニューロフィラメントトリプレット」と呼ばれることがよくあります。^[3] しかし、ニューロフィラメントにはタンパク質 α-インターネキシン^[4]も含まれていること、および末梢神経系のニューロフィラメントにはタンパク質ペリフェリン^{[5]も含まれていることが明らかになっています (これは}網膜で発現するペリフェリン 2とは異なります)。このように、哺乳類のニューロフィラメントは、NF-L、NF-M、NF-H、α-インターネキシン、ペリフェリンという最大5つの異なるタンパク質のヘテロポリマーです。5つのニューロフィラメントタンパク質は、異なる神経細胞タイプや発達の異なる段階で、さまざまな組み合わせで共集合する可能性があります。特定の神経細胞におけるニューロフィラメントの正確な構成は、その時点での細胞内のニューロフィラメントタンパク質の相対的な発現レベルによって異なります。たとえば、NF-Hの発現は発達中のニューロンでは低く、出生後には有髄軸索を持つニューロンで増加します。^[6] 成体の神経系では、小さな無髄軸索のニューロフィラメントにはペリフェリンが多く、NF-Hは少なく、大きな有髄軸索のニューロフィラメントにはNF-Hが多く、ペリフェリンは少なくなっています。タイプ III 中間径フィラメントサブユニットであるビメンチンは、発達中のニューロンと、網膜の水平ニューロンなどのタイプ IV タンパク質と関連して成人のいくつかの非常に珍しいニューロンで発現します。

トリプレットタンパク質は、相対的なサイズに基づいて命名されています (低、中、高)。SDS -PAGEで決定された各タンパク質の見かけの分子量は、アミノ酸配列から予測される質量よりも大きいです。これは、これらのタンパク質の電気泳動移動が異常なためであり、特にニューロフィラメントタンパク質 NF-M および NF-H では荷電アミノ酸の含有量が多く、リン酸化が広範囲にわたるため、この傾向が顕著です。3 つのニューロフィラメントトリプレットタンパク質はすべて、グルタミン酸とリジン残基に富む長いポリペプチド配列を含み、NF-M、特に NF-H には、複数の直列に繰り返されるセリンリン酸化部位も含まれています。これらの部位のほぼすべてにペプチドリジン-セリン-プロリン (KSP) が含まれており、リン酸化は通常、樹状ニューロフィラメントではなく軸索に見られます。ヒト NF-M にはこれらの KSP 部位が 13 個ありますが、ヒト NF-H は 2 つの対立遺伝子から発現され、そのうちの 1 つは 44 回、もう 1 つは 45 回の KSP 繰り返しを生成します。

他の中間径フィラメントタンパク質と同様に、ニューロフィラメントタンパク質はすべて、ロッドドメインと呼ばれるロッド状の三次構造を持つ共通の中心αヘリックス領域を共有しており、その両側には大部分が構造化されていないアミノ末端ドメインとカルボキシ末端ドメインが位置している。2 つのニューロフィラメントタンパク質のロッドドメインは二量体化してαヘリックスコイルドコイルを形成する。2 つの二量体は互い違いに反平行に会合して四量体を形成する。この四量体はニューロフィラメントの基本サブユニット (つまり構成要素) であると考えられている。四量体サブユニットは左右に会合して単位長さのフィラメントを形成し、これが端と端でアニールして成熟したニューロフィラメントポリマーを形成するが、ポリマー内でのこれらのサブユニットの正確な構成は、主にタンパク質組成が不均一であることと、ニューロフィラメントまたはニューロフィラメントタンパク質を結晶化できないことからわかっていない。構造モデルでは、一般的に、フィラメントの断面に 8 つのテトラマー (32 個のニューロフィラメントポリペプチド) があると想定されていますが、線状質量密度の測定では、これが変化する可能性があることが示唆されています。

ニューロフィラメントタンパク質のアミノ末端ドメインには多数のリン酸化部位が含まれており、フィラメント組み立て中のサブユニット相互作用に重要であると思われます。カルボキシ末端ドメインは、αヘリックスやβシートを欠く本質的に無秩序なドメインのようです。ニューロフィラメントタンパク質のサイズが異なるのは、主にカルボキシ末端ドメインの長さの差によるものです。これらのドメインには、酸性および塩基性アミノ酸残基が豊富に含まれています。NF-M および NF-H のカルボキシ末端ドメインは最も長く、生体内でのリン酸化やグリコシル化などの翻訳後修飾によって広範囲に変化します。これらはフィラメント骨格から放射状に突き出て、ボトルブラシの毛に似た、高電荷で構造化されていないドメインの密な刷子縁を形成します。これらのエントロピー的に揺れ動くドメインは、各フィラメントの周囲に排除ゾーンを定義し、フィラメントを近隣のフィラメントから効果的に離すために提案されています。このようにして、カルボキシ末端突起はニューロフィラメントポリマーの空間充填特性を最大限に高めます。電子顕微鏡で見ると、これらのドメインは、隣接するフィラメントと接触しているように見えるサイドアームと呼ばれる突起として現れます。

ニューロフィラメントは脊椎動物のニューロンに見られ、特に軸索中に高濃度で存在し、軸索の長軸に沿って平行に並び、連続的に重なり合う配列を形成している。軸索の直径を増加させる空間充填構造として機能することが提案されている。軸索の直径へのニューロフィラメントの寄与は、軸索内のニューロフィラメントの数と充填密度によって決まる。軸索内のニューロフィラメントの数は、ニューロフィラメント遺伝子発現^[7]と軸索輸送によって決まると考えられている。フィラメントの充填密度は、隣接するフィラメント間の間隔を定義する側腕によって決まる。側腕のリン酸化は、隣接するフィラメントの側腕間に二価カチオンが結合することによって、隣接するフィラメント間の間隔を広げ、その伸長性を高めると考えられている^{[ 8] [9] [10]。}

発達初期には、軸索は比較的少数のニューロフィラメントを含む狭い突起である。髄鞘化した軸索はより多くのニューロフィラメントを蓄積し、それが軸索の直径の拡大を促す。軸索が成長して標的細胞と結合すると、軸索の直径は最大5倍に増加することがある。^[11] これは、神経細胞体から輸出されるニューロフィラメントの数の増加と輸送速度の低下によって引き起こされる。成熟した髄鞘化した軸索では、ニューロフィラメントは最も豊富な細胞質構造であり、軸索の断面積の大部分を占めることがある。例えば、大きな髄鞘化した軸索には、1つの断面に何千ものニューロフィラメントが含まれることがある。

軸索における構造的役割に加えて、ニューロフィラメントは軸索輸送の荷物でもある。^[3] 軸索内のニューロフィラメントタンパク質のほとんどは神経細胞体で合成され、そこで約30分以内にニューロフィラメントポリマーに急速に組み立てられる。^{[12]これらの組み立てられたニューロフィラメントポリマーは、微小管}モータータンパク質によって駆動される微小管トラック 上を軸索に沿って輸送される。^[13] フィラメントは双方向、つまり軸索先端に向かって（順行性）および細胞体に向かって（逆行性）移動するが、全体的な方向は順行性である。フィラメントは短時間（数秒または数分）で最大8 μm/sの速度で移動し、平均速度は約1 μm/sである。^[14]しかし、より長い時間スケール（数時間または数日）での平均速度は遅くなります。なぜなら、動きは非常にまれであり、長い休止によって中断された短いスプリントで構成されるためです。^{[15] [16]} したがって、長い時間スケールでは、神経フィラメントは軸索輸送の遅い成分で動きます。

ニューロフィラメントタンパク質に対する特異的抗体が数多く開発され、市販されています。これらの抗体は、免疫蛍光顕微鏡法や免疫組織化学法を用いて細胞や組織内のニューロフィラメントタンパク質を検出するために使用できます。このような抗体は、組織切片や組織培養でニューロンとその突起を識別するために広く使用されています。VI型中間径フィラメントタンパク質ネスチンは、発達中のニューロンとグリアで発現しています。ネスチンは神経幹細胞のマーカーであると考えられており、このタンパク質の存在は神経発生を定義するために広く使用されています。このタンパク質は発達が進むにつれて失われます。

ニューロフィラメント抗体は、神経病理診断でもよく使用されます。これらの抗体で染色すると、ニューロン（ニューロフィラメントタンパク質陽性）とグリア（ニューロフィラメントタンパク質陰性） を区別できます。

中枢神経系を侵す疾患における軸索損傷のバイオマーカーとしてのニューロフィラメントタンパク質の使用にも、かなりの臨床的関心が寄せられている。 ^{[17] [18]} ニューロンまたは軸索が変性すると、ニューロフィラメントタンパク質が血液または脳脊髄液中に放出される。したがって、脳脊髄液および血漿中のニューロフィラメントタンパク質の免疫測定は、神経疾患における軸索損傷の指標として役立つ可能性がある。^[19] したがって、血液および脳脊髄液中のNF-Lレベルは、筋萎縮性側索硬化症^[20] 、多発性硬化症^[21]、および最近ではハンチントン病^[22]の疾患モニタリングに有用なマーカーである。また、急性虚血性脳卒中の後の機能的転帰の予後マーカーとしても評価されている。^[23] ニューロフィラメント異常を有する変異マウスは、筋萎縮性側索硬化症に似た表現型を示す。^[24] EnCor Biotechnology Inc.とフロリダ大学の共同研究で行われた最近の研究では、最も広く使用されているNF-Lアッセイで使用されているNF-L抗体は、細胞死によって誘発されるタンパク質分解によって生成されるNF-Lの切断型に特異的であることが示されました。^[25]

• ビエルショウスキー染色