リボンシナプス

光受容体リボンシナプスの 厚さは約 30 nm です。リボンは細胞質内に200〜1000  nm 突き出ており、基部に沿って、シナプス前膜に固定されている電子密度の高い構造である弓状密度に固定されています。弓状密度は、シナプス前膜の小さな突出部であるシナプス隆起内に位置しています。有毛細胞には弓状密度がないため、このリボンの固定部は電子顕微鏡では見えないと考えられています。^{[ 11 ]}リボンの表面には、シナプス小胞が細いタンパク質フィラメント を介して密に繋がっている幅約 5 nmの小さな粒子があります。1 つの小胞には複数のフィラメントがあります。リボンシナプスのドッキング部位には、神経伝達物質の放出を誘発する電圧依存性L 型カルシウムチャネルもあります。具体的には、リボンシナプスにはシナプスリボンと呼ばれる特殊な細胞小器官が含まれており、これらは活動領域に存在する大きなシナプス前構造です。これらはシナプス小胞サイクルを微調整すると考えられています。^{[ 8 ]}シナプスリボンはシナプス小胞に近接しており、シナプス小胞はリボンを介してシナプス前神経伝達物質放出部位に近接しています。^{[ 12 ]}

蝸牛細胞と光受容細胞では、シナプス後構造が異なります。有毛細胞は、1つの小胞放出で1つの活動電位を伝播できます。シナプス前有毛細胞からシナプス後ボタンへの1つの小胞放出で、聴覚求心性細胞に活動電位を発生させるのに十分です。^{[ 13 ]}光受容細胞では、1つの小胞放出で多数の活動電位を伝播できます。光受容細胞の桿体終末と錐体リボンシナプスには、AMPA受容体を発現する水平シナプス棘があり、さらにmGluR6受容体を示す双極性樹状突起があります。^{[ 11 ]}これらの構造により、複数のグルタミン酸分子が結合し、多数の活動電位の伝播が可能になります。

従来の神経シナプスとリボンシナプスの分子構成は驚くほど異なっている。脊椎動物の神経シナプスにおけるシナプス小胞のエキソサイトーシス機構の中核はSNARE複合体である。最小限の機能を持つSNARE複合体には、シンタクシン1、VAMP1および2、SNAP-25が含まれる。^{[ 14 ]}対照的に、SNAP-25、シンタクシン1-3、VAMP1-3を標的とした遺伝子除去またはボツリヌス毒素の投与は、マウスの内有毛細胞リボンシナプスのエキソサイトーシスに影響を与えなかった。 ^{[ 15 ]}さらに、免疫染色を用いて有毛細胞に神経SNAREは観察されなかった^{[ 15 ]}ことから、異なるエキソサイトーシス機構の可能性が示唆される。しかし、いくつかの研究では、有毛細胞でSNARE mRNAとタンパク質が発現していることが発見されており、 ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}リボンシナプスに低レベルで非常に冗長な構成要素を持つニューロンSNARE複合体が存在することを示唆している可能性がある。^{[ 19 ] [ 20 ]}

シナプスリボンのいくつかのタンパク質は、従来のシナプスにも関連していることがわかっています。RIM（Rab 3相互作用タンパク質）は、シナプス小胞に発現するGTPaseで、シナプス小胞のプライミングに重要です。^{[ 12 ]}免疫染色により、キネシンIIモーター複合体の構成要素であるKIF3Aの存在が明らかになりましたが、その機能はまだ不明です。 ^{[ 21 ]}シナプス前細胞マトリックスタンパク質であるBassoonとPiccoloは両方とも光受容体リボンに発現していますが、Piccoloは網膜双極シナプスリボンにのみ発現しています。Bassoonはシナプスリボンの基部に付着し、その後シナプスリボンを固定する役割を担っています。Piccoloの機能は不明です。^{[ 11 ]}また、小胞をリボンシナプスに繋ぎ止めるフィラメントも重要です。これらは、エキソサイトーシスの速度が高いときに放出されます。^{[ 11 ]}シナプスリボンに関連する唯一の特異的なタンパク質はRIBEYEであり、ウシ網膜から精製されたシナプスリボンで最初に同定された。^{[ 22 ]} RIBEYEは、脊椎動物のゲノムではCtBP2遺伝子の代替転写産物としてコードされている。^{[ 12 ]}ニワトリとヒトの網膜の発達中、RIBEYEは光受容体と双極細胞の網膜ニューロンで発現する。^{[ 23 ]}リボンシナプスではすべての脊椎動物のシナプスリボンの一部であり、リボンシナプスの中心部分であることがわかっている。^{[ 12 ]} RIBEYEの相互作用は、シナプスリボンの足場形成タンパク質を形成するために必要である。^{[ 12 ]}

中枢神経系のシナプスで普遍的に発現する多ドメイン足場タンパク質であるシナプス前細胞マトリックスタンパク質Bassoonについては、かなりの量の研究が行われてきました。^{[ 24 ]} Bassoonの変異はシナプス伝達の低下をもたらすことが示されています。しかし、この観察された現象の背後にある根本的なメカニズムは完全には理解されておらず、現在調査中です。Bassoon変異マウスの網膜では、光受容体リボンシナプスが光受容体シナプス形成中にシナプス前活性ゾーンに固定されていないことが観察されています。光受容体リボンシナプスは、光受容体終末の細胞質内で自由に浮遊していることが観察されています。^{[ 24 ]}これらの観察から、Bassoonは光受容体リボンシナプスの形成において重要な役割を果たしているという結論に至りました。

リボンシナプスは、その活動に応じて、大きさが異なるシナプスリボンを持つことができる。マウスの光受容体シナプスでは、神経伝達物質の放出速度が高く、エキソサイトーシスが高い場合、シナプスリボンは長くなる。神経伝達物質の放出速度が低く、エキソサイトーシスが低い場合、シナプスリボンは短くなる。^{[ 12 ]}現在の仮説では、シナプスリボンはRIBEYEサブユニットの追加によって大きくなる可能性がある。^{[ 25 ]}

双極性リボンシナプスのエキソサイトーシス中、小胞は膜上で一時停止し、カルシウムチャネルが開くと数ミリ秒以内に内容物を速やかに放出することが観察される。ほとんどのエキソサイトーシスと同様に、Ca ^{2+ は}シナプス前膜からの小胞の放出を調節する。リボンシナプスの種類によって、Ca ²⁺放出への依存性が異なる。有毛細胞のリボンシナプスは Ca ²⁺濃度に急激に依存するが、^{[ 26 ]光受容体シナプスは Ca 2+}への依存性が緩やかで、はるかに低いレベルの遊離 Ca ²⁺によって刺激される。^{[ 27 ]}有毛細胞のリボンシナプスは、一定の有毛細胞膜電位の条件下で、刺激がない場合でも自発的な活動を示す。^{[ 28 ]}シナプス後ボタンでの電圧クランプにより、ボタンは広範囲の興奮性シナプス後電流振幅を経験することが示された。^{[ 4 ]}現在の振幅分布は正に歪んでおり、自発的放出と刺激誘発放出の両方でより大きな振幅の範囲があります。この電流分布は単一小胞放出では説明できないと考えられており、他の放出シナリオが提案されています。協調的多小胞放出、^{[ 4 ] [ 29 ]}キスアンドラン、またはエキソサイトーシス前の小胞の複合融合。^{[ 30 ]}しかし、融合孔のちらつきを伴う単一量子放出が、発見された電流分布の最も妥当な解釈であると最近提案されました。^{[ 7 ]}実際、電流の電荷分布は実際には正規分布しており、単一量子放出シナリオを支持しています。電流振幅分布の歪度は、ちらつく融合孔を持つ単一小胞の神経伝達物質放出の異なる時間経過によってよく説明されることが示されています。

リボンシナプスの双極細胞の活性領域は、強い刺激を受けると、数百ミリ秒にわたって神経伝達物質を連続的に放出することができます。この神経伝達物質の放出は、速度論的に異なる2つの段階で起こります。1つは、全体の約20%が約1ミリ秒で放出される小さな高速プール、もう1つは、残りの成分が数百ミリ秒かけて放出される大きな持続プールです。リボンの桿体細胞と双極細胞におけるテザー小胞のプールと持続放出プールの対応関係の存在は、リボンが、神経伝達物質の持続放出を可能にするために小胞を準備できるプラットフォームとして機能する可能性があることを示しています。この大きな持続成分のサイズが、リボンシナプスの活性領域を、持続放出が比較的小さい従来のニューロンの活性領域と区別するものです。シナプス前小胞が枯渇すると、双極細胞の放出可能なプールは、ATP加水分解の助けを借りて数秒かけて補充されます。^{[ 11 ]}

リボンシナプスでの持続的な神経伝達物質放出中は、高いエキソサイトーシス率に対抗するために、高いエンドサイトーシス率が必要である。シナプス小胞は、さらなる伝達が起こるためにリサイクルされる必要がある。これらの小胞は直接リサイクルされ、その可動性により、継続的な放出に必要な神経伝達物質を迅速に補充する。錐体視細胞では、融合した膜はエンドソームに膜が溜まることなくシナプス小胞にリサイクルされる。双極細胞は異なるメカニズムに依存している。これは、膜の大部分がエンドサイトーシスされてシナプス小胞を生じるというものである。このメカニズムは有毛細胞でも保存されている。^{[ 11 ]}

リボンシナプス関連タンパク質であるオトフェルリンの異常発現は、聴覚内有毛細胞におけるリボン結合小胞のエキソサイトーシスを阻害することが研究で示されている。オトフェルリンは、他の多くのシナプス（中枢神経系など）におけるエキソサイトーシスを媒介する上で重要なシナプス関連タンパク質であるシナプトタグミンと同様の機能特性を示す。マウスの聴覚障害は、オトフェルリンの発現障害と関連していることが示されている。^{[ 31 ]}

実験用マウスの網膜遺伝子コーディングの研究では、リボンシナプスに関連するいくつかの変異した電位依存性L型カルシウムチャネル補助サブユニットが、桿体および錐体の活動と情報伝達の機能不全に関連していることが示されました。^{[ 32 ]}マウスは暗所視が著しく低下していることが示され、さらなる研究により、カルシウム恒常性の調節異常が桿体視細胞の変性および死に重要な役割を果たしている可能性があることが示されています。^{[ 32 ]}

実験用マウスで観察されたタンパク質に関連する遺伝情報の多くは、ヒトと共有されています。タンパク質オトフェルリンは、表現型としてヒトの聴覚内有毛細胞で観察され、異常な発現は難聴と関連付けられています。ヒトでは、人工内耳が聴覚内有毛細胞に関連するシナプスを迂回することで、異常なオトフェルリン発現による衰弱効果を軽減することが示されています。 暗所視障害および桿体視細胞の変性に関連する網膜サブユニットの遺伝コードは、マウスとヒトの間で約93%保存されています。^{[ 31 ]}これらのメカニズムの異常な機能に関するさらなる研究は、聴覚および視覚障害を軽減する治療技術への道を開く可能性があります。

最近のいくつかの研究では、光受容体リボンシナプスのシナプス前タンパク質の機能喪失変異が、L型カルシウムチャネルCa _v 1.4のαF1サブユニットをコードするCACNA1F遺伝子の変異を介して、 X連鎖性先天性静止夜盲症（CSNB）を引き起こす可能性があるという証拠が提供されています。^{[ 24 ]}_{この遺伝子は、光受容体リボンシナプスの活性ゾーンで発現しています。この変異は、夜間の視力の著しい低下と、昼間の視力の変動的な障害によって特徴付けられます。CACNA1FとCa v} 1.4の変異は、光受容体特異的カルシウム結合タンパク質であるCaBP4と共局在することも観察されています。^{[ 24 ]} _{CaBP4は、Ca v} 1.4チャネルの活性を調節すると考えられています。これは、光受容体リボンシナプスの適切な確立と維持に関連していると考えられています。現時点では証拠は公表されていないものの、CaBP4とCa _v 1.4の関連性については、現在も研究が続けられている分野である。