シナプスの安定化

シナプスの安定化は発達中の神経系および成体の神経系において極めて重要であり、長期増強(LTP) の後期段階の結果であると考えられています。このメカニズムには、細胞骨格および細胞外マトリックス要素とシナプス後足場タンパク質の発現増加を通じて活性シナプスを強化および維持し、あまり活性でないシナプスを刈り込むことが含まれます。たとえば、細胞接着分子(CAM) はシナプスの維持と安定化に大きな役割を果たします。ジェラルド・エデルマンはCAM を発見し、発達中のその機能を研究した結果、CAM が細胞の移動と神経系全体の形成に必要であることが示されました。 ^{[1] [2]成体の神経系では、CAM は}学習と記憶に関連するシナプス可塑性において重要な役割を果たします。^[3]

シナプス細胞接着分子（CAM）は、神経発達中のニューロン間の軸索経路探索とシナプス確立に重要な役割を果たしており、シナプス前およびシナプス後シグナル伝達経路の正しい配置、エンドサイトーシスとエキソサイトーシスに関する小胞リサイクル、シナプス後受容体の統合、シナプス成分の安定性を確保するための細胞骨格への固定など、多くのシナプスプロセスに不可欠な要素です。^[4]

SynCAM（Cadmまたはネクチン様分子としても知られる）は、脊椎動物に見られる特定のタイプのシナプスCAMで、興奮性（抑制性ではない）シナプスの成長と安定化を促進します。SynCAMは主に脳のシナプス前部とシナプス後部の両方に局在し、その構造は細胞内FERMおよびPDZ結合ドメイン、単一の膜貫通ドメイン、および3つの細胞外Igドメインで構成されています。神経発達の間、SynCAM1などのSynCAMは、軸索樹状突起接続が形成されると急速に蓄積し、安定した接着複合体の形成を助ける軸索成長円錐の「接触センサー」として機能します。^[5]

synCAM1とニューロリギンはシナプス前終末の形成を開始するのに十分であることが知られている2つのCAMであり、共培養された神経細胞と非神経細胞の培地にsynCAM1を添加するとシナプス前終末が確立される。軸索成長円錐と樹状突起棘の糸状仮足上の2つのsynCAM1分子の同種親和性結合により、シナプス前細胞とシナプス後細胞間の最初の接触が可能になる。^[6]

synCAMはIgスーパーファミリータンパク質に属します。シナプス後膜に埋め込まれたsynCAMの細胞質PDZドメインはシナプス後足場タンパク質PSD-95と相互作用し、複合体を基礎となる細胞骨格に固定するのに役立ちます。^[7]

カドヘリンはカルシウム依存性の同種親和性細胞接着分子で、カテニンとして知られる細胞質パートナーと複合体を形成する。^[8]この複合体の成分は、さまざまな足場タンパク質、ホスファターゼ、キナーゼ、受容体に結合します。^[9]古典的なカドヘリンは、カルシウムに結合する5つの細胞外繰り返し構造、単一の膜貫通ドメイン、およびカテニンパートナーに結合する遠位細胞質ドメインを持つ細胞内テールを持っています。 [ ^{9] [ 10]最近の研究では、カドヘリン-カテニン複合体がシナプス安定化や}可塑性など、さまざまな中枢神経系プロセスに関与していることが示唆されています。^{[8] [9] [10]}

中枢神経系の多くのカドヘリンは、異なる空間的および時間的な発現パターンを示します。^[9]たとえば、N-カドヘリンは発達中のシナプスで広く発現し、その後成熟した活性領域の近くに留まります。これは、この複合体が構造変化とシナプスの安定性を結び付けるのに適している可能性があることを示唆しています。^[9]実際、局所的なシナプス活動の変化は、カドヘリン-カテニン複合体の発現に影響を与えます。^[9]特定のスパインでの活動の増加は、 N-カドヘリンの二量体化につながり、その後切断されて CBP/ CREB​​転写の抑制につながります。^[9]この抑制は、発達と可塑性に関連する多くの意味を持っています。

樹状突起スパインの形成と剪定に関しては、競合仮説が提唱され、裏付けられている。^{[11] [12]}この仮説は、活動依存的に局所領域内のスパイン間に分布するカドヘリン-カテニン複合体の相対レベルが、個々のスパインにどのような運命をもたらすかを決定することを示唆している。つまり、β-カテニンをめぐるスパイン間の競合が、スパインが成熟するか（複合体の数が増える）剪定されるか（複合体の数が減る）を決定するのである。^[12]これは、発達を通じて起こる皮質回路の改良において重要なメカニズムである。^[11]

ネクチンは、細胞接着分子の独特なファミリーです。これらの CAM は、シナプス形成中のシナプス前およびシナプス後ニューロンプロセスの最初の接触に関与しています。シナプスには、ネクチン 1、2、3、4 の4 つのよく特徴付けられたネクチンしかありません。 ^[13]すべての膜結合ネクチンは、3 つの免疫グロブリンのようなループを持つ細胞外領域を持っています。膜から最も遠いループは V 型ループと呼ばれ、より内側の 2 つのループは C2 型ループです。1 つの細胞膜上の複数のネクチンは、V 型ループで結合してネクチンタンパク質のクラスターを形成します。このプロセスは、シス クラスタリングと呼ばれます。個別のシス クラスターを持つ 2 つの細胞が接触すると、トランス相互作用と呼ばれる強力な複合体が形成され、接着が実現し、場合によっては 2 つの細胞間のシグナル伝達も行われます。^[14]

ネクチンのシナプス安定化における役割に関する最も確固とした知識は、海馬CA3領域の苔状線維終末と錐体細胞樹状突起の間に形成されるシナプスから得られています。^[15]このシナプスの形成と安定化に関与するネクチンはネクチン-1とネクチン-3で、それぞれシナプス後細胞とシナプス前細胞の細胞膜から突出し、異好性の細胞外接触を形成します。すべてのネクチンの細胞内ドメインは、L-アファディンと呼ばれるタンパク質に直接結合します。L-アファディンはアクチン細胞骨格のFアクチンに結合するアクチン結合タンパク質です。このようにして、ネクチンは細胞のアクチン構造の隆起した接続を形成し、シナプスが制御された安定した環境で発達できるようにします。^[16]

CA3領域でシナプスが成熟するにつれて、シナプスの安定化において互いに密接に関係するネクチンとカドヘリンが活性領域の周辺に移動して、点状接着結合（PAJ）を形成する。PAJは上皮組織の接着結合とよく似た機能を果たす。これらのCAMの移動とこの結合の形成により、新生シナプス膜が相互作用して成熟する余地が生まれ、周囲の膜を仕切り、細胞骨格を固定する。^[14]

ニューレキシン-ニューロリジン相互作用は、適切なシナプス伝達の安定化と維持に不可欠なシナプス間の機能的非対称性の確立に役立ちます。^[17]シナプス前ニューレキシンとそのシナプス後結合パートナーであるニューロリジンは、神経発達の初期に複合体を形成し、両方ともシナプス形成の強力な誘導因子であることが知られています。^[18 ]ニューレキシンを人工的に発現する非神経細胞は、共培養されたニューロンのシナプス後特殊化を動員するのに十分です。 ^[19]ニューロリジン発現細胞も同様に、隣接するニューロンのシナプス前分化のマーカーを誘導することができます。^{[20] [21]}しかし、両方ともシナプス形成に重要な役割を果たしますが、これらの細胞接着分子は、発達中のニューロン接続の形成には必要ありません。^[22]ニューレキシンまたはニューロリギンのいずれかのトリプルノックアウトマウス変異体は、正常な数のシナプスを示すが、正常なシナプス伝達の障害により胎児致死表現型を発現する。^{[23]したがって、それらはシナプス形成}自体に必要ではないが、生存に必要な機能回路へのシナプスの成熟と統合に不可欠である。

ニューレキシンとニューロリジンは、細胞外の相互接触を超えて、細胞内でもアダプタータンパク質と足場構造の広大なネットワークに結合し、アクチン細胞骨格と協調して、シナプス伝達に必要な構成要素の局在化を助けます。例えば、最初に発見されたニューロリジン（NLGN1）は、グルタミン酸シナプスの足場タンパク質としてよく知られ、NMDA受容体を適切なシナプス後部位に機能的にリンクするPSD95に結合するPDZドメインによって特定されました。 ^{[21] [24]}同様に、ニューロリジンの別のアイソフォーム（NLGN2）は、 GABAシナプスに特異的な足場タンパク質であるゲフィリンと相互作用し、シナプスアダプタータンパク質コリビスチンの活性化を担っています。^[25]ニューレキシンの場合、その細胞内結合相互作用は、活性領域でのシナプス伝達に不可欠な機構をリクルートする上で同様に重要です。ニューロリギンと同様に、ニューレキシンはCASK（カルシウムカルモジュリン依存性タンパク質キナーゼ）と関連するPDZドメインを持っています。^[24] CASKは、自身とニューレキシンをリン酸化することに加えて、ニューレキシンとアクチン結合タンパク質との相互作用を促進し、それによってニューレキシンがシナプスの安定性と可塑性に不可欠な細胞骨格の動態を調節できる直接的なリンクを提供します。ニューレキシンはまた、シナプス小胞の膜に埋め込まれたタンパク質であるシナプトタグミンに結合し、シナプス刺激による神経伝達物質のエキソサイトーシスに必要なイオンフラックスを媒介する電位依存性カルシウムチャネルとの結合を促進することもできます。^{[26] [23]}このように、ニューレキシンとニューロリギンはシナプスの形態学的および機能的側面を調整し、その結果、新生の未熟な接触が神経伝達のための本格的な機能的プラットフォームに安定することを可能にします。

エフリンなどの非伝統的な接着分子もシナプス接触を安定化させるのに役立ちます。Eph受容体とその膜結合リガンドであるエフリンは、軸索誘導、ニューロンの移動、シナプス形成、軸索刈り込みなど、発達と成熟の過程でさまざまな細胞プロセスに関与しています。^{[27] [28]}海馬では、樹状突起棘の 形態は、双方向のエフリン/EphAシグナル伝達を介してアストロサイトによって制御されている可能性があります。 ^[29]アストロサイトとその突起はエフリンA3を発現し、EphA4受容体は海馬ニューロンに豊富に含まれています。エフリンA3/EphA4シグナル伝達によって媒介されるこの相互作用は、サイクリン依存性キナーゼ5 （Cdk5）のリクルートメントと活性化を誘導し、次にグアニン交換因子（GEF）であるエフェキシン1をリン酸化します。^[30]リン酸化されたエフェキシン1は、その後、小さなGTPaseであるRhoAを活性化し、そのエフェクターであるRhoキナーゼ（ROCK）を活性化し、アクチンフィラメントの再配置を引き起こします。^[30]このメカニズムを通じて、アストロサイトのプロセスは、エフリン/EphAシグナル伝達を介して個々の樹状突起を安定化し、それらの棘への成熟を促進することができます。 EphA4の活性化を含む順方向シグナル伝達は、神経筋接合部でのシナプスタンパク質の安定化をもたらします。^[30] EphA4/エフリンA3を介したニューロン-グリア相互作用と同様に、このプロセスはエフェキシンを介してROCKを活性化することでアクチン細胞骨格のダイナミクスを制御します。^[30]

エフリンB/EphBシグナル伝達は、さまざまなメカニズムを通じてシナプスの安定化にも関与しています。これらの分子には細胞質テールが含まれており、PDZドメインを介して足場タンパク質と相互作用して、新しく形成されたCNSシナプスを安定化します。 ^[28]たとえば、エフリンB3はアダプタータンパク質のグルタミン酸受容体相互作用タンパク質1（GRIP-1）と相互作用して、興奮性樹状突起シャフトシナプスの発達を制御します。^[28]海馬ニューロンの培養で特定されたこのプロセスにより、Eph/エフリンB3逆シグナル伝達がGRIP1をシナプス後シャフトの膜にリクルートすることが明らかになりました。^[31]膜シャフトに到達すると、GRIP1はシナプス前終末の下にグルタミン酸受容体を固定するのに役立ちます。このプロセスには、エフリンBカルボキシル末端（PDZ結合モチーフの近位）近くのセリン残基のリン酸化も関与し、シナプスにおけるAMPA受容体の安定化につながる。 ^[27]

海馬ニューロンで発見された別のメカニズムは、EphBシグナル伝達がEphAで観察されたようにRho GTPase活性を調節することによって脊柱成熟を促進できることを明らかにした。^[32]しかしEphAとは異なり、EphB2受容体はシナプス後N-メチル-D-アスパラギン酸受容体（NMDAR）と相互作用し、エフリンB結合時にGEF Tiam1を複合体にリクルートすることが示されている。 ^{[32] [30] [33]} Tiam1のリン酸化はNMDAR活性に反応して起こり、Tiam1を活性化するカルシウムの流入を可能にする。このメカニズムはアクチン細胞骨格の調節ももたらす。この安定化の結果、EphB2順方向シグナル伝達とエフリンB3逆方向シグナル伝達の両方がNMDARを介してLTPを誘導することがわかった。^[34]