カリフォルニア州ラホーヤにあるスクリプス研究所の科学者らは、健康な脳内で常に輸送されている数百種類のタンパク質を小さな膜で囲まれた袋『エクソソーム』内で発見し、脳細胞間の新しいコミュニケーション形態を明らかにした。この研究成果は、2022年1月25日発行のCell Reports誌のオンライン版に掲載され、アルツハイマー病や自閉症を含む神経疾患の理解を深めるのに役立つと期待されている。この論文は「プロテオーム解析により、視覚系における神経細胞間の多様なタンパク質輸送が明らかになった。（Proteomic Screen Reveals Diverse Protein Transport Between Connected Neurons In The Visual System.）」と題されている。
スクリプス研究所のハーン神経科学教授であるホリス・クライン博士は、「これは、脳の細胞が互いにコミュニケーションをとる全く新しい方法であり、これまで健康や病気について考える際に組み込まれてこなかったものだ。」「それは、多くのエキサイティングな研究の道を開くものだ。」と述べている。
脳全体に信号を送るために、神経細胞は、通常、神経伝達物質と呼ばれる化学物質を用いてコミュニケーションをとるが、この物質は、ある細胞から隣の細胞へと移動する。また、ホルモンも脳内を循環し、脳細胞の成長に影響を与え、神経細胞間の新しい結合を形成するのに役立っている。
これまで研究者らは、脳内では少数のタンパク質が孤立した状態でより独立した動きをするのではないかと考えていた。例えば、アルツハイマー病の研究者は、神経変性に関連する2つのタンパク質であるシヌクレインとタウが、アルツハイマー病に罹患した動物の脳内で細胞間を移動する可能性があることを発見している。しかし、これがアルツハイマー病と関係があるのかどうかは不明であった。他の研究チームは、ある細胞で作られたタンパク質が後に別の細胞で見つかるという証拠を示しているが、タンパク質がアミノ酸の構成要素に分解され、後に移動先の細胞で再び組み立てられるという可能性を排除することはできない。
今回、クライン博士らは、無傷のタンパク質のみを追跡できるよう、タンパク質を標識する方法を用いた。ビオチンというタグは、タンパク質が分解されると新しいタンパク質に再統合されなくなるのである。研究チームは、このタグをラットの目の網膜神経節細胞に導入した。11日後、視覚を司る脳の領域で、網膜神経節細胞から物理的に離れた場所にある視覚野の細胞を調べた。
次に、ビオチンでタグ付けされた視覚野のあらゆるタンパク質を単離した。200以上のタンパク質が見つかり、スクリプス研究所のジョン・イェーツ三世博士（教授）と共同で、質量分析を用いて各タンパク質を同定した。
「これまでの方法では、輸送される特定のタンパク質を特定したり、そのプロセスを超微細構造レベルで観察したりすることはできなかった。」と、この新しい論文の筆頭著者で、スクリップス研究所の元スタッフ科学者、現在はデューク大学に在籍するルチオ・シャッパレリ博士は語っている。
同定されたタンパク質には、アルツハイマー病で細胞間を移動しているタウやシヌクレインなど、脳内で既知の機能を持つものが多く含まれている。
「健康な脳では、タウとシヌクレインが脳内を移動するのは正常であることが確認されたのだ。」「しかし、アルツハイマー病では、神経細胞間を移動するのは、タンパク質の毒性形態なのだ。」とクライン博士は述べている。
エクソソーム
さらに研究チームは、別のタンパク質タグを用い、ほとんどの場合、これらのタンパク質はエクソソーム（膜に囲まれた小さな区画で、スーツケースのようにタンパク質が詰まっている）の中で細胞間に輸送されていることも明らかにした。この発見は、脳の他の部位におけるタンパク質の動きを追跡したり、健康な脳と病気の脳における神経細胞間のタンパク質輸送を比較したりしたいと考える他の研究者に道を開くものである。
今回の研究は視覚系で行われたが、クライン博士は、この結果がさらに広がると考えない理由はない、と言う。「このようなメカニズムで、脳内のあらゆる場所でタンパク質が移動している可能性がある」「私が本当に望むのは、これが、今まで知られていなかった細胞間コミュニケーションの役割を探求する新しい関心を呼び起こすことだ。」と述べている。
