ニューロリギン

ニューロリギン（Neuroligin）

ニューロリギン（略称: NLGN）は、神経細胞間の接合部であるシナプスにおいて、特にシナプス後膜に存在するタイプIの膜貫通タンパク質であり、細胞接着分子として機能します。このタンパク質は、シナプス前膜に存在する細胞接着タンパク質であるβ-ニューレキシンと特異的に結合します。この「握手」とも呼ばれる結合は、二つの神経細胞を結びつけ、機能的なシナプスが形成される上で中心的な役割を果たします。

ニューロリギンは単に細胞を物理的に接着させるだけでなく、シナプスの機能を具体的に決定することで、神経ネットワーク全体の性質にも大きな影響を与えます。また、シナプスにおける重要な構成要素、例えば神経伝達物質の受容体やイオンチャネルなどをシナプス後部の特定の領域へと適切に配置・固定し、安定したシグナル伝達を媒介する働きも持ちます。さらに、ニューロリギンは神経系以外のヒトの末梢組織でも見つかっており、血管が新たに形成される過程（血管新生）にも関与していることが示されています。ヒトにおいて、ニューロリギンをコードする遺伝子に変異や変化が生じると、自閉症スペクトラム障害（ASD）をはじめとする認知機能障害と関連があることが近年の研究で強く示唆されています。

構造

ニューロリギンの細胞外部分は、主にアセチルコリンエステラーゼという酵素と似た構造をしていますが、アセチルコリンエステラーゼが持つような触媒活性は持っていません。しかし、この構造的類似性はニューロリギンが正常に機能するために不可欠です。ニューロリギンはカルシウムイオン（Ca2+）の存在下で、α-ニューレキシンやβ-ニューレキシンが持つLNSドメインと呼ばれる領域に結合します。この異種分子間の結合によって、神経細胞間で特異的な認識コードが確立されます。

ニューロリギン1とβ-ニューレキシン1の複合体の立体構造解析から、ニューロリギン1は二つの分子が集まって二量体を形成し、この二量体の両側にそれぞれβ-ニューレキシン1の単量体が結合することで、全体として四量体を形成することが明らかになっています。この結合面にカルシウムイオンが結合していることも確認されています。また、結合面のごく近傍には、ニューロリギンとニューレキシン双方の遺伝子において、後述する選択的スプライシングが起こる部位が存在しており、このスプライシングによって挿入される配列の有無が、両者間の結合の強さや選択性に影響を与えていると考えられています。ニューロリギンが神経細胞内で実際に二量体を形成していることは生化学的な手法でも確認されており、異なる種類のニューロリギン同士が結合してヘテロ二量体を形成する可能性も示唆されています。

遺伝子と発現

ニューロリギンは、ヒトやマウス、ニワトリといった脊椎動物から、ショウジョウバエ、線虫、ミツバチといった無脊椎動物まで、幅広い生物種で存在が確認されています。ヒトには5種類のニューロリギン遺伝子（NLGN1、NLGN2、NLGN3、NLGN4X、NLGN4Y、NLGN4YはNLGN5とも呼ばれる）があり、それぞれがシナプス伝達に対して異なる影響を与えることが分かっています。一方、マウスやラットには3種類、ショウジョウバエには4種類、ミツバチには5種類、線虫やアメフラシには1種類の遺伝子が存在します。

ニューロリギンの各遺伝子の発現パターンは生物種や発達段階によって異なります。例えば、ニューロリギン1は主に中枢神経系の興奮性シナプスで強く発現しています。ヒトでは、出生前は発現が低いものの、出生後1〜8日のシナプス形成が盛んな時期に顕著に増加し、その後成体期まで高いレベルを維持します。この発現増加は、興奮性シナプス後部の主要な足場タンパク質であるPSD-95の発現増加と歩調を合わせています。ニューロリギン2は、主に中枢神経系の抑制性シナプスに集積しますが、マウスやヒトでは膵臓や肺など神経系以外の組織でも発現が見られる可能性があります。ニューロリギン3は中枢神経系の神経細胞に加え、マウスやラットではグリア細胞でも発現し、ヒトでは脳、心臓、骨格筋、胎盤、膵臓などでも発現しています。NLGN4Xは多くの組織で発現が見られ、NLGN4YはY染色体にコードされており、NLGN4Xと非常に似た構造を持ちます。

選択的スプライシング

遺伝子から転写されたmRNAがタンパク質に翻訳される前に起こる「選択的スプライシング」という過程は、ニューロリギンの機能、特にニューレキシンとの結合の選択性やシナプス機能の調節において重要な役割を果たします。ニューロリギンのスプライシングは、その主要な機能ドメインであるアセチルコリンエステラーゼ相同領域のA部位とB部位という二つの主要な箇所で起こります。これにより、一つの遺伝子から最大で4種類の異なるタンパク質アイソフォームが生成される可能性があります。

ニューレキシン側でも同様に選択的スプライシングが起こるため、ニューロリギンのスプライスバリアントとニューレキシンのスプライスバリアントの様々な組み合わせが生じます。特定の組み合わせは、シナプスの性質を決定する上で重要です。例えば、B部位に配列の挿入がないニューロリギンと、S4部位に配列の挿入があるβ-ニューレキシンのペアは、抑制性シナプスの形成を促進することが知られています。一方、B部位に配列の挿入があるニューロリギンと、S4部位に配列の挿入がないβ-ニューレキシンのペアは、興奮性シナプスの形成を促進します。A部位での挿入は、ニューロリギンの抑制性シナプスへの適切な配置や機能に関わる可能性が示唆されていますが、その詳細なメカニズムはまだ十分に解明されていません。

ニューレキシンとの協調とシナプス形成

ニューロリギンとニューレキシンは互いに協力し、シナプス機能に不可欠な要素、特にシナプス小胞の放出に必要な細胞骨格やタンパク質をシナプス前後に適切に配置・維持します。具体的には、ニューレキシンはシナプス小胞からの神経伝達物質放出に必要な電位依存性カルシウムチャネルを保持する役割を担います。一方、ニューロリギンはニューレキシンと結合することで、シナプス後部に神経伝達物質受容体や、シナプス後部特有の構造（シナプス後肥厚）を形成するのに必要なタンパク質をリクルートします。

発生段階のシナプスでは、様々な種類のニューレキシンとニューロリギンが存在し、これによりニューロンは多様な種類のシナプス結合を形成することが可能になります。また、実験的には、ニューロリギンが存在するだけで、試験管内で新たな機能的なシナプス前終末が形成されることが示されています。しかし、生体内では、シナプス形成の最初期の軸索と樹状突起の接触には、イムノグロブリンドメインタンパク質やカドヘリンといった他の細胞接着分子ファミリーも関与していると考えられています。その後の接触の強化や安定化において、ニューレキシンとニューロリギンが重要な役割を果たすとされています。

ニューロリギンとニューレキシンのスプライシングバリアント間の結合選択性、シナプス膜上での両者の濃度、および共存する他の相互作用タンパク質の存在は、シナプスが形成される際に興奮性または抑制性のどちらの性質を持つかに影響を与えます。興奮性シナプスはシナプス後ニューロンの発火を促し、通常はグルタミン酸を放出します。抑制性シナプスはシナプス後ニューロンの発火を抑え、通常はGABAを放出します。神経系の適切な発達には、興奮性と抑制性のシナプス入力のバランス（E/I比）が非常に重要であり、このバランスの異常は自閉症スペクトラム障害と関連があると考えられています。

ニューロリギンの各タイプはシナプスにおいて異なる局在性を示します。ニューロリギン1は主に興奮性シナプスに、ニューロリギン2は主に抑制性シナプスに、そしてニューロリギン3はその両方に局在します。これらのニューロリギンの濃度が低下すると、抑制性入力は大きく減少しますが、興奮性入力への影響は比較的少ないことが報告されています。さらに、ニューロリギンはシナプス後部の足場タンパク質とも相互作用します。興奮性シナプス後部ではPSD-95と、抑制性シナプスではゲフィリンと結合します。ニューロリギン2や4は、ゲフィリンのシナプスへの局在を調節するタンパク質であるコリビスチンとも特異的に結合します。PSD-95の濃度もE/I比に影響を与え、PSD-95とニューロリギンの比率が上昇するとE/I比が高まります。また、PSD-95を過剰に発現させると、ニューロリギン2が抑制性シナプスから興奮性シナプスへと移動し、興奮性入力が強まり抑制性入力が弱まるという報告もあります。これらの複雑な相互作用は、興奮性・抑制性シナプスの形成とバランスを制御する、フィードバック機構による精密な調節システムを構成していると考えられます。

臨床的意義

ニューロリギンの機能不全は、自閉症スペクトラム障害（ASD）の発症に関与している可能性が強く示唆されています。ASDの患者さんにおいて、ニューロリギンをコードする遺伝子（NLGN1, NLGN2, NLGN3, NLGN4X, NLGN4Y）には、点変異、ミスセンス変異、遺伝子の一部または全体の欠失など、様々な種類の遺伝子変化が見つかっています。特に、X連鎖型の自閉症を示す家系の研究から、NLGN3やNLGN4Xに特定の変異が同定されており、これらの変異がニューロリギンの正常な機能に影響を与え、シナプス伝達を妨害することが示されています。

例えば、ASDと関連が報告されているNLGN3遺伝子のR451C変異は、ニューロリギンタンパク質が細胞内で適切に運ばれず、小胞体にとどまってしまう原因となることが分かっています。細胞膜にわずかに到達した変異タンパク質も、ニューレキシンとの結合能力が低下しており、機能喪失型の変異であることが示唆されています。しかし、この変異をマウスに導入した実験では、社会的相互作用の障害に加え、空間学習能力の向上や、予期せず抑制性シナプス伝達の増加が観察されています。これは、NLGN3遺伝子全体の欠失による効果とは異なるため、R451C変異が特定の文脈で機能獲得型の性質を持つ可能性を示唆しています。この結果は、抑制性シナプス伝達の過剰がヒトのASDの一因であるという考え方を支持する証拠の一つともなっています。

また、NLGN4X遺伝子の変異もASD患者で複数報告されています。例えば、1186Tというフレームシフト変異は、本来よりも早い位置に終止コドンを生じさせ、短く機能しないタンパク質を生成します。この変異タンパク質は細胞内に保持され、シナプス接着機能が損なわれ、ニューレキシンとの結合変化を通じてシナプス機能が阻害されると考えられています。他にも、NLGN4X遺伝子のエクソンの一部（エクソン4、5、6）を含む領域が欠失しているヘミ接合変異なども同定されており、これらも短縮されたタンパク質を生じさせることが予測されています。

ニューロリギン、特に遺伝子変異とシナプス機能不全、そして神経発達障害との関連の研究は現在も進められており、これらの分子が脳機能に果たす役割の理解を深めることは、ASDなどの疾患の病態解明や新たな治療法開発につながると期待されています。

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