山梨医科学誌 22（3），27 〜 38，2007 総 説 細胞外ヌクレオチドを介した中枢神経系の細胞間情報連絡 小 泉 修 一 山梨大学医学部大学院医学工学総合研究部薬理学講座 要 旨：最近，グリア細胞が放出する化学物質 グリア伝達物質 という言葉をよく目にするよう になった。これには，グルタミン酸，D-セリン，ATP 等が含まれるが，この中で ATP はその特異 的センサー蛋白質 P2 受容体を介してグリア伝達において中心的な役割を果たす。特にアストロサ イトは刺激依存的及び非依存的に ATP を放出することにより，周辺のシナプス，ミクログリア及 び血管外腔の細胞群とコミュニケーションをとる。本稿では先ず，アストロサイト由来 ATP が生 理的条件下における中枢神経系の細胞間コミュニケーションで果たす役割について述べる。次いで， 病態時での警告シグナルとしての ATP 及び他のヌクレオチドについて，特にミクログリアとの関 連性で述べる。このように，細胞外ヌクレオチドはグリア細胞を介して脳機能の細部調節装置及び 安全装置として脳機能を巧妙に制御しているのである。 キーワード ATP，P2 受容体，アストロサイト，ミクログリア，グリア伝達物質 はじめに ミュニケーションが情報処理・発信を形成して いることを推測させる。さらに，病態時に神経 グリア細胞は，ごく最近までニューロンの物 細胞から漏出する ATP や他のヌクレオチドが， 理的支持，栄養因子放出や老廃物除去など，ニ 周辺グリア細胞機能を制御し，その後の脳機能 ューロン活動を支える裏方として働いていると 回復・維持に中心的な役割を果たす。本稿では， 考えられるに過ぎなかった。しかし，アストロ ATP 等細胞外ヌクレオチド及びグリア細胞を サイトが脳機能の根幹とも言うべきシナプス伝 切り口として，中枢神経系の異種細胞間コミュ 達を実に積極的かつダイナミックに制御すると ニケーションに関する最新の知見を述べる。 いう事実により 1,2） ，グリア細胞は一躍，脳研 究の檜舞台に躍り出たと言える。アストロサイ I．アストロサイト間コミュニケーション トは，ニューロンに寄り添い，ほとんどのシナ アストロサイトは，星状神経膠細胞の名前が プスを取り巻くように存在し，さらにその 示すように星形で，最も数の多いグリア細胞で endfeet で血管を包み込み，各種神経伝達物質 ある。その役割は多岐にわたり，例えば，多く に即時的に応答し，しかも活動依存的に ATP のサイトカイン及び成長因子受容体が発現して 及び glutamate などのグリア伝達物質を放出す いることから，脳内の炎症・障害時に応答し機 る 信号発信機能 を有する。これらの事実は， 能していることが，また種々のトランスポータ ニューロン―グリア細胞―血管間の積極的なコ ーの発現とシナプス周囲を取り囲むような存在 〒 409-3898 山梨県中央市下河東 1110 受付： 2007 年 11 月 2 日 受理： 2007 年 11 月 6 日 形態から，神経伝達物質の除外・イオン恒常性 保持機能との関連が示唆されている。しかしさ らに注目すべき点は，アストロサイトはほとん 28 小 泉 どすべての神経伝達物質受容体を発現してお 3） 修 一 4） ，現在は後者の考え方が主流である。従って， り ，各種神経伝達物質に即時的に応答するこ アストロサイトで認められる活発な Ca2+ wave と，また種々のグリア伝達物質，例えば ATP 4,5）， は，アストロサイト間でグリア伝達物質を介し 6,7） glutamate 8） ，D-serine 等を放出することであ る。アストロサイトは非興奮性細胞であり，各 た頻繁な情報のやりとりが行われていることを 意味する。 種イオンチャネルを発現しているが活動電位を 現在，このアストロサイト間コミュニケーシ 発生しない。しかしアストロサイトは巨大なネ ョンの主役は ATP であると考えられている4,5）。 ットワークを形成し，細胞内及び細胞間に伝播 ATP はエネルギーの通貨としてよく知られる する Ca2+ wave を介して互いにコミュニケ 2+ 物質であるが，細胞外に放出されて細胞間情報 濃度 伝達物質として機能する。1993 年に最初の （［Ca2+］i）上昇が，時間・空間的にずれながら ATP 受容体（P2 受容体）の分子的実態が明ら 波のように細胞内及び細胞間を伝わる現象であ かとされ，以来，形質膜 2 回貫通型イオンチ る。細胞内 Ca2+ イメージング技術の発達によ ャネル内蔵型の P2X 受容体（P2X1~7）及び細 ーションをとる。これは細胞内 Ca り，電気生理学的には静かであったグリア細胞 胞膜 7 回貫通型で G タンパク共役型の P2Y 受 が，実はかなり忙しく活動していることが明ら 容体（P2Y1,2,4,6,11~14）がそれぞれ，7 及び 8 種類 かとなってきた。細胞内 Ca2+ wave は主に inosi- 確認され（図 1），それぞれの組織及び細胞分 tol 1,4,5-trisphosphate（InsP3）受容体を介する 布も明らかにされつつある。海馬初代培養アス 2+ 小胞体からの自己再生的な Ca 遊離により形 トロサイトにおいて，ガラスピペットを用いて 成される。一方細胞間 Ca2+ wave は，コネキシ 単一の細胞を軽く刺激したところ，被刺激細胞 2+ ン 43 などのギャップ結合を介して Ca イオン での［Ca2+］i 上昇に続き周囲のアストロサイト やセカンドメッセンジャーが細胞間を移動する に伝播する Ca2+ wave が観察された（図 2A 上 9） 説と ，ATP 及び glutamate など細胞外液性因 段 ）。 P2 受 容 体 阻 害 剤 及 び ATP 分 解 酵 素 の 子が放出及び拡散することに起因する説があり apyrase（図 2A 下段）及び P2 受容体の遮断薬 図 1． P2 受容体ファミリーの分子構造 P2 受容体はイオンチャネル型 P2X 受容体，G タンパク共役型 P2Y 受容体に分類される。P2X 受 容体は細胞膜 2 回貫通型構造を有し，同種（ホモマー）又は異種（ヘテロマー）に会合して三量 体を形成する。P2Y 受容体は細胞膜 7 回貫通型構造を有する。 ATP controls brain functions 29 図 2． 海馬アストロサイト機械刺激による Ca2+ wave 播及び ATP 放出の可視化 A．海馬アストロサイトをガラスピペットで軽く刺激するとまず被刺激部位で［Ca2+］ i 上昇が観察され，周囲の細胞間へ同心円状に伝播する Ca2+ wave が観察された（コ ントロール；上段）。ATP 分解酵素アピラーゼ（apyrase, 20 units/ml）の存在下では， この Ca2+ 波伝播は著しく抑制された（+ アピラーゼ；下段）。B. luciferin-luciferase 試 薬存在下，60 秒間に発生するフォトンを高感度カメラ（VIM カメラ）で画像化した。 海馬アストロサイトに機械刺激を与えると（位相差像参照；左端）被刺激部位でフ ォトンの増加が観察され，放出された ATP が周囲へ拡散する様子が観察された（目 盛り； 50 µ m）。 は，このアストロサイト間 Ca2+ wave 形成を著 び P2 受容体がこのアストロサイト間 Ca2+ wave しく抑制した。また，luciferin-luciferase 試薬 形成で中心的な役割を果たしていることが明ら と VIM カメラを用いた撮像により，機械刺激 かとなった。また，薬理学的な解析により，ア を与えたアストロサイトから ATP の放出及び ストロサイトの Ca2+ wave 形成に関わる P2 受容 拡散が確認された（図 2B）。以上より，ATP 及 体は Gq/11 共役型の P2Y1 及び P2Y2 受容体であ 30 小 泉 っ た 。 Glutamate も Ca2+ wave に 関 与 し 得 る 。 2+ 修 一 は P2X 4 及び P2X 6 受容体 mRNA 19），顆粒細胞 しかしアストロサイトの［Ca ］i 上昇を惹起す 層に P2Y 1 受容体 20），また介在ニューロンに る glutamate と ATP の最小有効濃度が約 50 倍 P2Y1 受容体21）の発現が観察されている。グリ 異なることを考慮すると，アストロサイトはこ ア伝達物質 ATP は海馬ニューロンの活動に影 のような感受性の差を利用して，グリア伝達物 響を与えるのだろうか？海馬神経―アストロサ 質を使い分け，情報伝達を制御していると考え イト共培養系では，培養後 1 週間後程度から神 られる。また，Ca2+ wave がギャップ結合を介 経細胞において，glutamate のシナプス伝達に して伝播する成分もあると考えられるが，ギャ 起因する同期した自発的な Ca2+ 振動が観察さ ップ結合を形成するコネキシン 43 分子が ATP れる22）。これをシナプス伝達の指標として ATP 10） 放出能に強く影響すること ，さらにコネキシ の作用を検討した。ATP 刺激を行うと，この ンが ATP 放出チャネルである可能性11）などか 神経細胞の Ca2+ 振動が抑制されるが（図 3Ab）， ら，コネキシン分子は意外にも ATP 放出能と これは神経終末の P2Y 受容体を介した gluta- も関係があるようである。 mate 放出の抑制に起因すると考えられる22）。 グリア伝達物質 ATP の情報を受け取ったア この共培養系において，単一アストロサイトに ストロサイトではどの様な機能変化が起きるの 局所的な機械刺激を与えると，前述したように であろうか？初代培養アストロサイトに外から アストロサイト間に Ca2+ wave が伝播するが， ATP 刺激を加えると，P2Y1 及び P2Y2 受容体活 これは被刺激細胞近傍の神経細胞の Ca2+ 振動， 性化により，Gq/11 タンパクとリンクした phos- つまりシナプス伝達を抑制した。さらにこの pholipase C(PLC)/InsP3 を介した細胞内 Ca2+ 貯 Ca2+ 振動抑制作用は，ATP 分解酵素 apyrase 処 2+ 蔵部位からの Ca 遊離が惹起され，結果とし 置により消失した（図 3B）。つまり，アストロ て容量性 Ca2+ 流入をも引き起こし，持続的な サイトから放出された ATP，グリア伝達物質 2+ 非常に大きな細胞内［Ca ］i 上昇が観察され ATP は海馬の興奮性シナプス伝達をダイナミ る12）。ATP はアストロサイトの増殖13），DNA ックに抑制するのである。他にもアストロサイ 14） 合成 ，突起形成及び突起伸展など，増殖及び トはグリア伝達物質 ATP により GABA 作動性 形態変化を制御していると考えられている。こ ニューロンの後シナプスに存在する P2Y1 受容 れらの応答は P2Y 受容体を介し，ERK1/2MAP 体を活性化して海馬の抑制性介在神経を興奮さ リン酸化酵素や Ca2+ 非依存的蛋白質リン酸化 せ21,23），また後シナプスの P2X7 受容体に作用 酵素 C などの細胞内情報伝達系が関与してい して NMDA 受容体の形質膜への動員を促進す る15）。さらに，篠崎らは P2Y1 受容体を介した ることでシナプス伝達の効率を制御する24）等， 2+ ［Ca ］i 上昇及び ERK1/2 系の活性化により， アストロサイトが参加ストレスに対する抵抗性 16,17） を獲得することも明らかとしている 。 多岐に渡る制御様式を備えていることが報告さ れている。 アストロサイトは全く刺激を加えない状態で も，自発的な［Ca2+］i 変動を呈する。これは， II．グリア伝達物質 ATP によるシナプス伝達制 御 ニューロンの活動を tetrodotoxin（TTX）で完 全に抑制した場合でも，またニューロンが存在 脳ではニューロンにも各種 P2 受容体の発現 しないアストロサイトを精製した培養系でも確 が認められている。遺伝子レベル，蛋白レベル 認された。この自発的な［Ca2+］i 変動は，P2 また機能解析等，解析方法の違いにより一部そ 受 容 体 拮 抗 薬 の suramin， PPADS， さ ら に の分布様式に矛盾点も認められるが，海馬神経 apyrase によって抑制されることから ATP 及び 細胞では前シナプスに P2X 2/3 ，P2X 3 ，P2Y 1 ， P2 受容体依存的な応答であることがわかった。 P2Y2 又は P2Y4 受容体18），後シナプスに P2X2 又 より in situ に近い海馬のスライス標本でも，ア ATP controls brain functions 31 図 3． 海馬アストロサイト由来 ATP による海馬ニューロンのシナプス伝達の抑制 A．海馬初代培養細胞の免疫染色像及び ATP 刺激（1 µ M）に対するニュ ーロン（トレース 1 及び 2）及びアストロサイト（トレース 3 及び 4）で の［Ca2+］i 変動の典型例を示した。b のトレース 1–4 は，a の細胞 1–4 に 対応している（1–2，MAP2 陽性神経細胞； 3-4，GFAP 陽性アストロサイ ト）。ATP を添加によりニューロンの Ca2+ 振動（シナプス伝達）は消失 したが，アストロサイトでは［Ca2+］i 上昇が認められた。B．単一のア ストロサイトに機械刺激を与えたときの近傍細胞での［Ca2+］i 変動を測 定した。A．位相差像，b．アストロサイト（1–2）及びニューロン（3–5） の位置関係を示した模式図。アストロサイト 1 に刺激を与えた際の，ア ストロサイト（細胞 1–2）及びニューロン（細胞 3–5）における［Ca2+］i 変動を示した。機械刺激によりアストロサイト間 Ca2+ wave 伝播が，ニュ ーロンでは Ca2+ 振動の抑制が観察された。Apyrase（20 units/ml）は，こ のアストロサイト刺激によるニューロンの Ca2+ 振動抑制作用を消失さ せ，またアストロサイト間に伝播する Ca2+ wave も抑制した。d. c のトレ ース下の各時間（i）–（v）における，アストロサイト及びニューロンの ［Ca2+］i 変動のイメージング。数字は Bb の番号に対応している。 ストロサイトの自発的な［Ca2+］i 変動が認めら 添加してアストロサイトから放出される ATP れ，これは TTX 非依存的であることが報告さ を除去すると，シナプス伝達に起因するニュー れている25）。つまり，アストロサイトはニュー ロンの Ca2+ 振動は，その頻度及び振幅ともに ロン活動に依存しない自発的な ATP 放出能を 増強された（図 4Aa，トレース 1 及び 2）。特に も有し，これにより自身の［Ca2+］i 変化を引き ニューロンの活動が小さい標本では，apyrase 起こしているのである。ではこの自発的な により爆発的なシナプス伝達の増大が認められ ATP 放出は近傍のニューロンの活動に影響し た（図 4Ab，トレース 5 及び 6）。このような ていないのだろうか？図 4 に示すように，海馬 標本では，アストロサイトの自発的 Ca2+ 活動 のニューロン−グリア共培養細胞に apyrase を が大きく（図 4Ab，トレース 7 及び 8），さら 32 小 泉 修 一 図 4． ATP 分解酵素 apyrase によるシナプス伝達増強作用 A．Apyrase（20 units/ml）を添加すると，ニューロンの［Ca2+］i 振動 （シナプス伝達）は増強された（a ；細胞 1，2）。このとき，アストロサ イトの自発的な［Ca2+］i 変動は逆に抑制された（a ；細胞 3, 4）。特にシ ナプス伝達が活発でないニューロンでは，apyrase によりバースト状の ［Ca2+］i 振動が惹起された（b ；細胞 5, 6）。アストロサイトの［Ca2+］i 変 動は A と同様抑制された。B. Ab（i）–（ii）に相当する時間の［Ca2+］in の疑似カラー像。番号は A のトレース番号に一致している。 にこれは apyrase により完全に消失する。従っ も有しているようである。これらの知見は，今 て，アストロサイトは自発的に細胞外 ATP 放 後のシナプス伝達研究はグリア細胞をも十分考 出を調節することにより，シナプス伝達を恒常 慮して進めていく必要性を提起するものである 的にしかも強力に制御している可能性が明らか と考えている。 となった。このように，シナプス伝達はグリア 伝達物質 ATP により積極的かつダイナミック に制御されている。これまでのシナプス伝達の III．アストロサイト―毛細血管コミュニケーシ ョン 基本であった，前シナプスから後シナプスへの アストロサイトは神経細胞に突起を伸ばして 単純な神経伝達物質の授受だけでなく，周辺シ シナプスを包み込む一方，血管系にも endfeet ナプス を含めた三者が形成 と呼ばれる足を伸ばし血管壁外腔を覆ってい tripartite synapse （三者間シナプス）で る。Zonta らは大脳皮質スライス標本を用いた のコミュニケーションが，複雑な脳の情報処 実験により，神経細胞の興奮により放出された 理・発信機能の素過程である可能性が高い。ま glutamate がアストロサイトに伝わり，そこで た，アストロサイトがニューロン活動に依存し ［Ca2+］i 依存性に arachidonate 及びその代謝物 ない ATP 放出能を有していたことから，アス の産生・放出を引き起こし，血管を弛緩させる トロサイトは所謂シナプス伝達が行われるニュ ことを報告した26）。これは，アストロサイトが， ーロンの周辺環境を積極的に整備している役割 血管のトーヌスを調整していることを示した最 する アストロサイト ATP controls brain functions 初の重要な論文である。この後，アストロサイ 2+ 33 用いた実験系では，アストロサイトの刺激によ トの［Ca ］i 上昇により産生された P–450 代謝 り惹起された Ca2+ wave は，ATP 依存的に血管 物，20–hydroxy–（5Z, 8Z, 11Z, 14Z）-eicosate- 周皮細胞に伝播し，その収縮応答を引き起こし traenoic acid（20-HETE）が脳血管を収縮させ た。従って，Peppiatt ら29）の報告と照らし合わ ること26-28），また二光子励起顕微鏡を用いた in せると，アストロサイトがグリア伝達物質 vivo イメージング手法によりアストロサイトの ATP を放出することにより，endfeet の極めて ［Ca2+］i 上昇が cycloocxygenase-1 （COX-1）代 近傍に位置する血管周皮細胞がこの情報を 謝物の産生を介して血管を弛緩させること 28） P2Y 2 受容体により受容し，収縮応答を呈し， が明らかとなった。これら報告では，血管の制 これによって毛細血管の収縮を引き起こすこと 御様式が弛緩であったり収縮であったりと相反 が示唆される。局所脳血流量は，細動脈レベル するものであり，またその制御メカニズムにつ だけでなく，最も細い毛細血管のレベルでも極 いても未解決な部分が多いが，脳血管の収縮・ めて巧妙かつ繊細に制御されており，この制御 弛緩，さらに局所脳血流の制御にアストロサイ にアストロサイト及びグリア伝達物質 ATP が重 トが直接関与していることを示す，重要な知見 要な役割を果たしている可能性が示唆された。 であると言える。しかし，これらの制御にグリ これまで，アストロサイトが ATP を放出す ア伝達物質 ATP が関与するとは示されていな ることによりシナプス伝達及び毛細血管の収 い。ごく最近，ATP 及び UTP が網膜及び小脳 縮・弛緩応答を制御する可能性を示してきた。 の血管周皮細胞（pericyte）に作用し，周皮細 さらに，神経細胞自身も ATP を放出しアスト 胞を主縮させることにより毛細血管の血流を制 ロサイトを刺激し得ること12），また血管周皮細 御する，という非常に興味深い報告がなされ 胞が機械刺激に応じて ATP を放出し，これが た 29）。これまで，毛細血管は血管平滑筋を有し アストロサイト endfeet に局在する P2Y 2 及び ていないため，収縮・弛緩には関与せず，単に P2Y4 受容体34）を介してアストロサイトに伝播 上流の動脈や細動脈（arteriole）の血流量変化 することを示した33）。つまり，神経細胞―アス が毛細血管のそれに反映されると考えられてき トロサイト―毛細血管（血管）は，それぞれが た。しかし，毛細血管外腔には周皮細胞がパッ 双方向性にコミュニケーションをとること，こ チ状に存在しており，この周皮細胞はα- のコミュニケーションに細胞外 ATP が重要な smooth muscle や myosin 等収縮性の蛋白を発 役割を果たしている可能性が示唆された。また， 30,31） 。さらに，血管内皮細胞と周皮 毛細血管と神経細胞のインターフェースとし 細胞の間には厚い基底膜層が存在するが，血管 て，アストロサイトが重要な役割を果たしてい 周皮細胞とアストロサイト間の基底膜層は非常 るとも言える（図 5）。 現している に薄いか欠落している状態であり，アストロサ グリア細胞は変身し易い細胞であるため，こ イトと血管周皮細胞間で，化学物質によるコミ れまで多くの in vitro の実験系で得られた結果 ュニケーションが取りやすい状態にある32）。最 が，実際の脳内のグリア細胞機能をどれだけ正 近我々は，血管周皮細胞が種々の P2 受容体を 確に反映しているのか？という問題が常につき 発現しており，中でも最も多く発現している まとった。前述したように，二光子励起顕微鏡 P2Y2 受容体が刺激されると，周皮細胞の収縮 を用いた in vivo イメージングにより，アスト 応答が引き起こされることを明らかとした33）。 ロサイトによる血流量調節機構の存在が明らか この収縮応答は phospholipase C 及びストア内 に な り 28）， ま た in vivo で ア ス ト ロ サ イ ト の Ca2+ 依存的であり，P2Y2 受容体刺激後の細胞内 Ca 2+ wave の存在も確かめられ 35），自発的な シグナルカスケードと良く一致していた。さら ATP 放出現象も報告された36）。さらに，同様の に，アストロサイト―血管周皮細胞共培養系を 手法を用いた研究で，麻酔下のマウスのヒゲを 34 小 泉 修 一 免疫担当細胞としてパトロールしているミクロ グ リ ア で あ る 。 ミ ク ロ グ リ ア に は ， P 2 X 4， P2X7，P2Y6 及び P2Y12 受容体が発現しているこ とが既に報告されており，種々の重要な生理機 能と係わっている。例えば 2003 年に津田らが 報告したように，P2X4 受容体は神経因性疼痛 モデル動物の脊髄ミクログリア特異的に発現が 亢進し，触刺激を痛みと感じてしまうメカニカ ルアロディニアを引き起こす40）。また前述した ように P2Y12 受容体はケモタキシスセンサーと 図 5． ATP を介した神経細胞，アストロサイト 及び毛細血管系の模式図 （本文中の説明参照） して働き，傷害部位へミクログリアを誘引す る36,41,42）。ごく最近我々は，ミクログリアの各 種ヌクレオチドに対する応答性を検討し，ミク 刺激すると，知覚神経が投射するバレル皮質で ログリアが UDP（uridine 5’–diphosphate）に 神経細胞の電位変化が認められ，これの情報が 非常に高い応答性を示すこと，UDP の特異的 2+ タイムラグを経てアストロサイトに［Ca ］i 受容体タンパク質 P2Y6 受容体が，ミクログリ 上昇として伝わることが報告された37）。すなわ アに非常に強く発現していることを見出し，そ ち，感覚器から入力された上行性の神経シグナ の機能を詳細に解析した43）。P2Y6 受容体は P2 ルが脳内の投射部位に到達すると，シナプス伝 受容体であるが，ATP 及び ADP といったアデ 達による神経活動と共役してアストロサイトが ニンヌクレオチドを認識せず，ピリミジンヌク 興奮することが in vivo で確かめられたのであ レオチドである UTP の代謝産物『UDP』によ る。また，アストロサイト特異的にドミナント り活性化される。UTP を代謝する細胞外酵素 ネガティブ型 SNARE 蛋白を発現させた遺伝子 ecto-nucleotidase（NTPDase）は脳内に豊富に 改変動物の脳では，アストロサイトからの自発 存在している。P2Y 6 受容体の発現は，脾臓， 的な ATP 放出の欠如（代謝産物の adenosine 胎盤，肺，小腸及び脳で多い。ミクログリアの 量が減るため）に起因するシナプス伝達の亢進 P2Y 12 受 容 体 は ケ モ タ キ シ ス を 誘 導 し た が ， が観察される38）。このように，アストロサイト P2Y6 受容体活性化はミクログリアのケモタキ は確かに脳内で神経細胞及び血管系とコミュニ シスには影響しなかった。しかし，驚くことに ケーションを取っており，グリア伝達物質 UDP 刺激わずか 15 分後には，ミクログリアの ATP がやはり重要な役割を果たしていると言 える。 形態の劇的な変化，つまり突起の伸展（図 6a （b）矢印），ファゴゾーム様の胞構造が多くの 細胞体部位で観察された（図 6a（b）矢頭）。 IV．傷害神経細胞―ミクログリア連関 最後に少し視点を変えて，神経細胞からグリ P2Y6 受容体はミクログリアの貪食（phagocytosis）能と関連しているのだろうか？ ア細胞へのヌクレオチドを介した情報連絡につ UDP で刺激すると，ミクログリアは近傍の いて述べたい。中枢神経系でも，ATP による 蛍光ザイモザンビーズに触手を伸ばし，即座に シナプス伝達の報告はあるが，その頻度は多い こ れ を 貪 食 し た （ 図 7）。 こ の 貪 食 応 答 は ， 21,39） 。しかし，傷害を受けた神経 P2Y6 受容体の薬理学的な抑制，及びアンチセ 細胞は，大量の ATP 及び他のヌクレオチド細 ンスオリゴヌクレオチドによる P2Y6 受容体ノ 胞外に放出・漏出させ，周辺細胞にその情報を ックダウンによりほぼ消失することから，P2Y6 伝える。真っ先に応答するのは，中枢神経系の 受容体依存的であることが確認できた。また， とは言えない ATP controls brain functions 35 図 6． P2Y6 受容体刺激後に惹起されるミクログリアの形態変化 UDP（100 µ M）刺激前（a 左）及び 15 分後（a 右）のミクログリア の位相差顕微鏡像。刺激により，ミクログリアは突起を伸ばし（矢 印），ファゴゾーム様の穴構造（矢頭）を呈する。また，ファゴサイ トキャップ状の構造（b 赤色）に蛍光ビーズ（直径 1 µ m）が接着す る様子が観察される。 図 7． UDP/P2Y6 受容体システムを介したミクログリアの貪食作用 貪食作用のタイムラプスイメージング。UDP（100 µ M）刺激（矢印）により，ミク ログリアは直ちに蛍光ビーズを捉えて貪食を行う。 UDP 濃度（5-1,000 µ M）依存的であった。P2Y6 容体依存的であること，を明らかとした。以上， 受容体は脳内の『掃除屋』Brain’s garbage men 傷害神経細胞から UDP（UTP）が漏出するこ のスイッチなのである。このような UDP/P2Y6 と，ミクログリアは UDP をそのセンサー P2Y6 受容体依存的なミクログリアの貪食作用が in 受容体で感知して，即座に貪食を開始し，傷害 vitro の artefact ではないことを明らかにするた 細胞及びその断片を脳内から排除することを明 め，in vivo モデルを用いて P2Y6 受容体依存的 らかとした。前述したように，神経細胞が損傷 な貪食作用を検討し，カイニン酸（KA）痙攣 すると，その周辺部位に活性化したミクログリ モデルの海馬 CA1 及び CA3 領域の神経細胞が アの集積が認められるが，これは，神経細胞が 消失し，その周りに非常に活性化したミクログ 傷害されると細胞内に存在する高濃度（5 mM） リアが劇的に増大すること，いくつかのミクロ ATP が漏出し，これが化学誘引物質として働 グリアでは神経細胞を貪食していることを確認 き，ミクログリアの P2Y12 受容体を介して化学 した。さらに，このとき，増大したミクログリ 走性を誘発すること41）に起因している。損傷 ア特異的に，P2Y6 mRNA シグナルが観察され 細胞周辺に集合したミクログリアは両刃の剣で ること，細胞外 UDP 濃度が亢進していること， あり，神経細胞を『修復』することも『貪食』 そしてミクログリアの貪食作用が UDP/P2Y6 受 することもする。もはや修復不可能であると判 36 小 泉 修 一 ア細胞が関与する必然性があるのかという疑問 には答えられていない。今後の新しい研究成果 を待ちたい。一つのキーワードは病態であると 考える。病態時の脳ではアストロサイト等グリ ア細胞の形態及び機能が激変する。外傷性脳障 害やてんかん重積症などの脳障害を患った脳で は，アストロサイトの著しい肥大化及び増殖が 認められ44），また逆に，うつ病や統合失調症な 図 8． ミクログリアの遊走性から貪食性へのモ ーダルシフト （本文中の説明参照） どの気分障害が起きた患者の大脳皮質ではアス トロサイトの細胞数の減少が数多く報告されて いる45-47）。またアルツハイマー病の原因物質と 断した場合に，傷害された神経細胞やその残片 考えられている β アミロイド に暴露されたア を貪食によって脳内から除去し，脳内環境を整 ストロサイトは Ca2+ wave 伝播が異常に増強さ える。しかし，これまでミクログリアが神経細 れ，またその増強過程にはグリア伝達物質 胞のダメージの程度をどの様に見分け，またど ATP が関与している48）。静なる巨人アストロサ の様なシグナルで貪食を開始するのかがよくわ イトは，病態時にこそその真価を発揮するのか かっていなかった。『To eat or Not to eat』は， もしれない。また，病態時には神経細胞から細 まさしく問題であったわけであるが，今回我々 胞外ヌクレオチド ATP 及び UDP を介した情報 は，損傷部位から漏出する（放出される）UDP がミクログリアに伝達され，その走化性及び貪 がその貪食を促すシグナルであり，またミクロ 食性が制御されることを示した。中枢神経系の グリア P2Y6 受容体がそのセンサーであること 3 種の重要な構成要素，神経―グリア―血管は， を明らかとした。ATP も UDP も神経細胞の傷 相互にコミュニケーションをとることにより， 害を周辺細胞に知らせる重要な分子として働 脳機能を巧妙に制御し，種々の脳内環境の変化 き，共にミクログリアのダイナミックな動きを に対応しているようである。このコミュニケー 制御している。しかし ATP は P2Y12 受容体を介 ションに，ATP 等細胞外ヌクレオチド及びそ して化学走性を制御するが貪食能には全く影響 のセンサータンパク質 P2 受容体が中心的な役 せず，逆に UDP は P2Y6 受容体を介して貪食能 割を果たしているのである。 を亢進させるが化学走性には関与していない （図 8）。このように，ミクログリアは，細胞外 ヌクレオチド ATP 及び UDP をそれぞれ厳密に 見分け，それぞれの分子に応じた独立した応答， つまり遊走性から貪食性にモーダルシフトを行 うことにより，病態時の脳機能を極めて巧妙に 制御していることが明らかとなった。 おわりに アストロサイトがグリア伝達物質 ATP によ り，シナプス伝達や局所脳血流量を制御してい ることを示した。しかし，これらの制御にグリ ア細胞が関与する生理的意義，さらに何故グリ 参考文献 1） Araque A, Parpura V, Sanzgiri RP & 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We firstly describe astrocyte-derived gliotransmitter ATP as a mediator of cell-to-cell communication in a physiological condition, and will also mention ATP and other nucleotides as warning molecules that signal the crisis state to adjacent cells especially microglia in a pathophysiological condition. As such, extracellular nucleotide in the CNS appears to function as a fine-tuning and a safety device respectively, and regulate various brain functions. Key words: ATP, P2 receptors, astrocytes, microglia, gliotransmitter
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