計測自動制御学会東北支部 第231回研究集会（2006．10．31）
資料番号 231−21
神経成長円錐ガイダンス機構のモデリング

Modelingofgrowthconeguidancemechanism
北嶋青巨雄☆，○仲野広樹☆，澤井有紀☆，相原威柚
KitajimaTatsuo☆，ONakanoHiroki＊，SawaiYuki＊，AiharaTakeshi＊☆山形大学，宋☆玉川大学＊YamagataUniversity，＊＊TamagawaUniversity
キーワード：神経成長円錐（growthcone），CAMP／cGMP，小胞体（Endoplasmicreticulum（ER）），
IP3受容体（IP3receptor），RyR受容体（RyRreceptor）
連絡先：〒992・8510 山形県米沢市城南4−3−16山形大学工学部 応用生命システム工学科
E・皿ail：kitajima＠yz．yamagata・u．aCJP

1．はじめにシナプス前橋性、シナプス後悟性によって神経梱包内に生じるC㌔磯痩変化は長斯ヒ皆亀住∬P）、長期明らかにされm、る。Go血皿0閥らは‰Il叩憬胚脊
髄棚包にサイクリックAMP紬Ⅳ）を投与することにより細胞内にその濃度に依存した周波数をもつCa箪囁敢が生じることを明らかにした㌔車癖誠長因抑室町m）といったシナプス可塑性と密接な関係をもつことが明らかにされ¶＼る。また、ホルモンや成長因子あるいは神経伝鰍こより細胞内に生じるCが＋振動・伝他部輯軌鵬がもつ様々な機能の調節に重要な役割をになうと考えられ¶、る。このようなCa囁塀象頭珊包体、樹楓樹状突起ス′Vン等の内約こ広く存在し、′川包体紅R）からのC㌔ト放出・取り込みが大きく関与し¶＼る。簸／川包体と細胞質の間には様沖な博鞭伝達経路が存在し、Caかの日節約・空間的特性の調整メカニズムに覇爵こ関わっ¶、ると考えられn、る。
成長円錐噛こは、適当なCa墾親愛が必要であり、小甘包体換上に存在するイノシトール3リン酸受容体（『3ⅠやカゝらのCa㌢放出も大きく関わっていることが子であるN血−1が成長円錐内のdMPを土勧ロさせることカ、さらにL型膜亮粒依存性Caチャネルの活性が、d肌ⅣtPKA経路を通して増強され㊥、d刀止P・PKG経路を通して抑別されることも明らかにされmヽる。
近諷N血如maらはN6bjn−1が成長円錐内Ca2＋濃度む勧口させること、またN血・1で誘導される成長円錐の誘弓l作用にはL割莫雛依存性C㌔トチャネ
ルを介するCa針の流入とⅡ｝3Rライアノジン受容体醐の両者からのCa㌢放出が必要であること、さらに成長円錐内のdlⅣ『とdヨⅣ『の比によって、誘引、反発、直進の応答を示すことを明らかにした瑚。
本研究では、内部に」Ⅶ包体を含み、小抱朋美上にⅣ3R聯をもつ成長円錐モデルを構築し、モデ／レ内のCa堀義輝象と勒maらが実験で明らかに

ほ神職郡璃m、る。

した環状ヌクレオチドによる成長円錐の誘弓い反発の芯⊥m皿p M 且 b 卜 ¶ ・ け 亡 ＝ ∋ ↑関わりを言傾機シミュレーションにより明ら如こする。

2．成長円錐の誘引・反発運動に関する生理学的知見「

両方向陸軸索誘導園子であるN血一1シグナルを■■】

lSp・月日rC柚1PS膵＝封′〇Gr・呵

伝達する受容解こはDC馳d∝血℃Cbl適とDCCyUNC5の2つの受容体が存在する。DCC受

鞄2 dM弧『比を変化させた場合のターニング芯答

容輌且誘引作用を、DCm引潮を誘導すると考えられる。N義11如maらは∴払Il叩憶胚脊肋〕MP比が高い蓼釦義朝l作用を示し、低い場剣淵乍用を示先誘引、醜反発／＼と変化し髄細包培養書棚包において、N血1−1の娩変勾弛こ対す¶＼く過程ではそれぞれ3倍臥上の比率変化が必要でる成長円錐乃誘弓l・反矧乍用に関して以下の実験事実ある。すなわちdMPと曲『腱ヒによって誘を明らかにした：引、反発等が生じることから成長円錐運動に環状ヌク

くDCCにNe血l・1が結合した日参レオチドが重要な関与をし¶ヽることが示唆される。

PKAを不括性化した場合、反発作用
PKGを活性化した場合、反発作用3．モデル化

くDCCyUNC5i＝Nebjn・1が結合した日参
PKAを不梧性化した場合、直進

3．1．誘引・反発の機序

PKGを不活性化した場合、誘引作用

御坂托機序を図3に示れこれらの実細灘勺にng．1（∂のように表すことができる。n各1（餌こほ報紅所紺反発の陳子を
示先−書く

︵︶
a＼ 巨㍑−∂C佃0nl一一′

星野−一∈コト−烏喜

ng3 誘引・反発の機序

左側の経路はN血n・1がDCCに結合した場合で、（b）アデ土−ヅレンクラーゼ仏C）を通り、dMPp血1
kinaseA中K軸を活性化した結私電立依存性Ca2＋▲い一誘引状態

反発状態

別gl（∂成長円錐内由M矧『比に依存したター「ニング応答1㈲成昆円鍛礪l、反発の状鰻

さらにN軸1aら楓（AMP濃度＋dコMP濃度を一定にし、その比率を変えた実験を行い、鞄2チャネル（VSCC）を興奮させる。右側の経路はN血l−1がDCC忙ひ正遍に結合した場合で、アラキドン醸A舟を通り、d孤Ⅳp血1krla紀G匝〕）を活性化した結果Ⅵ三CCを抑制させる。また、中央はN血l−1が直接直別1SientreqtwptendaldlaIlI血（ⅠⅥPC）に結合u庚蚕位を上昇させた結果、VSCC

を興奮させる。この鄭皆をeadysb野と呼鼠このeめsb辟により細抱質内Ca墾凰受が上昇する。そし4．シミュレーション

成昆円錐モデ叫こ払、て、劇Ⅳ『比を変化さてCa2＋濃度衡字であるⅣγが活性化することによりⅡ唱が産生される。このⅡ唱力常吉合することにより受容体が開口する略そして細胞内Ca針濃度の上昇によりCa計依存的に開口する受容体でライアノジンと特異的に高い祝相性をもつ砂Rにより′川包体但R）から細胞質内へさらにCa針を流出させる。この卿皆を1absb夢と呼品せた場合の細8包質内のC㌔←濃度はどのように変化するか検証を行う。また誘引・反発時のCa働ヒの違いそ功、て倹証する。

4．1．シミュレーション（∋由Mpは〕MP比を変えたときの細胞質内Ca針濃度3．2．神経成長円錐モデル
本研究で用いるニューロンモデ′レを鞄4に示れ
DCC TRPC VSCC DCC／UNC501 二≧

340 1 2 3 」 55（min）（mln）

Rg5（品由MP：dHⅥP＝0．1：0．9晦l適南のときの結果㈲由MP：瓜Ⅳ＝0．9：0．1払出摘のときの結果

このシミュレーション結果より劇MP比を細糊巣山こはDCC、DC005、ⅧPCといわれるタンパク質で構成されるイオンチャネ／hVSCC、CがL依存性ポンプ誹蒋在する。また、小樹朝莫血こはⅡ唱R耶、そしてC㌔依存性ポンプが存在する。
まず、Ne血・1がDCCに結合することによりdMPがPKAを産生u襲酎立Ⅳ）が上昇する㌔「方、変えることによってbbsb許において生じるCa針振動の周波数が変化することがわかる。このときの周波数比とdMR虻汎Ⅳ比を比べると鞄6のようになる。これはMliyamaらが実験より衛蜘g．カと同様であることがわかり、Ca醐ヒが誘引・反発を引き起こしているということが考えられる。
1．2

N壷n−1がDCαuⅥ芯に兼治すると正札Ⅳが悟性がT肝Cへ結合するとⅤが上昇する。この経路より、細胞外から細粒野卑＼C銅ミ流入し、そ爛排包質内のC㌔磯疫が上昇する。そして、Ca2＋依衝こより産生され、フォスフォリノふ一ゼC中u》狼上昇してⅣ3が産生される。そして／川包体膜上に存在するmRに結合レ川包体から細抱質内へCa針を流出させ、細目包質内のCa針濃度を上昇させる。また、細目包質内Ca針濃度は恥Rら頚吉合し、さらiン川包体から細胞質内へC㌔トを流出させる∂。

｛′−化されPKGが産生されてⅤが下がる。また、Ne也n・100

ン．1．10てJng4成昆円錐モデ′レ

主l0−−−−tく〉一一一 −・⊂700、・しリ
0．8000．1

11（ICAMP／cGMP
Rg6（AMP也ユM『比に対する周波数ヒヒ4．2．シミュレーション②（AMRは；MP比を変えることによって生じるC折損鍬瑚髄渉変化こついて検証を行う。

2）n血flg，GI．etal：GAMP−d鱒ndentgⅨW血cme如dance
吋Ⅰ血・U鴨Ⅷ叫19，ほ望yl望迫（1謀巾0．120．13） Hq）keぢⅥ1etal：Chd・Q）neath温血ntoIle血Il・1is0．08

m止db叩l血血1毎1a血Ⅰ血・1，Nahl柁，401，6卯73∴ 什0．06

u扶刃1racIiYeepulsiYe0．0400．51l．524） N血むa皿aM，etal：Caldum卸a血ginthe曲雌ofnen7e評）Wthtwne血Il・1Nature，4鵬，584b88（加ng7A地とR甲山料eの飽Ⅰ暫s晦の比較

6）Hong，Ketal：Cahum如1allingintheguid
鮎Ⅳ椙m祀1bⅦ地元・1，Na血℃，4喝9a髄，㈱

この結果より如sb辞における立ち上がりの変

由＋N撼如皿a M∴吐d：q血嘩血血
mdulA血ofCa2＋血aIlnelssetsthe曲ofnerve卯）W血・00肥血血喝Natu柁，4公，醐5伽）化に関係し¶、ると考えられる。このことよりVSCCによるCa爛ヒをみると、
8・ふ一吼飢ぎAppendix

0．4 0．O1

膜電位

0．2 0．005

O 1 2 3 4（1）c＝（−G．…k肌］−り（雨）一丁尺PC）
1 2 3 4−J乃び℃＝−G−eak●巧−eXp（）＋l）（2）

Fig8Attractive（左）と Repulsive（右）におけるVSCCのCa2＋流入量とその時のCa2＋振動となりVSCCからのC㌔領外屋がCが十振動同波数をCa2＋ ダイナミクス

主」（ト）exp（）（3）

几Cα＝G。ハ［呵2【りm］

変化させ¶、ると考えられる。

5．まとめ

1−eXp（警＝榊C疹・屯∫）。．榊C，川＋えRyR榊C，1＝．そ−ん．丑q−C）−

内組ン川包体を含む神経成長円錐モデ／レを構築して、

言傾機シミュレーションにより劇MP比によ）（み＝鬼。＋た∧…）（（4）

pl（［q−q2 す．（【q−q2（［q−q2＋戎（［q−q2句…

恒冊㍗］2、，／【cG〟P＊］2

りCa叫蜃軌同波動が変化し、そのCが十振動周波蜘こ応じて神経成長円錐が誘引・反発されるのではないかと考えられることを示したまたVSCCによるC好一
流入量がd机Ⅳぱ肌Ⅳ比によって変化し、その変化によりCが←振動周波数も変化していることが考えら

cAMP、CGMP濃度
d［cノ4ん伊＊】dJd［cGAイP＊］

dJれることを示した

今後、生体夷験での結果と上殿検討することによりⅡ℃Rや聯との関係を考え、アクチン・ミオシン等の作用による車癖…成長のモデ／レを構築したし＼

参考文献

1）Gd）tmm，YVetal：恥IlamicintEndioIISOfqdic
AMP七Ⅶ血ents and可氾n血1eOu5Ca（2」）印iks，
純血喝4鴫9弼（200カ＝毎仙−，・［cノ4Jl〟）】一ん′人M−）・tCJAイP＊］

払GM−，・【cGAイPl・たメGMl車G〟P＊】（6）（7）