行動回路をつくる神経細胞の発生原理

ショウジョウバエの行動回路を構成する神経細胞は、ヘミリニエージの基本構造を定める転写因子の組み合わせと、出生順に関連する転写因子群によって多様化するという研究結果が報告された。Nature誌に掲載されたこの研究では、選択した脳の神経細胞系譜のトランスクリプトームと形態を関連づけ、一部の因子を操作して基本形態と細かなサブタイプへの影響を調べた。性分化は、この枠組みの上で特定のサブタイプに特徴を付加するものと解釈された。

ヘミリニエージとは、同じ神経芽細胞に由来し、Notchシグナルの活性状態を共有する神経細胞群である。同じヘミリニエージの神経細胞は、主要な神経突起の経路や神経伝達物質をおおむね共有する一方、細かな枝分かれ構造や接続相手は異なることがある。研究チームは、雄の交尾行動を調節することが知られている神経細胞を起点に、それらが属する系譜のトランスクリプトームと解剖学的特徴を結びつけた。分析対象は、選択した系譜の分裂後神経細胞だった。

基本形態とサブタイプを分ける二つの転写因子軸

研究チームは遺伝的系譜標識で特定の神経芽細胞の子孫を標識し、蛹化後12時間と48時間に単一細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）を実施した。通常なら細胞死を迎える神経細胞も調べるため、アポトーシス阻害タンパク質p35を発現させた条件も分析した。非標的細胞などを除いた最終的な分析対象は、神経細胞42,844個だった。

転写因子の発現パターンを分類した結果、ヘミリニエージを区別し、二つの発生時点を通じて持続的に発現する転写因子89個が選ばれた。別途、36個が出生順に関連する候補として分類された。ヘミリニエージの分子マーカーは組織学的観察と照合されたが、すべての因子の機能が個別に実証されたわけではない。異なるヘミリニエージを区別する軸と、同じヘミリニエージ内のサブタイプを分ける軸を切り分けた点に意義がある。

一部の因子は遺伝子操作で役割が確かめられた。CREa1Bヘミリニエージでfd59aまたはdsfの機能を失わせるか、TfAP-2の発現を抑制すると、神経細胞は形成され、γ-アミノ酪酸（GABA）の免疫反応性も保たれたものの、軸索と樹状突起の形態に異常が生じた。出生順関連因子DanとPdm3を過剰発現させると、サブタイプの分布はそれぞれ早期と後期に生まれる神経細胞に似た形態の方向へ変化した。基本構造と細かなサブタイプには異なる転写因子群が関与するというモデルを支持する結果だ。

同じCREa1Bヘミリニエージには、求愛行動の調節に関与するmAL神経細胞と、摂食調節に関与するmlSEZt神経細胞が含まれていた。両者の行動機能は先行研究で知られており、今回の研究は形態と分子マーカーを結びつけた。雌のmAL神経細胞と雌雄のmlSEZt神経細胞は同じ形態を示したが、fruitlessの発現で区別された。CREa1Bを細分化したトランスクリプトーム解析では、性差はfruitlessを発現するmAL領域に集中していた。出生順関連サブタイプ間の差が、同じサブタイプ内の雌雄差より大きいという結果も、性分化が既存サブタイプの特徴を調整するとの解釈を支持した。

発生履歴と回路構造を結ぶ枠組み

この研究は、系譜上の起源、出生順、性分化を分けて分析し、分子的なアイデンティティと回路形態を結びつける枠組みを提示した。同じ基本経路を共有する神経細胞が細部の形態を変えながら異なる行動回路に参加する仕組みを探る基盤となる。ただし、今回の操作実験で確認された形態変化だけから、行動やシナプス機能の変化までは判断できない。

分析範囲にも制約がある。標識法の性質上、胚期に生まれた神経細胞が含まれていない可能性があり、トランスクリプトームクラスターと解剖学的ヘミリニエージも完全には対応しなかった。転写因子の組み合わせを生み出す上流の調節過程は未解明である。ヒトの神経再生治療や臨床効果は検証されていない。研究内容は、提供された論文の公開全文に基づく。