理化学研究所、「第二の脳」と呼ばれる腸管神経系が形成される機構をマウスで解明

「第二の脳」と呼ばれる腸管神経系が形成される機構をマウスで解明
−腸管神経系の発生と病気の概念を覆す、腸管神経前駆細胞の近道移動を発見−



◇ポイント◇
　・腸管神経系の発生過程を、蛍光タンパク質を利用したライブセルイメージングで解析
　・近道移動する腸管神経前駆細胞が大腸の腸管神経系の大部分を形成
　・腸管神経系を欠損するヒルシュスプルング病の発症メカニズム解明に新たな知見


　理化学研究所（野依良治理事長）は、大腸の腸管神経系（※１）のもととなる細胞集団を同定し、この集団がどのように小腸から大腸へ移動して腸管神経系を形成するかを突き止めました。先天的に腸管神経系が形成されないヒルシュスプルング病（※２）の発症メカニズム解明にもつながります。これは理研発生・再生科学総合研究センター（竹市雅俊センター長）神経分化・再生研究室の榎本秀樹研究室長を中心とした成果です。

　食道から胃、小腸、大腸と腸管全体の壁内に網目状のネットワークを張りめぐらす腸管神経系は、腸管の動きや分泌、血流の調節に欠かせない神経系です。ヒトの場合、数億個にも及ぶ神経細胞で構成され、脳からの指令がなくても腸管の機能を調節できるため、「第二の脳」とも呼ばれる最も複雑な末梢神経系です。腸管神経系は、胎児の時に神経堤細胞（迷走神経堤細胞）（※３）と呼ばれる細胞が咽頭・食道の壁に侵入して腸管神経前駆細胞（※４）になり、腸管壁を口側から食道、胃、小腸、大腸、肛門へと一方向に移動しながら増殖・分化して、網目状の構造を作ると考えられてきました。しかし、この移動の過程では腸管自体も形を変え成長するため、一方向の移動だけでこの変化に対応しながら腸管壁を覆うことができるのかは謎でした。

　研究室は、紫外線照射で色が変わる蛍光タンパク質を腸管神経前駆細胞に発現させた遺伝子改変マウスを作製し、腸管神経前駆細胞が腸管壁を移動する様子を「ライブセルイメージング（※５）」で観察しました。その結果、小腸と大腸が血管を挟んで平行に並ぶ胎令１１日ごろ、血管組織（腸間膜（※６））を横切って小腸から大腸へ“近道移動”する細胞集団があり、この細胞集団が大腸の腸管神経系の主要な構成細胞であることを突き止めました。さらに、マウスにおいて、この近道移動の障害がヒルシュスプルング病に似た腸管神経欠損を誘導する可能性も見いだしました。

　今回の発見は、従来考えられてきた腸管神経系の発生の仕組みを覆すだけでなく、ヒルシュスプルング病の発症メカニズム解明にも大きく貢献すると期待できます。

　本研究成果は、文部科学省の新学術領域研究「血管―神経ワイヤリングにおける相互依存生の成立機構」の一環として行い、科学雑誌『Ｎａｔｕｒｅ　Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ』オンライン版（８月１９日付け：日本時間８月２０日）に掲載されます。


１．背景

　多細胞生物の体が作られる過程では、さまざまな細胞が移動し、適切な場所に分布して器官を形成していきます。細胞移動の障害は器官形成に影響を及ぼし、多様な病態を引き起こします。発生過程で、どの細胞が、どのような経路で移動し、どの程度器官形成に寄与するかを解明することは、器官形成の原理を理解し、器官形成を侵す病態のメカニズム解明に重要な知見をもたらします。

　神経系の形成には細胞移動が深く関わっていますが、中でも、腸管神経系は最も長い距離を移動して形成される神経系です。腸管神経系は、体長の数倍にも及ぶ腸管（ヒトでは数メートルにも達する）の全長にわたり、腸管壁の中に網目状構造を形成します。脳からの指令を受けなくても機能できる独自の神経回路を持ち、生命機能の維持に欠かせない腸管の運動・分泌・血流を制御していることから、「第二の脳」とも呼ばれています。

　このように高度で複雑な腸管神経系ですが、それを構成する細胞の大部分は、比較的限られた細胞集団である神経堤細胞（迷走神経堤細胞）に由来します。迷走神経堤細胞は頸部の神経堤細胞で、発生早期に咽頭や食道の壁に侵入して腸管神経前駆細胞になり、以後、消化管の壁の中を肛門方向に移動して全ての腸管を覆いながら神経系を形成して行きます。この移動はマウスでは数日、ヒトでは数週間にも及ぶ非常に長い過程です（図１）。従来、この移動は腸管壁の口側から食道、胃、小腸、大腸、肛門への一方向と考えられてきました。

　この移動過程で障害が起こると、大腸の末端で神経系が形成されない病態が生じ、ヒトではヒルシュスプルング病として知られています（図２左）。ほとんどのヒルシュスプルング病では大腸末端（肛門側）で腸管神経を欠損しますが、亜型として、小腸や大腸の口側でも部分的に腸管神経を欠損する症例があり、スキップエリア（ｓｋｉｐ　ａｒｅａ）と呼ばれています（図２右）。腸管神経前駆細胞が単純に口側から肛門側に一方向に移動するのであれば、移動の障害は大腸末端だけで神経欠損をもたらすはずです。スキップエリアの存在は、腸管神経前駆細胞の移動様式が単純な一方向の移動ではないことを示唆していましたが、その実態は謎のままでした。

　研究室は、蛍光タンパク質を組み込んだ遺伝子改変マウスを用いて、腸管神経前駆細胞が腸管壁を覆っていく過程の全容解明に挑みました。特に、長い細胞移動の過程で、移動する「場」である腸管自身も大きく形を変え成長していくことから、この変化に腸管神経前駆細胞がどう対応しながら移動するのかを明らかにするため、発生各段階の細胞の移動の様子をライブセルイメージングで解析しました。


２．研究手法と成果

　ある特定の腸管神経前駆細胞を追跡するため、この細胞に特異的に蛍光タンパク質を発現する２種類の遺伝子改変マウスを用いました。１つは、広く利用されている緑色蛍光タンパク質ＧＦＰを導入したＧＦＰマウスです。もう１つは、紫外線や青色光など短波長の光を照射すると、瞬時に緑から赤に変わるＫｉｋｕｍｅＧＲを導入したＫｉｋｕｍｅＧＲマウスです。このマウスを用いると、腸管神経前駆細胞のうち、光照射した一部の細胞だけの色を変えることができるので、特定の細胞を追跡することが可能です（図３）。これらのマウス胎児（胎令１０．５〜１３．５日）から取り出した腸管を培養しながら、腸管神経前駆細胞の振る舞いを１〜２日間にわたって経時的に解析しました。

　まず研究室は、胎令１２．５日のＫｉｋｕｍｅＧＲマウスを使って、大腸の壁内を伸長していく腸管神経系のさまざまな部位に紫外線を照射して、どの部分の前駆細胞が新しい神経系を作るのか解析しました。その結果、腸管神経系は一様に伸長するのではなく、先端から２００〜３００μｍの部分が伸長して新しい神経系を作ることを発見しました（図４）。

　さらに、この先端部分にある腸管神経前駆細胞がどこから移動してくるかを突き止めるため、発生を１日さかのぼったマウス（胎令１１．５日）の腸管を調べました。その結果、大腸の入り口（口側）付近にある前駆細胞ではなく、大腸と小腸の間に挟まれた血管組織（腸間膜）と平行に並んだ前駆細胞群が先端部分を含む大部分の大腸神経系を形成することが分かりました（図５）。

　この腸間膜側に並んだ腸管神経前駆細胞の由来を明らかにするために、さらに発生を１２時間さかのぼったＧＦＰマウスの腸管（小腸と大腸が腸間膜にある血管を挟んで平行に並ぶ時期：胎令１１日）を取り出し、これを丸ごと染色して腸管神経前駆細胞の分布を調べたところ、腸間膜の中央部分に多数の腸管神経前駆細胞を見いだしました（図６左）。さらに６時間さかのぼった腸管（胎令１０．７日）を培養して、前駆細胞の動きを追跡（ライブセルイメージング）したところ、実際に腸間膜を横切る腸管神経前駆細胞を確認しました（図６右）。また、この横断をさえぎると大腸の腸管神経系の形成が遅れること、腸間膜を横切る細胞だけで神経系が形成可能であることも明らかにしました。これらにより、小腸に侵入した腸管神経前駆細胞の一部は、胎令１０．５日を過ぎると小腸壁を離れ、腸間膜を横切る“近道移動”によって大腸に侵入し、大腸の腸管神経系を形成することを証明しました（図７）。さらに、この“近道移動”にはグリア細胞株由来神経栄養因子（ＧＤＮＦ）（※７）のシグナルが必要であることも明らかにしました。

　また、研究室が２００８年に作製したヒルシュスプルング病モデルマウスの胎児を取り出して解析したところ、“近道移動”して大腸に侵入する腸管神経前駆細胞が減少していることが分かり、近道移動の障害が大腸での神経欠損につながっている可能性を見いだしました。また、今回別のヒルシュスプルング病モデルマウスを作製して解析したところ、そのマウスではスキップエリアが起きることも確認し、近道移動する前駆細胞と腸管壁内を移動する前駆細胞の癒合（ゆごう）の障害が、スキップエリアの原因である可能性を見いだしました。


３．今後の期待

　今回、小腸と大腸が平行に並ぶ時期に腸間膜を横切る腸管神経前駆細胞があり、この“近道移動”する細胞集団が大腸の腸管神経系の大部分を形成することが明らかとなりました。近道移動の発見は、これまでの腸管神経系の発生と病気の概念を根本から覆すものです。近道移動が可能なのは、マウスの場合で小腸と大腸が平行に並んでいる約２４時間で、この間に大腸側に腸管神経前駆細胞が侵入することが正常な腸管神経系の形成に重要であることを示しています。

　一方、ヒルシュスプルング病モデルマウスで近道移動する細胞が減少している事実は、腸管の形の変化と腸管神経前駆細胞の移動が協調して進行することの必要性を示します。ヒルシュスプルング病の原因遺伝子の全容は解明されておらず、今後、近道移動に必要なシグナルが明らかになると、ヒルシュスプルング病を誘導する新たな分子実態が突き止められると期待できます。

　現在、ヒルシュスプルング病は手術により大部分の症例で長期生存が可能になっていますが、中には、腸管神経系が腸管のほぼ全長で形成されず、手術による効果が期待できない症例があります。このような患者に対しては、ＥＳ細胞（胚性幹細胞）などから腸管神経前駆細胞を作って移植する試みが世界中で始まっています。今回明らかにした大腸神経系を形成する細胞群の性質の解明が進むと、そのような細胞群をＥＳ細胞から分化誘導する技術開発にも貢献すると考えられます。


原論文情報
　Ｔｒａｎｓ−ｍｅｓｅｎｔｅｒｉｃ　ｎｅｕｒａｌ　ｃｒｅｓｔ　ｃｅｌｌｓ　ａｒｅ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｓｏｕｒｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｌｏｎｉｃ　ｅｎｔｅｒｉｃ　ｎｅｒｖｏｕｓ　ｓｙｓｔｅｍ，　Ｎａｔｕｒｅ　Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ（２０１２），　ｄｏｉ：１０．１０３８／ｎｎ．３１８４


※補足説明・図１〜７は、添付の関連資料「参考資料」を参照