生物学
神経筋接合部
神経筋接合部 （または筋神経接合 部 ）は、運動ニューロンと筋線維との接触によって形成される化学シナプスです。運動ニューロンが筋線維に信号を送り、筋肉の収縮を引き起こすのは、神経筋接合部です。
筋肉は、機能するために神経支配を必要とします-そして、筋肉の緊張を維持するだけで、萎縮を避けます。 神経筋系では、中枢神経系と末梢神経系の神経が結びついており、筋肉と一緒に働きます。神経筋接合部でのシナプス伝達は、運動電位が運動ニューロンのシナプス前終末に到達すると開始します。これにより、電位依存性カルシウムチャネルが活性化され、カルシウムイオンがニューロンに入ります。カルシウムイオンはシナプス小胞のセンサータンパク質（シナプトタグミン）に結合し、細胞膜と小胞の融合を引き起こし、その後の運動ニューロンからシナプス間隙への神経伝達物質の放出を引き起こします。脊椎動物では、運動ニューロンがアセチルコリン（ACh）を放出します。アセチルコリン（ACh）は、シナプス間隙を横切って拡散し、筋線維の細胞膜のニコチン性アセチルコリン受容体（nAChRs）に結合します。 nAChRはイオンチャネル型受容体であり、リガンド依存性イオンチャネルとして機能します。受容体へのAChの結合は、筋線維を脱分極させ、カスケードを引き起こし、最終的には筋収縮を引き起こします。
神経筋接合部疾患は、遺伝的および自己免疫起源のものであり得る。デュシェンヌ型筋ジストロフィーなどの遺伝性障害は、神経筋接合部を構成する変異構造タンパク質から発生する可能性がありますが、重症筋無力症などの自己免疫疾患は、筋細胞膜のニコチン性アセチルコリン受容体に対する抗体が産生されると発生します。
構造と機能
量子伝送
神経筋接合部では、シナプス前運動軸索は、細胞膜または筋線維の筋細胞膜から30ナノメートルで終端します。接合部の筋細胞膜には接合部後と呼ばれる陥入があり、シナプス間隙に面する表面積が増加します。これらの接合後の折り畳みは、運動終板を形成し、10,000受容体/マイクロメートル2の密度でニコチン性アセチルコリン受容体（nAChR）がちりばめられています。シナプス前軸索は、筋節の接合部後のfoldに向かって突出する末端ブトン（またはシナプス前終末）と呼ばれる膨らみで終わります。カエルでは、各運動神経終末には約300,000個の小胞が含まれ、平均直径は0.05マイクロメートルです。小胞にはアセチルコリンが含まれています。これらの小胞のいくつかは50個のグループに集められ、神経膜に近いアクティブゾーンに配置されます。アクティブゾーンの間隔は約1マイクロメートルです。神経終末と終板の間の30ナノメートルの裂け目は、2,600酵素分子/マイクロメートル2の密度のアセチルコリンエステラーゼ（AChE）の網目構造を含み、構造タンパク質ジストロフィンとラプシンによって所定の位置に保持されています。受容体チロシンキナーゼタンパク質MuSKも存在します。これは、神経筋接合部の発達に関与するシグナル伝達タンパク質であり、ラプシンによっても保持されます。
休憩接合部で約1秒に1回、シナプス小胞の1つがSNAREタンパク質によって媒介されるプロセスでシナプス前ニューロンの細胞膜と融合します。融合により、7000〜10,000個のアセチルコリン分子の小胞の内容物がシナプス間隙に排出され、エキソサイトーシスとして知られるプロセスが生じます。その結果、エキソサイトーシスは、量子と呼ばれるパケットでアセチルコリンを放出します。アセチルコリン量子は、アセチルコリンエステラーゼの網目構造を介して拡散します。そこでは、高い局所伝達物質濃度が、その経路の酵素のすべての結合部位を占有します。終板に到達したアセチルコリンは〜2,000アセチルコリン受容体を活性化し、イオンチャネルを開いてナトリウムイオンが終板に移動し、ミニチュア終板電位（MEPP）として知られる〜0.5 mVの脱分極を生成します。アセチルコリンが受容体から放出されるまでに、アセチルコリンエステラーゼは結合したAChを破壊します。これは約0.16 msかかり、したがって受容体から放出されたAChを破壊するのに利用できます。
運動神経が刺激されると、運動神経終末に神経インパルスが到着してから終板が最初に反応するまでにわずか0.5〜0.8ミリ秒の遅延があります。運動神経活動電位がシナプス前ニューロン端末に到達すると電圧が開きます。依存性カルシウムチャネルとCa 2+イオンは、細胞外液からシナプス前ニューロンのサイトゾルに流れます。このCa2 +の流入により、数百の神経伝達物質を含む小胞がSNAREタンパク質を介してシナプス前ニューロンの細胞膜と融合し、エキソサイトーシスによりアセチルコリン量が放出されます。放出されたアセチルコリンによる終板脱分極は、終板電位（EPP）と呼ばれます。 EPPは、AChが運動終板のニコチン性アセチルコリン受容体（nAChR）に結合し、ナトリウムイオンの流入を引き起こすと達成されます。このナトリウムイオンの流入はEPP（脱分極）を生成し、電位依存性ナトリウムチャネルによって筋細管に沿ってT管（横細管）を介して筋線維に移動する活動電位をトリガーします。 T細管に沿った活動電位の伝導は、筋小胞体のCa 2+放出チャネルに機械的に結合している電位依存性Ca 2+チャネルの開口を刺激します。その後、Ca2 +は筋小胞体から筋原線維に拡散し、収縮を刺激します。したがって、終板電位は、筋肉の収縮を引き起こす筋肉繊維に活動電位を設定する役割を果たします。アセチルコリンの各量がミリモル濃度で終板に到達するため、神経から筋肉への伝達は非常に速く、親和性の低い受容体と結合し、結合した伝達物質を迅速に放出します。
アセチルコリン受容体
アセチルコリンは、食事性コリンとアセチルCoA（ACoA）から合成される神経伝達物質であり、脊椎動物や一部の無脊椎動物の筋肉組織の刺激に関与しています。脊椎動物では、骨格筋の神経筋接合部に見られるアセチルコリン受容体サブタイプは、リガンド依存性イオンチャネルであるニコチン性アセチルコリン受容体（nAChR）です。この受容体の各サブユニットには特徴的な「cys-loop」があり、システイン残基とそれに続く13個のアミノ酸残基および別のシステイン残基で構成されています。 2つのシステイン残基はジスルフィド結合を形成し、アセチルコリンや他のリガンドと結合できる「cys-loop」受容体をもたらします。これらのcys-loop受容体は真核生物にのみ見られますが、原核生物は同様の性質を持つACh受容体を持っています。すべての種がコリン作動性神経筋接合部を使用するわけではありません。例えば、ザリガニとショウジョウバエは、グルタミン酸作動性の神経筋接合部を持っています。
骨格神経筋接合部のAChRは、2つのα、1つのβ、1つのɛ、および1つのδサブユニットで構成されるヘテロペンタマーを形成します。単一のAChリガンドがACh受容体のαサブユニットの1つに結合すると、2番目のAChRαサブユニットとの界面に立体構造の変化が誘導されます。この立体構造の変化により、2番目のAChリガンドに対する2番目のαサブユニットの親和性が増加します。したがって、AChRは、この協同的な結合によりS字状の解離曲線を示します。単一結合リガンドを持つ不活性な中間受容体構造の存在により、コリンエステラーゼの加水分解または拡散によって失われる可能性のあるシナプスにAChが保持されます。シナプスにおけるこれらのAChリガンドの持続は、シナプス後応答の延長を引き起こす可能性があります。
開発
神経筋接合部の発達には、運動ニューロンの末端と筋肉細胞の中央領域の両方からのシグナル伝達が必要です。開発中、筋肉細胞はアセチルコリン受容体（AChR）を生成し、プレパターン化と呼ばれるプロセスで中心領域でそれらを発現します。ヘパリンのプロテオグリカンであるアグリンとMuSKキナーゼは、筋細胞の中心領域でのAChRの蓄積を安定化させると考えられています。 MuSKは受容体型チロシンキナーゼです。つまり、チロシンなどの自己領域や細胞質内の他の標的にリン酸分子を結合させることにより、細胞シグナル伝達を誘導します。そのリガンドアグリンによる活性化により、MuSKは「Dok-7」および「rapsyn」と呼ばれる2つのタンパク質を介してシグナル伝達し、アセチルコリン受容体の「クラスター化」を誘導します。運動ニューロンの発達によるACh放出は、発達中の神経筋接合部の局在化と安定化を積極的に強化する筋細胞にシナプス後電位を生成します。
これらの発見は、マウスの「ノックアウト」研究によって部分的に実証されました。アグリンまたはMuSKのいずれかが欠損しているマウスでは、神経筋接合部は形成されません。さらに、Dok-7が欠損したマウスは、アセチルコリン受容体クラスターも神経筋シナプスも形成しませんでした。
神経筋接合部の発達は、ほとんどがげっ歯類などのモデル生物で研究されています。さらに、2015年には、ヒト胚性幹細胞と体性筋肉幹細胞を使用して、すべて人間の神経筋接合部がin vitroで作成されました。このモデルでは、シナプス前運動ニューロンは光遺伝学によって活性化され、光刺激によりシナプス結合した筋線維が収縮します。
研究手法
ホセデルカスティージョとバーナードカッツは、イオノフォレーシスを使用して、神経筋接合部のニコチン性アセチルコリン受容体（nAChR）の位置と密度を決定しました。この手法では、微小電極を筋線維の運動終板内に配置し、アセチルコリン（ACh）で満たされたマイクロピペットをシナプス間隙の終板の前に直接配置しました。マイクロピペットの先端に正の電圧を印加すると、正に帯電したACh分子のバーストがピペットから放出されました。これらのリガンドは、シナプス間隙を表す空間に流れ込み、AChRに結合しました。細胞内微小電極は、ニコチン性（イオンチャネル型）受容体へのAChの結合に応じて、運動終板の脱分極の振幅をモニターしました。 Katzとdel Castilloは、脱分極の振幅（興奮性シナプス後電位）が、AChイオンを終板に放出するマイクロピペットの近接に依存することを示しました。マイクロピペットが運動終板から遠ざかるほど、筋線維の脱分極は小さくなりました。これにより、研究者はニコチン性受容体がモーター終板に高密度に局在していることを確認できました。
毒素は、神経筋接合部のアセチルコリン受容体の位置を決定するためにも使用されます。 α-ブンガロトキシンは、ヘビ種Bungarus multicinctusに見られる毒素で、AChアンタゴニストとして作用し、AChRに不可逆的に結合します。ホースラディッシュペルオキシダーゼ（HRP）などのアッセイ可能な酵素または緑色蛍光タンパク質（GFP）などの蛍光タンパク質をα-ブンガロトキシンに結合することにより、AChRを視覚化および定量化できます。
神経筋接合部に影響を及ぼす毒素
神経ガス
神経ガスとアルコールがこのエリアを損傷します。
ボツリヌス毒素
ボツリヌス毒素（別名ボツリヌス神経毒、BoNT、およびBotoxの商品名で販売）は、SNAREタンパク質を妨害することにより、神経筋接合部でのアセチルコリンの放出を阻害します。この毒素は、エンドサイトーシスのプロセスを経て神経終末に入り、その後、AChの放出に必要なSNAREタンパク質を妨害します。そうすることで、一過性の弛緩性麻痺と、影響を受けた横紋筋に局在する化学的除神経を誘発します。 ACh放出の抑制は、注射が行われてから約2週間後までは始まりません。抑制が起こってから3か月後、神経活動は部分的な機能を取り戻し始め、6か月後、完全な神経機能が取り戻されます。
破傷風毒素
またテタノスパスミンとして知ら破傷風毒素は、 破傷風菌によって産生さ強力な神経毒であり、疾患状態、破傷風を引き起こします。この毒素のLD50は約1 ng / kgと測定されており、世界で最も致命的な毒素であるボツリヌス毒素Dに次いで2番目です。シナプス前神経終末に付着してエンドサイトーシスを行い、SNAREタンパク質複合体を妨害することにより、ボツリヌス神経毒（BoNT）と非常によく似た機能を果たします。 BoNTとはいくつかの点で異なりますが、最も明らかなのは最終状態です。この場合、tetanospasminはBoNTで示される弛緩性麻痺とは対照的に硬直性/痙性麻痺を示します。
ラトロトキシン
未亡人クモの毒液に含まれるラトロトキシン（α-ラトロトキシン）は、シナプス前細胞からのアセチルコリンの放出を引き起こすことにより、神経筋接合部にも影響を与えます。作用機序には、IP3 / DAG経路を活性化するシナプス前細胞上の受容体への結合、細胞内貯蔵からのカルシウムの放出、およびカルシウムイオンの直接流入をもたらす細孔形成が含まれます。どちらのメカニズムでもシナプス前細胞のカルシウムが増加し、アセチルコリンのシナプス小胞が放出されます。ラトロトキシンは、痛み、筋肉の収縮を引き起こし、治療しないと潜在的に麻痺と死を引き起こします。
ヘビ毒
ヘビ毒は神経筋接合部で毒素として作用し、衰弱と麻痺を引き起こす可能性があります。毒は、シナプス前およびシナプス後の両方の神経毒として作用する可能性があります。
一般的にβ神経毒として知られるシナプス前神経毒は、神経筋接合部のシナプス前領域に影響を与えます。これらの神経毒の大部分は、アセチルコリンなどの神経伝達物質のニューロン間のシナプスへの放出を抑制することにより作用します。ただし、これらの毒素の一部は、神経伝達物質の放出を促進することも知られています。神経伝達物質の放出を阻害するものは、シグナル伝達分子がシナプス後の標的受容体に到達するのを妨げる神経筋遮断を作成します。そうすることで、これらのヘビにかまれた犠牲者は深刻な衰弱に苦しみます。そのような神経毒は、抗毒液によく反応しません。ノテキシンやタイポキシンを含むこれらの毒素を1時間接種すると、影響を受けた神経末端の多くに不可逆的な物理的損傷の兆候が現れ、シナプス小胞がなくなります。
シナプス後神経毒、別名α神経毒は、シナプス後アセチルコリン受容体に結合することにより、シナプス前神経毒と反対に作用します。これにより、シナプス前終末から放出されるアセチルコリンとシナプス後細胞の受容体との相互作用が防止されます。実際、これらのアセチルコリン受容体に関連するナトリウムチャネルの開口は禁止されており、シナプス前神経毒により見られる効果と同様に、神経筋遮断をもたらします。これは、影響を受けた接合部に関与する筋肉の麻痺を引き起こします。シナプス前神経毒とは異なり、シナプス後毒素は、毒素の受容体からの解離を加速し、最終的に麻痺の逆転を引き起こす抗毒物により影響を受けやすくなります。これらの神経毒は、実験的および定性的に、アセチルコリン受容体密度と代謝回転の研究、ならびに重症筋無力症と診断された患者の影響を受けたアセチルコリン受容体に対する抗体の方向を観察する研究を助けます。
病気
運動ニューロンと筋肉細胞との間のシナプス伝達を損なう障害は、神経筋疾患の包括的用語に分類されます。これらの疾患は遺伝するか後天性であり、重症度と死亡率が異なる場合があります。一般に、これらの障害のほとんどは、突然変異または自己免疫障害によって引き起こされる傾向があります。神経筋疾患の場合の自己免疫障害は、液性媒介、B細胞媒介である傾向があり、シナプス伝達またはシグナル伝達を妨げる運動ニューロンまたは筋線維タンパク質に対して不適切に作成された抗体をもたらします。
自己免疫
重症筋無力症重症筋無力症は、身体がアセチルコリン受容体（AchR）（症例の80％）またはシナプス後筋特異的キナーゼ（MuSK）（症例の0〜10％）に対する抗体を産生する自己免疫疾患です。血清陰性の重症筋無力症では、低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質4は、リガンドの競合的阻害剤として作用し、リガンドがその受容体に結合するのを防ぐIgG1の標的となります。血清陰性の重症筋無力症が標準治療に反応するかどうかは不明です。
新生児MG新生児MGは、重症筋無力症（MG）と診断された母親から生まれた子供の8人に1人が罹患する自己免疫疾患です。 MGは、胎盤を通るAChR抗体の移動により、母親から胎児に転移します。出生時のこの疾患の兆候には、抗コリンエステラーゼ薬に反応する脱力感、ならびに胎児の無動症、または胎児の運動不足が含まれます。この形態の病気は一過性で、約3か月間続きます。しかし、場合によっては、新生児MGは関節痛や胎児死亡などの他の健康影響を引き起こす可能性があります。これらの状態は、母体のAChR抗体が胎児のAChRに向けられ、妊娠33週目まで、AChRのγサブユニットがεサブユニットに置き換わるまで続くと考えられます。
ランバート・イートン筋無力症候群ランバート・イートン筋無力症候群（LEMS）は、神経筋接合部のシナプス前部分に影響を与える自己免疫疾患です。このまれな疾患は、近位筋力低下、自律神経機能障害、および反射障害という独特の3つの症状によって特徴付けられます。近位筋衰弱は、シナプス前細胞の運動神経終末からのアセチルコリン放出の減少につながるP / Qタイプの電位依存性カルシウムチャネルに対する病原性自己抗体の産物です。 LEMSによって引き起こされる自律神経機能障害の例には、男性の勃起障害、便秘、そして最も一般的には口渇が含まれます。あまり一般的ではない機能障害には、ドライアイや発汗の変化が含まれます。アレフレキシアは、腱反射が低下し、一定期間の運動後に一時的に治まる状態です。
LEMSと診断された患者の50〜60％にも関連腫瘍があり、これは通常小細胞肺癌（SCLC）です。このタイプの腫瘍は、電位依存性カルシウムチャネルも発現します。多くの場合、LEMSは重症筋無力症と一緒に発生します。
LEMSの治療は、3,4-ジアミノピリジンを最初の手段として使用することで構成されます。これは、電位依存性カリウムチャネルを遮断した後、電位依存性カルシウムチャネルが開いたままになる時間を延長することにより、複合筋活動電位および筋力を高めるのに役立ちます米国では、資格のあるLEMS患者に対する3,4-ジアミノピリジンによる治療は、拡大アクセスプログラムの下で無料で利用できます。さらなる治療には、3,4-ジアミノピリジンが治療に役立たない場合のプレドニゾンとアザチオプリンの使用が含まれます。
神経筋緊張症アイザック症候群としても知られる神経筋緊張症（NMT）は、神経筋接合部に存在する他の多くの疾患とは異なります。 NMTは、筋力低下を引き起こすのではなく、運動神経の過剰興奮を引き起こします。 NMTは、電位依存性カリウムチャネルをダウンレギュレートすることにより、より長い脱分極を生成することにより、この過剰興奮を引き起こします。これにより、より大きな神経伝達物質の放出と反復発火が引き起こされます。この発火率の増加は、より活発な伝達につながり、その結果、罹患した個人のより大きな筋肉活動につながります。 NMTはまた、影響を受けた個人の自己免疫症状との関連のために自己免疫起源であると考えられています。
遺伝的
先天性筋無力症候群先天性筋無力症候群（CMS）は、その機能においてMGとLEMSの両方に非常に似ていますが、CMSとこれらの疾患の主な違いは、CMSが遺伝的起源であることです。具体的には、これらの症候群は、神経筋接合部のシナプス前、シナプス、およびシナプス後のタンパク質に影響を与える少なくとも10個の遺伝子のうちの1個で、典型的には劣性の突然変異により生じる疾患です。このような変異は通常、AChRのεサブユニットで発生し、それによって受容体自体の動態と発現に影響を与えます。単一ヌクレオチドの置換または削除により、サブユニットの機能が失われる可能性があります。アセチルコリンエステラーゼやアセチルトランスフェラーゼに影響を与えるような他の突然変異もCMSの発現を引き起こす可能性があり、後者は特に突発性無呼吸に関連しています。これらの症候群は、個人の人生のさまざまな時期に現れる可能性があります。それらは、胎児期に発生し、胎児の無動症、または周産期を引き起こし、その間、関節痛、眼、下垂、筋緊張低下、眼筋麻痺、摂食または呼吸困難などの特定の状態が観察される場合があります。また、青年期または成人期に活性化し、個人にスローチャンネル症候群を発症させる可能性があります。
CMSの特定のサブタイプ（シナプス後の高速チャネルCMS）の治療は、他の神経筋障害の治療に似ています。 LEMSの第一選択薬である3,4-Diaminopyridineは、米国でCMSのオーファンドラッグとして開発中であり、無料の拡張アクセスプログラムの下で適格な患者が利用できます。
脊髄性筋萎縮症ケネディ病としても知られている眼球脊髄性筋萎縮症は、X染色体に関連するまれな劣性トリヌクレオチド、ポリグルタミン障害です。 X染色体との連鎖のため、通常は女性を介して感染します。しかし、ケネディ病は成人男性にのみ存在し、病気の発症は一般的に後年になります。この疾患は、染色体Xq11-12のアンドロゲン受容体（AR）遺伝子に見られるエクソン1のCAGタンデムリピートの拡大によって特に引き起こされます。ポリQ拡張されたARは、細胞の核に蓄積し、そこで断片化し始めます。断片化の後、細胞の分解が始まり、運動ニューロンと後根神経節の両方が失われます。
ケネディ病の症状には、顔面の延髄および四肢の筋肉の衰弱および消耗、ならびに女性化乳房および生殖能力の低下などの感覚障害および内分泌障害が含まれます。他の症状には、テストステロンおよび他の性ホルモンレベルの上昇、高CK血症の発生、運動神経および感覚神経を介した異常伝導、神経細胞またはまれな場合には筋細胞の生検における筋障害の変化が含まれます。
デュシェンヌ型筋ジストロフィーデュシェンヌ型筋ジストロフィーは、神経筋接合部に構造タンパク質ジストロフィンが存在しないX連鎖遺伝性疾患です。 3,600〜6,000人の男性のうち1人が罹患し、30歳までに頻繁に死亡します。ジストロフィンの欠如は筋肉の変性を引き起こし、患者は次の症状を示します。治療せずに放置すると、患者は呼吸困難に苦しみ、死に至る可能性があります。
