環境変化への適応における生体情報システムのはたらき

　　　　　　　　　　　　

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updated July 1, 2018

現在の研究の概要

　動物の生殖という現象は、神経系と内分泌系の巧みな協調によって調節されている。神経系で受容された温度・日長等の情報が、神経系・内分泌系の調節機構を通して生殖腺・配偶子の発達と性行動を協調的に調節し、生殖を成功に導く。
　私共の研究室では、従来小型魚類の脳の特徴を活かして。３種の異なるGnRHニューロン系と2 種の異なるキスペプチンニューロン系の研究を基礎とし、最近重要性を発見したRFRP ニューロンなども加えて、これら各種のペプチドニューロンが生殖と性行動の協調的調節機能に果たす役割とその進化的意義を解明することを目的とした研究を行っている。現在は、主に、【１）GnRHニューロン，２）キスペプチンニューロン】に注目して研究を進めている。

研究紹介記事

現在の研究に関連した最近の参考文献

現在の大学院生，およびこれまでの大学院生の主なテーマ

低次脳機能研究会（低脳研）の活動紹介


１．GnRHニューロン

　動物は外界からの入力に対して常に一定した応答を示すのではなく、環境の変化を的確に受け止め、これに対して適応的かつ合目的的に柔軟な応答をする能力を備えている。これを可能にしているのが情報の伝達系としての神経系・内分泌系である。私たちは、環境変化の受容系と行動・内分泌的適応の仲介をする重要な役割を演じているものの１つがペプチドニューロン系であると考えている。本研究で主な対象とするゴナドトロピン（生殖腺刺激ホルモン）放出ホルモン（GnRH）は、視索前野で産生され、外的・内的環境の変化に応じて正中隆起に投射する軸索終末から分泌されて下垂体からのゴナドトロピン放出を調節する「ペプチド性下垂体刺激ホルモン」として従来から知られてきた。この際GnRHニューロンは感覚情報からホルモン分泌への情報変換の役割を担っている。私たちはこれに加えて、正中隆起ではなく脳内に広く投射して各脳部位の機能の調節にかかわる神経修飾物質としてはたらくと考えられる終神経GnRH3 系および中脳 GnRH2 系の存在を証明してきた（図　多様なGnRH神経系）。この、構造的・機能的に多様なGnRH神経系の存在の証明は私たちが魚類脳の特性を生かして、世界に先駆けて証明した。本研究では、パラログ遺伝子産物であるGnRH1〜3ペプチドを産生・放出しながら機能の異なる脊椎動物の３つのGnRH 神経系を主な題材として、脊椎動物が環境変化に対応して柔軟な生理的応答をする基礎としての神経系・内分泌系における情報伝達機構のしくみを、主に生理学における最先端的手法（各種のパッチクランプ法、細胞内記録法、カルシウムイメージング法、微小炭素繊維電極によるペプチド放出のリアルタイム測定法など）を用いて、また、分子生物学的（イオンチャネル・レセプター分子の同定とそれらの組織・細胞レベルでの局在の解析、およびトランスジェニック動物や遺伝子ノックアウトなどの遺伝子操作による生理機能解析）・生化学的（細胞内情報伝達系の解析）手法や形態学的・行動学的手法なども取り入れながら解明しようとしている。特に当研究室では、３種類それぞれのGnRHニューロン特異的にGFP蛍光標識されたトランスジェニックメダカを作成して系統維持しており、これを用いて、異なる形態や機能を持つ３種類すべてのGnRHニューロンの電気生理学的解析が可能なのは世界中で当研究室だけである。次項で述べるキスペプチンニューロンなどのペプチドニューロンが重要な鍵を握る神経回路によって、生殖と性行動が協調的に制御されるメカニズムの解明に、これらの遺伝子改変メダカは極めて重要な働きをしている。

この研究の背景や進捗状況の詳細については、

こちらの研究紹介記事

および

こちらの記事や文献をご覧下さい。

また、この研究と関連の深い研究会活動については

こちらの記事で紹介されています。

　　＜単一終神経GnRH3ニューロン神経線維の脳内における空間分布＞

1990年に世界に先駆けて細胞内記録された単一終神経GnRH3ニューロンの活動（右図）と、記録後細胞内染色された単一終神経GnRH3細胞（細胞体および神経線維）の連続切片３次元再構成図（左図；脳全体の傍正中縦断面に投影したもの；図左が脳の前方）。矢尻の部位にある１個の細胞体から脳内の極めて広い部位に３次元的に神経線維が分布している。



　＜３つの機能的に異なるGnRH神経系は形態学的に異なるだけでなく電気活動のパターンも異なる＞

（上図）POAに存在するGnRH1ニューロンの軸索は脳下垂体のみに投射する軸索をもっている。GnRH1ニューロンは向下垂体ホルモン（Hypophysiotropic Hormone）としてはたらく。規則的なペースメーカー活動をせず、排卵周期（メダカでは1日）に対応した頻度変化を示す。中脳に存在するGnRH2および終神経に存在するGnRH3ニューロンはいずれも脳下垂体には軸索投射せず、脳内に広く軸索投射する。いずれも極めて規則的な自発的電気活動（ペースメーカー活動）をしており、その頻度が重要な情報を担っていると考えられる。

（下図）３つの機能的に異なるGnRHニューロンをGFP蛍光標識したトランスジェニックメダカ（元当研究室の大久保助教（現在農学生命科学研究科准教授）、神田助教らにより作成された。

２．キスペプチンニューロンなどのペプチドニューロン

　

動物の卵巣や精巣などの生殖腺は繁殖期になると発達し、卵や精子の成熟と共に性ホルモン（女性ホルモン・男性ホルモン）を分泌するようになり、同時に動物は繁殖期に特有の性行動を示すようになる。これらの調節には、神経系と内分泌系がうまく協調してはたらくことが必要であり、そこでは性ホルモンが重要なはたらきをすると考えられている。しかし、性ホルモン分泌に応じて繁殖期特有の行動を制御するしくみはわかっていない。

ヒトを含む哺乳類において生殖機能の調節に必須な生理活性物質キスペプチンを分泌する「「キスペプチンニューロン」は、2000年代に入り世界中の研究者から注目された。私たちはメダカの脳で2008年にキスペプチンニューロンを発見し、研究を進めてきた（理学部プレスリリースおよび新聞報道参照）。最近、私たちのメダカを用いた研究の成果などから、真骨魚類において、キスペプチンは直接的な生殖制御機能をもたないが、キスペプチンニューロンは脊椎動物全体に共通する特徴、すなわち、性ホルモンの受容体をもち、性ホルモン刺激によってその遺伝子発現を変化させることがわかってきた。今回、私たちは、キスペプチンニューロンだけに緑色蛍光タンパク質GFPが発現するように遺伝子改変したメダカを作製して実験に用いた。メダカは季節繁殖性が明瞭な動物であり、昼夜の長さを変えるだけで繁殖状態を制御できるため、繁殖状態に応じてキスペプチンニューロンが出す電気信号の変化を効率よく調べることができる。また、メダカの脳は小さく透明性も高いため、神経回路を生体内に近い状態に保持した脳を丸ごと取り出して実験用容器に入れて、厳密な神経活動の解析を行える。これは、マウス・ラット等の脳では不可能な実験を可能にする点で特筆すべきである。取りだした丸ごとの脳で、キスペプチンニューロンをGFP蛍光により１個１個識別しながら、神経活動を電気記録した。昼が長い条件で飼育し繁殖状態にしたメダカは、キスペプチンニューロンが全般的に高い神経活動を示す一方で、昼が短い条件で飼育し非繁殖状態にしたメダカでは、大半のキスペプチンニューロンが低い神経活動を示していた。さらに、キスペプチンニューロンの脳内軸索投射を、GFPに対する免疫組織化学を併用して詳細に解析することで、それらが本能行動や恒常性の制御に関わる脳領域（視索前野）に情報を伝えることもわかった。

これらの結果より、繁殖期になって分泌の上昇した性ホルモンを受容したキスペプチンニューロンの遺伝子発現・神経活動が活性化され、脳内のキスペプチン分泌が促進されることが考えられる。私たちの最近の研究から、キスペプチンニューロンは本能行動や恒常性、社会行動などに関わるとされる神経機構を制御することが示唆されており、これらが繁殖状態のセンサーとしてはたらくことで、繁殖期特有の行動調節などに関わっているのではないだろうか。

　当研究室ではこうした研究を進めるために現在各種のトランスジェニックメダカや遺伝子ノックアウトメダカを作成している。当研究室におけるキスペプチンの研究は、平成19〜23年度生研センター「新技術・新分野創出のための基礎研究推進事業」 PROBRAINの研究プロジェクト「動物種を超えた繁殖制御を可能とするメタスチンの生理機能解析」における課題「硬骨魚類脳内メタスチン神経系によるGnRHニューロン調節のメカニズム」として開始し、その後、平成26年度より、基盤研究（S）「生殖と性行動の協調的制御に関わるペプチドニューロンの生物機能に関する統合的研究」として研究を継続している。

*) 54個のペプチドであるメタスチン(metastin)は，最初にガンの転移(metastasis)抑制因子として，KiSS-1遺伝子産物でそれまでオーファンレセプターであったGGPR54のリガンドとして発見されたことからそのようによばれた。その後メタスチンが強力なLH分泌促進作用をもつことや，思春期の生殖腺刺激ホルモン分泌開始に重要であることなどが報告され，生殖神経内分泌分野でにわかに注目を浴びている。米国などでは，KiSS-1遺伝子産物であるということと，このペプチド遺伝子のKiSS-1がfirst kissを連想させること，Kiss-1遺伝子の発見がハーシーチョコレート（ハーシー・チョコレートキスという製品で有名）工場のあるペンシルバニア州ハーシーのペンシルバニア大学のチームにより行われたこと，などの理由からkissの名前を取って，メタスチンおよびメタスチン活性をもつペプチド断片を総称してkisspeptinキスペプチンとよんでいる。


　＜メダカにおけるキスペプチンニューロンの繁殖期に特有な生理機能制御を示す模式図。非繁殖期には視床下部NVTに存在するキスペプチンニューロン（NVT Kiss1ニューロン）の遺伝子発現は低く、繁殖期には高くなることがわかっていたが、キスペプチンニューロンの神経活動頻度も図のように変化することから、キスペプチンニューロンが繁殖状態のセンサーとしてはたらくことで、繁殖期特有の行動調節などに関わっていることが考えられる (Hasebe et al., 2014)。＞


　＜ペプチドニューロンによる生殖と性行動の協調的制御メカニズム＞


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大学院生
加用　大地（博士２年）
富原　壮真（修士２年）
杉本　航平（修士１年）
吉田　渚沙（修士１年）

 

学部生（４年生特別実習）
荒木　夕里佳
関口　聡
濱崎　裕介


外研学生
富田　大貴（ICU学部4年）


研究室出身者（大学院卒業生のみ）

山本　直之（日本医科大学助手、講師、名古屋大学助手を経て平成２２年６月より名古屋大学大学院生命農学研究科教授）
阿部　秀樹　（平成１４年１０月より当研究室助教、平成２４年４月より名古屋大学大学院生命農学研究科准教授）　博士論文の要旨
石崎　摩美 （平成１３年４月より農水省研究員）　博士論文の要旨
筒井 秀和 （学振特別研究員・理研脳科学研究施設ポスドク・大阪大学医学部助教を経て平成26年4月より北陸先端科学技術大学院大学准教授）　博士論文の要旨
増井　藤子 （学術振興会博士研究員；東京大学医学部）　
田中　裕之 （平成１８年４月より特許事務所勤務）　博士論文の要旨
Peter Hajdu（平成１５年１１月より平成１７年１１月まで学振外国人特別研究員；現在ハンガリーDebrecen大学Biophysics and Cell Biology助教）
羽田　幸佑（平成２０年３月博士課程修了）
大石　謙介（平成２０年３月博士課程修了）
岡野　祥子（平成１９年９月博士課程中退）
可児　美夏（平成１９年３月日本女子大学修士課程修了）
出口　裕也（平成２０年３月修士課程修了）
磯前　祥子（平成２０年３月修士課程修了）
尾崎　令（平成２０年３月修士課程修了）
西出　素子（平成２０年３月修士課程修了）
綾部　恵里子（平成２１年３月修士課程修了）
荒田　桃子（平成２１年３月修士課程修了）
土谷　昌史（平成２１年３月修士課程修了）
林　仁寿（平成２１年３月修士課程修了）
神田　真司（平成２２年３月博士課程修了、当研究室ポスドク・特任助教・助教を経て平成２５年４月より当研究室准教授）
中根　亮（平成２２年３月博士課程修了、日本医科大学助教を経て平成２５年４月より東京医療学院大学助手）
馬場　紘一郎（平成２２年３月修士課程修了）
入江　高行（平成２２年３月修士課程修了）
三谷　優太（平成２２年３月修士課程修了）
相川　雅人（平成２３年３月修士課程修了）
森　泰隆（平成２３年３月修士課程修了）
河合　喬文（平成２３年３月博士課程修了、学振ポスドクを経て平成２６年４月より大阪大学大学院医学系研究科助教）
曽根岡　直也（平成２４年３月修士課程修了）
染谷　祐樹（平成２４年３月修士課程修了）
引田　幸児（平成２４年３月修士課程修了）
本多　久楽々（平成２４年３月修士課程修了）
山本　恵理（平成２４年３月修士課程修了）
吉村　充史（平成２５年３月修士課程修了）
北原　翔一（平成２５年３月修士課程修了）
小島　瑠花（平成２５年３月修士課程修了）
近藤　千香（平成２５年３月修士課程修了）
苅郷　友美（平成２６年３月博士課程修了、当研究室特任研究員を経て平成２７年５月よりCaltechポスドク）
貝瀬　峻（平成２６年３月修士課程修了）
善方　文太郎(平成２７年３月博士課程修了、平成２７年４月より大阪医科大学助教）
小林　由果（平成２７年３月修士課程修了）
森　友紀（平成２７年３月修士課程修了）
和井田　洋世（平成２７年３月修士課程修了）　
高橋　晶子（平成２８年３月博士課程修了）
馬谷　千恵（平成２８年３月博士課程修了、当研究室特任研究員を経て、平成２８年５月より当研究室助教）
安倍　智裕（平成２８年３月修士課程修了）
荒井　勇樹（平成２８年３月修士課程修了）
鹿野　悠（平成２８年３月修士課程修了）
長谷部　政治（平成２９年３月博士課程修了、平成２９年４月より大阪大学大学院理学研究科助教）
石田　美緒（平成２９年３月修士課程修了）
鈴木　泰世（平成２９年３月修士課程修了）
中城　光琴（平成３０年３月博士課程修了、平成３０年４月より東京大学大学院農学生命科学研究科博士研究員）
武田　進吾（平成３０年３月修士課程修了）
新屋　美紗（平成３０年３月修士課程修了）　

 

これまでの大学院生の主なテーマ（学位論文）

脊椎動物中枢神経系におけるGnRH神経系の多様性―その構造・機能・発生（山本）
GnRHニューロンにおけるペースメーカー活動の生成・修飾メカニズム（阿部）
GnRH神経系におけるGnRH分泌活動の生理学的解析（石崎）
硬骨魚類糸球体核における神経回路および構成細胞の生理学的研究（筒井）
終神経GnRHニューロンにおけるニューロン間相互作用に関する生理学的研究（羽田）
性ステロイトフィードバック機構を形成するキスペプチンニューロンの神経内分泌学的研究（神田）
神経修飾系GnRHペプチドニューロンへの神経入力に関する生理学的研究（中根）
Hofmeister効果による精子運動制御機構に関する胎生魚グッピーを用いた研究（田中）
Studies on the Functions of Neuromodulation during Information Processing in the Olfactory System of Goldfish （キンギョ嗅覚情報処理機構における神経修飾作用の研究） （河合）
Neuroendocrinological studies on the central regulatory mechanisms of teleost reproduction with special reference to hypothalamic GnRH neurons （視床下部GnRH ニューロンを中心とした 真骨魚類生殖中枢制御機構に関する神経内分泌学的研究）（苅郷）
Genes differentially expressed between the sexes in the medaka brain （メダカの脳において発現に性差を示す遺伝子の探索と発現制御解析）（前廣）
Neuroendocrinological studies on central actions of estrogen （生殖機能制御を中心としたエストロジェン中枢作用の神経内分泌学的研究）（善方）
Morphological and genetic studies on neuroendocrine regulation of reproduction in teleosts (真骨魚類における生殖の中枢制御機構に関する形態学的・遺伝学的研究）（高橋）
Physiological studies on neuromodulation of sensory system by peptidergic neurons (感覚情報処理回路におけるペプチドニューロンを介した神経修飾機構の研究）（馬谷）
Physiological studies on peptidergic neurons that act as sensors for physiological state of the animal (動物の生理状態を感知するペプチドニューロンの生理学的研究）（長谷部）
Neuroendocrinological studies on the neuronal systems that are regulated by kisspeptin neurons using medaka as a non-mammalian model (メダカをモデルとしたキスペプチン神経系が制御する機能に関する神経内分泌学的研究）（中城）


これまでの大学院生の主なテーマ（修士論文）

ホヤGnRH神経系の神経生物学的研究―光受容ニューロンとの関係（筒井）
視索前野GnRHニューロンの基本的性質の解析（岡野）
ドワーフグーラミーにおける雄の巣作り行動とGnRH神経系（可児）
硬骨魚類糸球体核大型細胞の樹状突起におけるシナプス伝達と短期可塑性（大石）
終神経GnRHニューロンのペースメーカー活動におけるCa2+流入機構の役割（大矢）
内側前脳束を経由した終神経GnRHニューロンへの神経入力の電気生理学的解析（出口）
トランスジェニックメダカを用いた中脳GnRH神経系の生理機能の解析（磯前）
終神経GnRHニューロンのペースメーカー活動と細胞内Ca2+濃度の動態（尾崎）
キンギョ嗅上皮の嗅覚応答に対する神経修飾作用（河合）
メダカ終神経GnRHニューロンにおける共存伝達物質の分子生物学的解析（西出）
単一細胞電気穿孔法を用いた遺伝子導入によるGnRH分泌小胞移動の可視化（入江）
脳内に発現する２つのパラログ遺伝子kiss1/kiss2の生殖中枢制御における役割（三谷）
ゴナドトロピン分泌制御機構のトランスジェニックメダカを用いた解析（相川）
生殖の周期性をもたらす機構に関する生理学的研究（苅郷）
単一ｋｉｓｓ1ニューロンの生理学的解析に向けたトランスジェニックメダカ作製（島田）
メダカ脳におけるＫｉｓｓ1ニューロンによるＧｎＲH分泌制御機構の形態学的解析（善方）
トランスジェニックメダカを用いたＧｎＲH神経系の形態解析と時期特異的細胞除去法の開発（高橋）
メダカGnRH受容体の脳内発現分布とそれに基づくGnRH3ニューロン機能の解析（森）
GnRH3ニューロンからのGnRH/グルタミン酸開口放出動態の解析（曽根岡）
原始的条鰭類ポリプテルスにおけるGnRH・キスペプチンの分子同定（染谷）
終神経GnRHニューロンの活動電位波形に応じたCa2＋電流変化の電気生理学的解析（引田）
メダカにおける日長依存的な生殖制御機構に関する神経内分泌学的研究（本多）
メダカとフグを用いたｋｉｓｓ2遺伝子の機能解析（山本）
キンギョ性フェロモン17, 20β-PによるLH分泌誘起システムの形態学的解析（吉村）
TN-GnRHニューロンが視覚神経回路に及ぼす作用の生理学的研究（馬谷）
栄養状態による生殖機能の中枢調節機構（北原）
終神経ニューロン特異的なgnrh3遺伝子機能阻害法の確立（小島）
遺伝子改変メダカを用いたゴナドトロピン（ LH ）放出の中枢制御機構の解析（近藤）
RFRPニューロンの自発活動とGnRH1ニューロン発火抑制に関する電気生理学的解析（貝瀬）
性ステロイド感受性を示すKiss1ニューロンの電気生理学的解析（長谷部）
メダカを用いたキスペプチン神経系の機能に関する形態学的解析（小林）
受容体発現細胞の可視化によるキスペプチン神経系新規機能の多角的解析（中城）
卵巣由来の性フェロモン様物質によるメダカの求愛行動誘起に関する行動学的研究（森）
真骨魚類における生殖状態依存的な摂食行動制御機構の解析（和井田）
fshbおよびlhbそれぞれのノックアウトメダカを用いた真骨魚類生殖制御機構の解析（安部）
LH細胞上のGnRH受容体の発現変動が季節繁殖のスイッチングに重要である（荒井）
メダカ・キスペプチンがバソトシン（VT)ニューロンにおよぼず直接的かつ急性的作用の生理学的解析（鹿野）
γ-tubulin遺伝子に優性変異を持つ新規クラミドモナス突然変異株bld13の単離と解析（堀井麻央）
真骨魚類のgnrh1/gnrh3をモデルとした進化の過程におけるパラログによる機能補償（石田）
Estrogen受容体各サブタイプのノックアウトメダカを用いた真骨魚類生殖制御機構の解析（加用）
フェロモンによるメダカ求愛行動の誘起に関わる脳領域の形態学的解析（鈴木）
メダカを用いた季節繁殖の中枢制御機構の解析（武田）
真骨魚類におけるバソトシン・イソトシンによる浸透圧調節機構の解析（新屋）

　　　　　　　　　
 

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