2018/02/05

幼少期特異的に活発な活動をする脳内ペプチドニューロンの発見

 

馬谷 千恵(生物科学専攻 助教)

岡 良隆(生物科学専攻 教授)

 

発表のポイント

  • 脊椎動物の成体で性行動の調節に関わるとされてきた脳内ペプチドニューロンが、むしろ幼少期に活発な神経活動を示すことを明らかにした。
  • このペプチドニューロンが、幼少期には成体にはない新規の機能をもつ可能性を発見した。
  • 幼少期特異的に放出されるペプチドは、個体が成体になったときの行動調節などの脳機能に影響を与えるという、ペプチドニューロンの新たな機能をもつ可能性を提唱する。

発表概要

生殖腺刺激ホルモン放出ホルモン(GnRH)とよばれる神経ペプチド(注1)を作るニューロンは、脊椎動物全体で保存されているペプチドニューロン(注1)の一つであり、GnRHやNPFFという神経ペプチドを放出することで、他の神経細胞の活動を修飾すると考えられています。また、成体を用いた研究により、性成熟後にみられる性行動の動機づけに関わることが示唆されてきました。一方で、GnRHニューロンはGnRHやNPFFを発生初期から発現しています。一般にペプチドニューロンでは間歇的な高頻度の発火活動がペプチド放出に重要であると示唆されていますが、どのような成長段階において、GnRHニューロンがそのような自発発火活動(注2)を示すかは不明でした。東京大学大学院理学系研究科の岡良隆教授・馬谷千恵助教は、GnRHニューロンをGFP(注3)標識したメダカを用いた生理学的手法により、GnRHニューロンが、成体期ではなくむしろ幼少期に、神経ペプチドの放出を示唆する活発な神経活動を示すことを初めて明らかにしました。これはGnRHが幼少期にこれまで報告されてこなかった新規の機能をもつ可能性を示唆しています。

発表内容

動物は、日長・匂い・視覚情報など、周りを取り巻く環境に応じて、様々な適応的な行動(性行動や攻撃行動など)を示します。そのような行動の調節は脳において行われており、環境情報を統合して適切な行動を示すようになる過程に、ペプチドニューロンが鍵となっていると考えられています。終神経(TN-)GnRHニューロンとよばれるペプチドニューロンは脊椎動物で保存されていて、成体において性行動の動機づけに関与することが示唆されているニューロンです。このニューロンは脳全体に軸索と呼ばれる神経突起を伸ばしており、成体では、GnRHを放出して感覚系に関わる脳領域の神経伝達を修飾することが報告されています。このようにTN-GnRHニューロンから放出される神経ペプチドを介して、様々な脳領域の活動が調節されることにより、最終的に行動の変化を引き起こすことが示唆されています。一方、このニューロンでは、発生初期から神経ペプチドを合成していることが報告されていましたが、この時期の神経ペプチドの機能はよくわかっていません。また、一般にペプチドニューロンでは間歇的な高頻度の自発活動電位((注2)、バースト発火活動)が神経ペプチドの放出に重要であることが示唆されています。しかしながら、TN-GnRHニューロンが、どの成長段階においてバースト発火活動を示し、GnRHペプチドを良く放出するかについては不明でした。

研究では、全脳の神経連絡を保ったまま生理学的実験が可能なメダカをモデル動物として用いました。TN-GnRHニューロンを緑色蛍光タンパク質GFP(注3)で標識した、孵化直後から成体までのメダカの脳からTN-GnRHニューロンの神経活動を記録しました。その結果、これまで成体で報告されてきた機能から想定される結果(成体期によくバースト発火活動する)とは逆に、むしろ幼少期に活発な活動を示すことが明らかとなりました(図1A)。

図1 TN-GnRHニューロンは成長段階に応じて異なる神経活動を示す
A:幼少期のTN-GnRHニューロンは他の神経細胞から放出されたグルタミン酸をシナプスで受け取ると、間歇的な高頻度発火活動(バースト様発火活動)を示すことがわかりました。また、TN-GnRHニューロンのバースト様発火に伴って、TN-GnRHニューロンで産生される神経ペプチドが放出されることが示唆されました。B:成体期には、TN-GnRHニューロンは規則的な低頻度の自発発火活動を示します。TN-GnRHニューロンは神経ペプチドに加えてグルタミン酸も産生しています。したがって、成体期では、普段は主にグルタミン酸を放出して、機能していることが示唆されました。

 

また、カルシウムイメージング法(注4)により、TN-GnRHニューロンはそのような活発な活動をしている幼少期に、神経ペプチドの放出が示唆されるような細胞内カルシウム濃度の上昇を頻繁に示すことが明らかになりました。そして、幼少期の活発な活動には、他のニューロンからのグルタミン酸の興奮性シナプス入力が必要であることがわかりました。過去の形態学的な解析から、TN-GnRHニューロンは視覚・嗅覚・体性感覚に関わる脳領域からシナプス入力を受けることが示唆されています。したがって、幼少期にこれらの感覚入力を受けて、活発な神経活動を示し、神経ペプチドを放出していることが示唆されます。また、TN-GnRHニューロンは神経ペプチド以外にも、一般的な神経伝達物質であるグルタミン酸も放出することが報告されています。したがって、TN-GnRHニューロンは幼少期には主に神経ペプチドを、成体期には主にグルタミン酸を放出して機能していることが予想されます(図1B)。

本研究では、これまで性行動の調節に関わると言われてきた脳内のペプチドニューロンが幼少期特異的に予想外に活発な神経活動を示すことを初めて発見しました。ペプチドニューロンのなかには、発生初期と成体期で機能が違うものも存在しており、時期こそ違うものの、TN-GnRHニューロンも従来成体だけを用いた研究で報告されてきた機能とは異なる、新規の機能をもっている可能性が示唆されます。この様なペプチドニューロンはヒトに至るまでの全ての脊椎動物がもっています。今後成長段階に応じて神経活動が変化するメカニズムや幼少期のペプチドの役割についてさらに解析を進めていきたいと考えています。本研究が発展することで、脊椎動物に共通するTN-GnRHニューロンの機能だけでなく、脳内ペプチドニューロンの多様な機能の理解にもつながると考えられます。

 

発表雑誌

雑誌名 Endocrinology
論文タイトル Juvenile-specific burst firing of terminal nerve GnRH3 neurons suggests novel functions in addition to neuromodulation
著者 Chie Umatani*, Yoshitaka Oka*
DOI番号 10.1210/en.2017-03210
論文URL https://academic.oup.com/endo/advance-article/doi/10.1210/en.2017-03210/4833992

 

 

用語解説

注1 神経ペプチド・ペプチドニューロン

ペプチドは、複数のアミノ酸よりなる分子で、ホルモンや脳内生理活性物質としてはたらく。特に神経細胞で産生・放出されるペプチドを神経ペプチドという。ペプチドニューロンは、それらを作り分泌するニューロンのこと。

注2 自発活動電位

ニューロンはその電気活動として活動電位とよばれる信号を発するが、GnRHニューロンは、何も刺激をしなくても自発的にある頻度で活動電位を発することが知られている。

注3 緑色蛍光タンパク質(GFP)

下村脩博士のノーベル賞受賞で有名になった、オワンクラゲがもつ蛍光タンパク質 green fluorescent protein=GFPのこと 。この遺伝子を宿主の特定の遺伝子のプロモーターの下流に組み込み、宿主に導入・発現させることにより、特定の遺伝子を発現する細胞だけにGFPを作らせ、蛍光標識することができる。

注4 カルシウムイメージング法

カルシウムイオン(Ca2+)と結合した際に蛍光強度が変化する蛍光タンパク質(Ca2+インジケーター)の遺伝子等を細胞に導入して発現させ、細胞内のCa2+濃度変化を画像情報として記録する生理学的実験手法。細胞内Ca2+濃度が上昇することで神経ペプチドが放出されることから、細胞内Ca2+濃度上昇は神経ペプチド放出の指標となる

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―