Recognition of pre- and postsynaptic neurons via nephrin/NEPH1 homologs is a basis for the formation of the Drosophila retinotopic map
ネフリン相同分子を介した前および後シナプス神経の相互認識はショウジョウバエの正確な視神経配線の基礎をなす。

杉江淳¹、梅津大輝¹、八杉徹雄¹、Karl-Friedrich Fischbach²、*多羽田哲也¹（ 1 東京大学分子細胞生物学研究所 2 Freiburg University）*:corresponding author　

Development published online before print August 19, 2010, doi:10.1242/dev.047332

　ショウジョウバエの一次視覚系神経節であるラミナでは、発生時に視神経軸索（シナプス前）とラミナ神経細胞（シナプス後）が規則正しいカラム構造を形成します (図A, B)。両者は後に、視細胞の分布が脳へ正しく投射されるような規則正しいシナプスを形成しますが、この時期のカラム構造はその基礎をなすもので、ラミナ神経細胞が視神経軸索を特異的に認識すると考えました。視神経から分泌されるHedgehog(Hh)がラミナ神経細胞における転写因子Single-minded(Sim)の発現を誘導し、Simのターゲットがこの相互認識に必要であることを以前に明らかにしておりました(図C)。本研究では野生型とsim変異体のラミナを用いて網羅的な遺伝子発現プロファイルの比較を行い、脊椎動物のNephrinホモログである細胞接着因子、Hibris(Hbs)がラミナ神経細胞で発現し(図C)、パートナー分子としてNEPH1ホモログであるRoughest (Rst)が視神経軸索で発現して相互作用を司っていることを明らかにしました(図D)。

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図：ラミナ神経細胞が視神経軸索を特異的に認識して規則正しいラミナカラムを形成する。

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Coordinated sequential action of EGFR and Notch signaling pathways regulates proneural wave progression in the Drosophila optic lobe
ショウジョウバエの視覚中枢ではEGFRとNotchシグナルの協調した逐次的な活性により神経母細胞の規則的な形成が制御されている。

八杉徹雄、杉江淳、梅津大輝、*多羽田哲也（東京大学・分子細胞生物学研究所）*:corresponding author

Development published online before print August 19, 2010, doi:10.1242/dev.048058

　正確な回路を形成するためには必要な数の神経細胞を産生し、正しい組み合わせでシナプスを形成する必要があります。このメカニズムについて神経からトポグラフィックな投射を直接受ける視覚系の解析を通して新たな知見を得ました。ショウジョウバエの視覚中枢であるメダラ神経の形成においては、神経上皮細胞列の内側から外側に向かって、順次proneural遺伝子を発現することを見出しproneural waveと名付け、この発現が神経前駆細胞の規則正しい形成に必要であることを明らかにしました。この系では上皮から神経前駆細胞にいたる発生の時間的進行が発生進度の異なる細胞の連続した配列として空間的に配置されており、精度の高い解析を可能です。Proneural waveではEGFシグナルが活性化しており、それが順次隣の神経上皮細胞のEGFシグナルを活性化することによりNeural waveが進行し、神経前駆細胞の分化を進めます。その過程はNotchシグナルにより制御されており、その観点からこの過程を細分化することができます。また神経分化様式の違いにおけるNotchの機能分化を提唱しました。

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図：メダラ神経母細胞の形成

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Optimizing Drosophila olfactory learning with a semi-automated training device.
ショウジョウバエの匂い学習装置の開発

*村上智史¹、*Dan, C. ²、 Zagaeski, B.² 、前山有子¹、Kunes, S.² 、† 多羽田哲也¹（ 1 東京大学・分子細胞生物学研究所、2 Harvard University,Department Of MCB）*:first author　†:corresponding author　

J. Neurosci. Methods, 188 195-204, 2010

　学習記憶を司る分子機構や神経回路を解析する上でショウジョウバエ嗅覚学習記憶系は非常に強力なモデルです。しかしながら条件付けに要する手間がネックとなっており、特に長期記憶の誘導では刺激を数時間にわたって繰り返す必要から、条件付け操作を自動化する手軽な系が求められていました。我々は今回、機器制御ソフトウェアであるLabviewを用いて自動嗅覚条件付け装置を製作しました。この装置ではハエへの匂い提示と電気ショックをミリ秒単位で細かく設定でき、GUI上でパラメータを入力することで刺激提示プロトコルを様々に設定できます。この装置で誘導される記憶に関して匂い濃度や流量を検討した結果、変異体解析に十分なレベルの短期・中期・長期記憶を高い均一性をもって誘導できること、また嗅覚中枢であるキノコ体依存性、cAMP経路依存性を確認しました。この装置では一度に複数のサンプルを条件付けすることができるため、記憶変異体スクリーニング効率の大幅な向上が期待されます。組み立てに必要なパーツはすべて容易に入手可能であり、LebviewソースファイルをWeb上に公開しています(　http://www.iam.u-tokyo.ac.jp/fly/htmls/download.html　)。

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図：半自動嗅覚条件付け装置の概略

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線虫の移動行動に見られるべき則

大久保　潤（東京大学・物性研究所）、吉田　和史、飯野　雄一（東京大学・大学院理学系研究科生物化学専攻）、*増田　直紀（東京大学・大学院情報理工学系研究科数理情報学専攻）*:corresponding author

Journal of Theoretical Biology,in press,2010

　線虫の移動行動は複雑です。具体的には、緩やかにカーブしながら進むことと、時折急激な方向転換を行うことを織り交ぜながら、例えば餌の濃度が高い位置へ向かって行きます（図1）。後者の「急激な方向転換」については、その統計的性質などがよく調べられています。一方、前者の「緩やかにカーブしながら進む」ことについては、好きな化学物質の濃度が高い側に徐々に曲がっていく風見鶏機構の存在を除いては、よくわかっていませんでした。

そこで、「緩やかにカーブしながら進む」部分について、実験データの解析を行いました。特に、線虫が曲がる速さ（図2）の統計について調べました。その結果、単位時間で曲がる大きさの分布は、べき分布であることがわかりました。多くのときは曲がる度合いが小さくて直線的に進み、大きめに曲がるときが時折、しかし、それなりの頻繁で起こる、ということです。曲がる大きさは正規分布に従いません。べき分布は、「急激な方向転換」を線虫の軌道から除去した残りのデータについても見られます。

このようなべき分布は、線虫が古典的なランダム・ウォークを行うと仮定すると説明できません。私たちは、べき則を伴う線虫の移動行動を、乗算的なノイズを受けるランダム・ウォークによって数理モデル化しました。生成された軌道は、実際の線虫の軌道と類似していました。この数理モデルでは、移動するために生成される力が、力の大きさに比例した大きさのノイズを伴います。実際の線虫にもこのような比例関係が存在する可能性が示唆されます。

図1　クリックで大きい画像へ

図2　クリックで大きい画像へ

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美味しそうな匂いを伝える嗅覚神経回路を同定

小出哲也¹、宮坂信彦¹、森本耕造¹、浅川和秀²、浦崎明宏²、川上浩一²、*吉原良浩¹（１理化学研究所・脳科学総合研究センター・シナプス分子機構研究チーム、2国立遺伝学研究所・初期発生研究部門）*:corresponding author

Proc Natl Acad Sci USA 106: 9884-9889, 2009

　多くの動物では、匂いの情報を介して、食べ物の探索行動、個体の認識、生殖活動の誘発、危険回避行動など生存に不可欠な行動が制御されています。嗅覚は、物体から発せられる様々な「匂い分子」を鼻の奥にある感覚神経細胞（嗅細胞）によって受容し、その情報を脳の入り口の嗅球、さらには高次の嗅覚中枢へと伝えることによって認識・識別する感覚です。しかしながら、匂いによって喚起される行動を司る神経接続様式についてはほとんど分かっていませんでした。研究チームは、遺伝子工学的手法を用いて特定の嗅覚神経回路を可視化あるいは遮断することができるゼブラフィッシュを作製し、特定の嗅細胞から嗅球への接続様式とその機能を詳細に解析しました（図１）。その結果、嗅球外側部への神経伝達を遮断したゼブラフィッシュでは、本来「好きな匂い」であるはずのアミノ酸への誘引反応が消失することを発見しました（図２）。今回の成果により、アミノ酸への誘引行動を引き起こす神経回路を初めて明らかにし、匂いによって呼び起こされる「好き・嫌い」の感情のメカニズムを解明する糸口を見いだしました。また、今回開発した手法を用いることで、感覚入力（匂い）と機能的出力（行動）を介在する神経回路の理解に大きく貢献するものと期待されます。

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図1: 嗅覚神経回路を可視化したトランスジェニックゼブラフィッシュ
(A) Gal4-UASシステムを用いた遺伝子トラップ法の概略図。酵母由来の転写因子Gal4を発現する遺伝子トラップ系統とUAS (Gal4応答配列)の下流にGFPをつないだレポーターフィッシュを掛け合わせることにより、次世代でGal4発現細胞特異的にGFPの蛍光が観察できる。(B) 異なる種類の一部の嗅覚細胞群にGFPを発現する３種類のトランスジェニックゼブラフィッシュ系統。（SAGFF27A, SAGFF91B, SAGFF179A）。5日目胚の模式図(１)。5日目胚を正面から観察（2-4）。GFPで標識された神経線維は嗅球内の異なる糸球体に投射していることがわかる。成魚の前脳の模式図(5)。成魚の嗅球を背側から観察（6-8）。

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図2: アミノ酸に対する嗅覚行動解析
(A)嗅覚行動解析システム概略図。水槽を泳ぐゼブラフィッシュを上部からビデオ撮影し、アミノ酸溶液投与後の誘引反応を観察。(B) 破傷風毒素（TeTxLC）を用いた神経伝達の遮断方法。破傷風毒素は、シナプス小胞の開口分泌を担うsynaptobrevin を切断することで神経伝達を遮断する。Gal4-UASシステムによりGal4発現細胞特異的に神経伝達の遮断方法ができる。(C)鼻から嗅球へ至る異なる神経回路を遮断したゼブラフィッシュのアミノ酸への誘引度を示す「好き・嫌いインデックス」。嗅上皮除去（鼻除去；左から2番目）と微絨毛嗅細胞から嗅球外側部糸球体に至る神経回路を遮断（左から３番目）したゼブラフィッシュではアミノ酸への誘引を示さない。

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左右非対称な神経回路の存在を嗅覚系で発見

宮坂信彦¹、森本耕造¹、坪川達也²、東島眞一³、岡本仁⁴、*吉原良浩¹（1理化学研究所・脳科学総合研究センター・シナプス分子機構研究チーム、 2慶應大・生物学教室、 3岡崎統合バイオサイエンスセンター、 4理化学研究所・脳科学総合研究センター・発生遺伝子制御研究チーム）*:corresponding author

Journal of Neuroscience 29: 4756-4767, 2009

　嗅覚は多くの動物にとって、食べ物の探索、危険の察知、社会性コミュニケーションや繁殖行動など、個体の生存と種の維持にかかわる重要な感覚センサーです。匂いの源から発せられた「匂い分子」は、鼻の奥にある感覚ニューロンによって受け取られ、その情報は神経線維を介して脳の嗅球に伝えられます（図1）。動物が匂いの種類に応じて適切に行動するためには、その情報がさらに高次中枢で処理される必要があります。しかし、嗅球ニューロンが高次中枢とどのような神経ネットワークを形成しているのかについては、ほとんど分かっていませんでした。私たちは、遺伝子工学的手法を用いて、ゼブラフィッシュの嗅球ニューロンに緑色蛍光タンパク質 GFPを発現させ、高次中枢との接続様式を詳細に解析しました。その結果、ある一群の嗅球ニューロンは、神経線維を終脳に投射すると共に、間脳の「手綱核」という部位にも投射することを発見しました（図2）。手綱核は快・不快などの情動に関わると考えられている神経核で、嗅球から手綱核への直接的な神経接続の存在はこれまで知られていませんでした。また、嗅球から終脳への投射は左右対称ですが、手綱核への投射は非対称で、左右どちらの嗅球からも右の手綱核へ投射し、決して左には投射しないことが分かりました。今回の研究で発見した「嗅球-手綱核」神経接続は、嗅覚と情動のつながりを探る糸口になると期待できます。また、この神経回路が左右非対称であることは、動物行動の非対称性の理解に大きく貢献するものと期待されます。

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図1:　嗅覚神経回路の構造。鼻腔に入った匂い分子は、鼻の奥にある嗅上皮で感覚ニューロンである嗅細胞によって受け取られる。個々の嗅細胞はたった一種類の嗅覚受容体を発現し、特定の化学構造を持った匂い分子の情報を脳へと伝える。同じ受容体を発現した嗅細胞（赤や青）は、神経線維を嗅球の同じ糸球体に投射する。糸球体で嗅細胞から入力を受け取った嗅球ニューロンは、その情報をさらに高次中枢へと伝える。

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図2:　左右非対称な「嗅球-手綱核」神経接続。A: 嗅球ニューロンを可視化したトランスジェニックフィッシュの稚魚（背側から観察）。B, C: 膜局在型GFPおよびシナプス局在型GFPによる嗅球ニューロンから高次中枢への投射の可視化。D: 脳の構造の模式図。E, F: 遺伝子工学的単一ニューロン標識による解析。左右どちらの嗅球からも右の手綱核へ投射し（黄色矢尻）、左手綱核には投射しない。

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線虫の味覚神経の左右非対称なイオン感受性のしくみ

高山　順、國友博文、*飯野　雄一（東京大学・大学院理学系研究科生物化学専攻）*:corresponding author

1) Current Biology 19: 996-1004, 2009
2) Nucleic Acids Research 38: 131-142, 2010

　NaClなどの塩類は、線虫の頭部にある左右一対の味覚神経（ASE神経）で主に受容される。左右のASE神経（ASELおよびASER）は形態的には左右対称であるにも関わらず、機能的に差異がある。例えば、Cl-イオンは主にASERで、Na+イオンは主にASELで受容されるなど受容するイオンが異なる。左右のASE神経の機能の違いを完全に解明することを目的として遺伝子発現プロファイリングを行った。以前に開発したpoly(A)タギング法（國友ら、Genome Biology 6:R17,2005）とマイクロアレイを用い、ASERとASELに差をもって発現する遺伝子のリストを作成した。この中には、膜貫通型グアニル酸シクラーゼのファミリー、神経ペプチド、TRPチャネルなどが含まれていた。左右非対称に発現する膜貫通型グアニル酸シクラーゼ(サイクリックGMPを合成する酵素）の遺伝子(gcy遺伝子)のほとんどについてOliver Hobertの研究室と共同で欠失変異体を作製または入手し、さまざまなイオンに対するASERおよびASEL神経の応答と化学走性を調べたところ、変異体の多くが１～２種のイオンに対する神経応答と化学走性にのみ特異的な欠損を示すことがわかった。これらの結果からgcyファミリーがイオンを感じるための受容体である可能性が示唆された。

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A：左右の味覚神経、ASELおよびASERの形態と発現する遺伝子。いくつかのgcy遺伝子の欠失変異体は特定のイオンの感受ができない。 B：ASELおよびASER感覚神経で働く分子の機能の模式図。GCY（グアニル酸シクラーゼ）はサイクリックGMP（cGMP）を作り出す。cGMPはCNGチャネルを開かせ、これにより陽イオンが流入、さらにカルシウムチャネルも陽イオンを流入させ神経が興奮する。

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*:corresponding author

Dusp1は自然界の音や光、体性感覚刺激によって脳内で発現誘導され、細胞内情報処理に重要な役割を果たしています。

堀田　悠人、*和多　和宏、（北海道大学・大学院理学研院）、Rivas MV、Hara E、*Jarvis ED(デューク大学　医療センター神経生物部門) *:corresponding author

Journal of Comparative Neurology 518: 28730-2901, 2010

　音声発声学習をするソングバードではヒトの言語と同じように、親から囀りを「聞く」ことが重要です。記憶した音声パターンを実際に発声しその音を聴くことや、誰から学ぶのかなど、聴覚や視覚といった感覚情報が発声学習に大きく影響を与えます。脳内において神経活動依存的に発現誘導される遺伝子群が多数知られています．しかし、終脳一次感覚野の神経細胞でそのような遺伝子は発見されていませんでした．本研究では、ソングバードの一種であるキンカチョウを用いて、dual specificity phosphatase1（dusp1）遺伝子が、終脳一次感覚野で神経活動依存的に発現することを示しました。哺乳類（マウス）においても、これらの鳥類の脳部位に相当する感覚野の大脳皮質IV、VI層でも同様にdusp1が発現されています。このことから，鳥類と哺乳類の感覚野における細胞内情報処理の類似点及び、終脳一次感覚野の遺伝子発現制御機構の特殊性が示唆されました。

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図1： A,B: 相補的なパターンを示す活動電位依存的なdusp1（A）とegr1（B）の発現パターン。
A1,B1:運動に伴う体性感覚刺激により、一次体性感覚野aIHでdusp1、aIHからの投射を受け取るAH、AMD野でegr1が発現誘導されるだけでなく、自らが作る騒音を聞くことよって一次聴覚野L2でdusp1、L2からの投射を受けるN-L2野でegr1が発現誘導される。
A2,B2：それに対して、耳の聞こえない鳥では、聴覚野での活動が起きないため、遺伝子の発現誘導は見られない。Scale bar = 1mm. C: GENSATデータベースより得られたマウス脳でのDusp1-eGFP発現パターン（GENSAT Project, NINDS Contract #N01NS02331 to The Rockefeller University, New York, NY)。

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図2：遺伝子発現パターンの概略図。鳥類の脳の5つの感覚経路を示す。視蓋などの少数の例外を除き、視床・終脳どちらにおいても、一次の感覚野においてはdusp1が、高次感覚野ではegr1が発現誘導され、2つの遺伝子は相補的な発現パターンを示している。

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ゼブラフィッシュにおける哺乳類外側手綱核相同領域の発見

天羽龍之介^1,2、相澤秀紀^1,3、鷹架美賀子¹、小林恵美¹、高橋里英子¹、青木田鶴¹、*岡本仁^1,2,3 （1理化学研究所・脳科学総合研究センター・発生遺伝子制御チーム、2早稲田大学・先進理工学研究科・生命医科学専攻、3科学技術振興機構・CREST） *:corresponding author

Journal of Neuroscience 30: 1566-1574, 2010

　手綱核と呼ばれる脳部位は魚から人間まで脊椎動物に共通して存在しています。哺乳類では手綱核はさらに外側と内側手綱核の二つの領域に分けられ、このうち外側手綱核はセロトニンやドーパミン（モノアミン）神経細胞の活動を制御することで運動や認知行動を制御する重要な領域であることがわかってきています。しかし、ゼブラフィッシュのようなモデル動物においては外側手綱核の有無すら不明であり、その機能の重要性にもかかわらず、この神経回路の遺伝子レベルでの操作は困難でした。今回私たちはゼブラフィッシュにおいて外側手綱核の相同領域を見つけるため、脳の部位を特徴づける①神経結合、②遺伝子発現が共通する領域を探索しました。この結果、ゼブラフィッシュの腹側手綱核が哺乳類外側手綱核と共通した縫線核への神経結合、遺伝子発現を備えていることが明らかになりました（図１）。さらに遺伝子発現をもとにゼブラフィッシュ腹側手綱核の形成過程を観察すると、発生の早い段階では哺乳類と同じように外側に存在していることがわかりました。これらの結果はゼブラフィッシュにおいても外側手綱核の神経回路が進化的に保存されていることを明らかにしており、手綱核-モノアミン神経回路が適応行動制御で担う役割を遺伝子レベルでの操作により解明する上で重要なステップとなります。

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図1　A: ゼブラフィッシュ脳を背側斜めから見た模式図。緑色と赤色で示された背側手綱核は脚間核へと神経軸索を伸ばす。一方青色で示された腹側手綱核は縫線核へと特異的に神経軸索を伸ばす。
B: ゼブラフィッシュ手綱核の冠状断面像の模式図。遺伝子発現、軸索投射の特徴から背側手綱核（外側亜核・内側亜核）と腹側手綱核に分けられる。
C: ラット手綱核の冠状断面像。外側手綱核に特異的にプロトカドヘリン10 (Pcdh10)が発現する（赤色）。青色は核。MHb:内側手綱核、LHb:外側手綱核。スケールバー:100 mm
D: 遺伝子組換えゼブラフィッシュ（Tg(brn3a-hsp70:GFP)）手綱核の冠状断面像。腹側手綱核において哺乳類外側手綱核と共通して、プロトカドヘリン10a (pcdh10a)が特異的に発現する（赤色）。緑色は背側手綱核（内側亜核）特異的に発現させたGFP。青色は核。vHb:腹側手綱核。スケールバー:50 mm。

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記憶の統合安定化はPKAにより阻害される

堀内純二郎、*齊藤　実（東京都神経科学総合研究所）*:corresponding author

Proc Natl Acad Sci USA 105: 20976-20981, 2008

　学習により最初に形成される短期記憶は脆弱であり速やかに消失するか、新たな遺伝子の転写・タンパク合成を必要とする長期記憶、または必要としない麻酔耐性記憶へと統合・安定化されます。cAMP依存性リン酸化酵素(PKA)は、触媒部位と制御部位から構成される、学習記憶に必須のリン酸化酵素です。しかし我々はPKA触媒部位をコードする遺伝子DC0の変異体系統には、麻酔耐性記憶への統合が顕著に亢進している系統があることを見出しました。遺伝学的相補実験から麻酔耐性記憶への統合が亢進している系統ではPKA活性が野生型の約50％に減少していましたが、PKA活性が50％以上の系統では亢進が見られませんでした(図1)。また長期記憶の形成はいずれの系統でも正常でした。また学習記憶中枢の一つであるキノコ体でDC0遺伝子を強制発現すると、DC0変異系統での麻酔耐性記憶への統合亢進が抑制されました。これらの結果からキノコ体におけるPKAは短期記憶を形成するとともに、麻酔耐性記憶への統合を抑制する作用もあることが分かりました(図2)。

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図1A：野生型では匂い条件付け直後に高かった記憶スコアは時間とともに低下していき、最終的には7時間たっても消失しない麻酔耐性記憶のみのものとなる。PKA活性が野生型の約50％のDC0B3/+系統では記憶スコアの低下が抑制され、7時間後の記憶(麻酔耐性記憶)が顕著に高い。B：一方PKA活性が野生型の70％以上残っているDC0B10/+系統では野生型と変わらない記憶スコアの低下を示す。

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図2：記憶統合の概念図。PKAは短期記憶形成と麻酔耐性記憶形成で異なる(短期記憶の形成促進と麻酔耐性記憶の形成阻害)働きをする。

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