線虫の嗅覚はフェロモンによる制御を受ける

山田康嗣¹、広津崇亮^1,2、松木正尋¹、Rebecca A Butcher³、富岡征大^1,4、石原健²、Jon Clardy⁵、國友博文¹、*飯野　雄一¹  （1東京大学・大学院理学系研究科生物化学専攻　2九州大学・大学院理学研究院生物科学専攻　3 Department of Chemistry, University of Florida　4東京大学・大学院理学系研究科附属遺伝子実験施設　5 Department of Biological Chemistry and Molecular Biology, Harvard Medical School）*:corresponding author　

Science 329: 1647-1650, 2010

　自然界において、動物は生活するのに適した条件の場所に集合、繁殖し、その場所での個体数を増やしていきます。しかしながら、周囲の仲間が多くなりすぎると、各個体がより広い範囲に拡散しようとする傾向が現れます。この性質により、将来的に餌などが枯渇した場合に備え、様々な場所での生存の可能性を探ることができ、種全体としての利益となります。我々は線虫C. elegansが集団内での仲間の数を感知し、匂いに対する応答を変えることを発見しました(図1)。この匂いに対する応答の変化が、集団内の仲間の数に依存した拡散を行うための一つの具体的なメカニズムであると考えられます。
線虫は耐性幼虫を形成する際に、周囲の仲間の数をフェロモンの濃度により知ります。匂いに対する応答の場合も同様に、フェロモンの濃度から周囲の仲間の多さを判断していることがわかりました。さらに、ホルモン様ペプチドであるSNET-1と細胞外のペプチダーゼであるNEP-2(ネプリライシンホモログ)がこの現象に関与することを発見しました。SNET-1はフェロモンの存在によって合成が抑制され、内分泌される量が減少します。また、NEP-2はSNET-1を分解することによって働きを抑制し、匂いに対する応答が可変的になることを保障します(図2)。

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図1 フェロモンにより変化する嗅覚応答行動の概略図
培養時に集団内の個体数が多い場合には、それぞれの個体から放出されたフェロモンが蓄積し、嗅覚行動が影響を受ける。その場合、匂いを嗅ぎ続けることにより、匂いに誘引されなくなる。一方で、集団内の個体数が少ない場合には、フェロモンの影響を受けることはなく、常に匂いに誘引される。

図2 SNET-1とNEP-2による匂いに対する応答の制御のモデル
SNET-1は匂いに対して常に誘引されるように働くが、フェロモンの存在によってASI感覚神経における発現量、ひいては内分泌される量が減少する。また、NEP-2はSNET-1を分解することによって働きを抑制し、匂いに対する応答が可変的になることを保障する。

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アウトリーチ活動　岩手県立水沢高校

平成22年9月16日
岩手大学工学部　新貝鉚蔵

　総括班アウトリーチ活動として2010年度2回目の高校生向け講義・演習を、岩手大学を訪問した岩手県立水沢高校の生徒の皆さんに対して行いました。

当日、私は別予定が入ったので初めの挨拶で本新学術領域研究の目的と意義を説明しただけで、計画研究の研究分担者である若林篤光さんに講義・演習をやって頂きました（写真）。以下は若林さんの報告です。　（以上、新貝記）

9月16日（木曜日）岩手県立水沢高等学校1年生15名に対し、体験実習を行った。今回の実習では実験動物として線虫を用い、食塩に対する走化性に関する学習の実験を実施した。

実験に先立って、パブロフの犬などに代表される古典的な条件づけ学習（連合学習）や、慣れなどの非連合学習に関して簡単に解説し、神経科学研究におけるモデル生物の重要性について説明を行った後に走化性行動実験を行った。エサを充分に与えて飼育した野生型の線虫、および食塩の存在下で飢餓を経験した線虫で観察される走化性行動の違いに生徒らは驚きを示し、このような違いが生じる仕組みについて考察した。生徒の多くは実験を通して連合学習に関する理解を深めた。生徒同士で比較的活発な議論が行われ、生徒らの関心の高さがうかがわれた。

本実習を実施するに当たり、実験方法に関しアドバイスをいただいた、東京大学の富岡征大博士にこの場をお借りしてお礼申し上げます。

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神経回路の機能に基づいて哺乳類の本能情動を制御する機能性匂い分子の開発

*小早川高、小早川令子（大阪バイオサイエンス研究所・神経機能学部門）*:corresponding author　

第１０回バイオビジネスコンペJAPAN・最優秀賞受賞 平成22年3月11日

　匂い分子はヒトや動物の情動や行動に様々な影響を与えます。情動とは食欲、性欲、恐怖、母性などのヒトや動物の生存に欠かせない本能を呼び起こす心の働きです。私たちはマウスの匂いに対する様々な種類の情動が特定の嗅覚神経回路によって先天的に制御されていることを世界に先駆けて発見していました。本研究では、恐怖反応を先天的に誘発する嗅覚神経回路の活性に着目することで、これまでに知られていた天敵の分泌物由来の匂い分子に比較して、遥かに高い活性で先天的な恐怖情動を誘発する人工物由来の新たな匂い分子の同定に成功しました。嗅覚神経回路の機能に着目するという独自の観点からの研究によって、自然界に存在する匂い分子よりも生理活性の高い人工物由来の匂い分子が同定できることが実証されました。近年、有害鳥獣が人間の生活圏へ侵入することによる被害は拡大し続けています。本研究による成果は、これまでにない強力な有害鳥獣忌避剤の開発に応用できます。最先端の基礎科学研究の成果をバイオビジネスへ展開することで、広く一般社会に還元する可能性を開いたとして、第１０回バイオビジネスコンペで最優秀賞として表彰されました。

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図1 私たちは神経回路の改変という独自の手法を用いて、匂いに対する情動反応に異常のある各種モデル動物を開発しました。これらのモデル動物を用いて情動を制御する神経回路並びに情動を評価する指標を発見しました。写真は特定の嗅細胞を除去することで、天敵の匂いを感知できるのに、その匂いを危険であると判断できなくなった恐怖情動の異常マウスです。各種情動を制御する神経回路は新たな創薬ターゲットです。また、各種情動を制御する匂い分子を神経回路の機能に着目して同定できます。

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同種と異種の動物間の社会コミュニケーション反応を制御する匂い分子に応答する糸球クラスターの発見

松本英之¹、*小早川高²、小早川令子²、田代卓哉³、森謙治³、坂野仁⁴、森憲作¹ （1 東京大学・大学院医学系研究科細胞分子生理、2大阪バイオサイエンス研究所、3理化学研究所、4東京大学・大学院理学系研究科生物化学専攻） *:corresponding author　

Journal of Neurophysiology 103: 3490-3500, 2010

　私たちが匂いを嗅いだ際の情報は嗅球と呼ばれる脳の領域で「匂い地図」へと変換されます。嗅球上には似た匂いに応答する糸球クラスター群（匂いクラスター）が存在します。一方で、嗅球上にはドメインと呼ばれる遺伝的に規定される領域が存在することが報告されていました。しかし、匂いクラスターとドメインとの対応関係はあまり調べられていませんでした。私たちは、嗅球上の特定のドメインを可視化したトランスジェニックマウスを用いることで、匂いクラスターの境界とドメインの境界が一致することを見出しました。この結果は、匂いクラスターが遺伝的に規定されている可能性を示唆しています。また、私たちはマウスの匂い地図がこれまで知られていたラットの匂い地図と種を超えて同じような配置になっていることを見出すとともに、天敵の匂いや同種個体の匂いなど動物間のコミュニケーション反応を引き起こす匂いに反応する新たな匂いクラスター（クラスターＪ）を発見しました。これまで、匂いクラスターは似た構造の匂いに応答する性質があることが知られていましたが、今回発見したクラスターは構造は異なるものの似た生理活性を持つ匂いに応答する性質があることが分かりました。この結果は、嗅球上の匂いクラスターが動物に類似した行動を引き起こす一連の匂い分子に応答する可能性を示唆しています。

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図1
マウスに様々な匂いを嗅がせた際に活性化される嗅球の背側表面上の糸球をintrinsic signal imagingの方法で解析した。各々の匂いに対して応答する糸球のイメージングの結果(AaからGa)と、AからGの匂いグループに応答する糸球クラスター(AbからGb)を示した。また、嗅球上のドメインを可視化できるトランスジェニックマウスを用いて、DIドメイン(OCAM-&GFP-)、DIIドメイン(OCAM-&GFP+)、Vドメイン(OCAM+&GFP+)の糸球をマッピングした結果を合わせて示した。DIドメインとDIIドメインの境界を赤の点線で示す。似た構造を持つ匂いに応答する糸球クラスターの境界と、DIドメインとDIIドメインの境界が部分的に一致することが明らかになった。 (J. Neurophysiologyより転載)

図2
Ａ.マウス嗅球背側表面上のDIドメイン(OCAM-&GFP-)、DIIドメイン(OCAM-&GFP+)、Vドメイン(OCAM+&GFP+)の糸球をマッピングした結果を示した。DIドメインとDIIドメインの境界を赤の点線で示す。 B.天敵の匂い(TMT)やマウスの尿中に存在する匂い(SBT, IPT, DHB)などマウスの異種あるいは同種の社会コミュニケーション反応に関する匂いに応答する糸球をintrinsic signal imagingの方法を用いて可視化した。 C.Aの緑で囲んだ領域の拡大図を示す。Bで用いたチアゾール・チアゾリン類に応答する糸球クラスターを新たにクラスターＪと定義した。 D.Cの図で①から⑨まで番号を付けた糸球の、各々の匂いに対する応答性を示した。 (J. Neurophysiologyより転載)

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アウトリーチ活動　青森県立三本木高校

平成22年9月11日
岩手大学工学部　新貝鉚蔵

　総括班のアウトリーチ活動の1つとして、青森県立三本木高校の高校生に新貝が補助の院生と共に講義・実習をしました。以下その報告です。

計画段階では希望者30名で準備をしましたが、直前になって運動部系の行事が重なった為に9名だけの参加に変更となりました。ちょっとびっくりでしたが「自主的に参加を希望した生徒です」と仲介の八木田先生の説明で、喜んで行きますと9月11日（土）10：00に顕微鏡3台を車に積んで、強雨の中を岩手大学を出発。三本木高校に13時過ぎに到着。

13:30～14:20　新学術領域研究「神経系の動作原理を明らかにするためのシステム分子行動学」のアウトリーチ活動の一環ということを強調して、講義「線虫 C.エレガンスの行動を制御する神経系と遺伝子」をしました。今回はモデリングの話題を少し加えました。

14：20～15：30　線虫の行動に関する実習。9名を3グループに分けて、①正常な条件下で育てた虫のNaClへの誘引、②NaCl存在下で飢餓させた虫の誘引が弱くなる、③酸忌避、の何れかの実験をしてもらい、その後討論しました。 生徒さんの約半数は生物を受講していて、残りは物理と化学を受講しているとのこと。 10分程度の練習で、ピッカーで上手に虫を拾って他の皿に移せるようになり、さすがに若い人は上達が早いと感心。 実験はほぼうまく行ったので、参加者は納得の様子で教える側もうれしくなります。

写真2枚（三本木高校佐藤聡一先生に頂いたもの）は実習風景です。 昨年度から数えて3回目なので線虫を主とした話は慣れましたので、次の機会には他の生物を勉強して講義に加えたいと思います。

せっかく来たのだからと、帰りに市内の新渡戸記念館という場所に寄ってみました。新渡戸稲造（若い人はご存じないかも知れませんが、盛岡市出身で戦前に国際連盟事務次長を務めた）の祖父と父が三本木原野開拓の指導者だったので2人の銅像がありました。それを見て18：30岩手大学に帰着。

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線虫の神経結合に関するオンラインツール

岩崎　唯史（茨城大学・工学部）

http://ims.dse.ibaraki.ac.jp/ccep-tool/

　線虫の体は959個の体細胞で構成されていて、そのうちの302個が神経細胞です。そして、電子顕微鏡を用いた解剖学的解析により、全神経細胞間のシナプス結合情報がわかっています。そこで誰もが簡単に線虫の神経結合情報を調べることができるような自動検索ツールを作成しました。入力画面上で神経細胞を選択すると、それら神経細胞間の化学シナプス結合数とギャップ結合数（電気シナプス結合数）、および結合図を表示します（下図）。その際、Macintosh、UNIX、Windowsのどの環境でも結合図が正しく表示されるように、様々なWebブラウザーでサポートされているグラフィックス機能のみを使用しました。なお、本ツールは完成されたものではなく、ユーザからのリクエストをもとに今後も改良を加えていく予定です。

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図：本ツールの画面。（A）入力画面。ユーザは結合情報を調べたい神経細胞を選択する。（B）結果の出力画面の例。選択した神経細胞間の化学シナプス結合数とギャップ結合数、および結合図が表示される。

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ショウジョウバエを用いてヒト統合失調症のメカニズムを探る
Modeling schizophrenia in flies.

*古久保 – 徳永　克男（筑波大学・大学院生命環境科学研究科・構造生物科学専攻）*:corresponding author　

Progress in Bran Research: Gene Models of Schizophrenia, pp 107-115,
Elsevier Science, New York., 2009.

　統合失調症は人口の１％が罹患するきわめて罹患頻度が高い精神疾患であり、その発症には複数の遺伝的要因と環境要因が複雑に関与する推察されている。近年、統合失調症を多発する家系の染色体診断と、患者ゲノムの網羅的解析により多数の候補遺伝子が同定されつつある。しかしながら、候補遺伝子から脳の病態に至るメカニズムの間には依然として大きな隔たりが存在しており、疾患メカニズムを分子レベル理解するためには、有効なモデル動物を利用した個体レベルでの分子遺伝学的研究が必要かつ不可欠である。ショウジョウバエは、これまでにもアルツハイマー病等の神経変性疾患の遺伝子レベルにおける発症機構の理解にきわめて有効なモデルであることが示されてきた。しかし、統合失調症や双極性障害などの複雑な精神疾患において、ショウジョウバエを使用した研究は、はたしてどの程度有効であるのであろうか。本総説では、ショウジョウバエ神経遺伝学の新しい展開を基礎に、統合失調症研究におけるショウジョウバエモデルの可能性と問題点について議論するとともに、精神疾患研究へ最初の研究例であるDISC1遺伝子についての我々の解析結果について概説した。

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(A)GeneSwitchシステムによるショウジョウバエキノコ体でのDISC1遺伝子の特異的発現。抗黄体ホルモン(RU486)の添加によりUAS配列の下流にある標的遺伝子の発現を時空間特異的に誘導する事ができる。
(B) RU486 添加なし。
(C) RU486による遺伝子発現の誘導。

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線虫の神経ダイナミクスに関する定量的数理モデル

倉持　昌弘、*岩崎　唯史（茨城大学・工学部）*:corresponding author　

17th International Conference on Neural Information Processing: November, 2010

　線虫では蛍光タンパク質を用いたカルシウムイメージング技術が精力的に展開され、神経活動の可視化が可能になってきています。そこでわれわれは、カルシウムイメージングの実験データと直接比較できるような神経数理モデルを構築しました（図1）。本数理モデルでは神経細胞の膜電位やカルシウム濃度の時間変化だけでなく、蛍光強度の時間変化もシミュレートすることができます（図2a‐c）。また、各イオンチャネルの電気特性も個々に調べることができます（図2d‐f）。そこでNaCl感受性神経細胞ASEを含む化学走性の神経回路に本数理モデルを適用し、各神経細胞の膜電位、カルシウム濃度、蛍光強度の時間変化を調べたところ、膜電位の変化の様子と蛍光強度の変化の様子が質的に異なる場合があり、電位依存性カルシウムチャネルの電気特性と化学シナプス結合からの寄与の違いがその原因であることがわかりました。本数理モデルを用いたシミュレーション結果と実験データを互いに比較・補完していくことで、線虫の神経活動が定量的に理解できるようになると考えています。
なお、本研究は計画研究「複数感覚入力に対する行動選択の神経回路」 (研究代表者：新貝鉚蔵)の一環として行われました。

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図1：本数理モデルにおける神経機構。各種イオンチャネルの他に、カルシウムイオンポンプ、カルシウムイオンとバッファ分子の反応を考慮した。化学シナプス結合やギャップ結合により他の神経細胞と結合している。

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図2：外部電気刺激に対する神経細胞の応答と電気特性。（a）外部電気刺激の時間変化、（b）膜電位の時間変化、（c）蛍光強度の時間変化、（d）I－V特性、（e）電位依存性カリウムチャネルの電気特性、（f）電位依存性カルシウムチャネルの電気特性。図bはASE神経細胞の実験データをよく再現している。

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ゼブラフィッシュにおいて、早い逃避行動に重要な役割を果たす、特殊なクラスの交差型抑制性介在ニューロン

佐藤千恵¹、木村有希子¹、小橋常彦²、堀川一樹³、武田洋幸³、小田洋一²、*東島眞一¹（1, 自然科学研究機構・岡崎統合バイオサイエンスセンター、2, 名古屋大学・大学院理学系研究科生命理学専攻、3,東京大学・大学院理学系研究科生物科学専攻）*:corresponding author

Journal of Neuroscience 29: 6780-6793, 2009

　脊髄運動系神経回路を解析する目的で、脊髄内の非常に少数の神経細胞でGFPを発現するエンハンサートラップラインTol056を用い、Tol056でGFPを発現する神経細胞（以下、CoLoニューロンとよぶ）の機能を解析しました。その結果、脊髄内に各体節に１つずつ存在するCoLoニューロン（図１）が、魚の逃避行動の方向性にきわめて重要な役割を果たしていることを明らかにしました。魚の逃避行動においては、後脳に一対あるマウスナー細胞が逃避行動の開始の引き金となることが知られていましたが、今回の研究成果により、(1) 方向性のない刺激に対しては、脳内の指令細胞である２対のマウスナー細胞はしばしば両方が発火してしまうこと、(2)しかしながらそのような場合でも、脊髄内のCoLoニューロンが作りなす抑制性神経回路が働き、魚は先に来た命令に従って適切な逃避行動を行うことができることを明らかにしました（図２）。本研究は、脊髄内での情報処理が、私たちが一般に考えているよりも適切な行動の発現に重要な役割を果たしていることを示唆するものであります。

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図1：ゼブラフィッシュの脊髄で、GFPによって可視化されたCoLo細胞。この神経細胞が、魚の逃避行動に関与していると考えられた。なお、脳で逃避行動を命令するマウスナー細胞（脳にある二対の細胞）もGFPで可視化されている。

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図2：CoLoニューロンによる、脊髄内抑制性神経回路の模式図。左右のマウスナー細胞がほぼ同時に発火してしまった場合においても、脊髄内のCoLoニューロンが作り出す抑制性神経回路により、命令のわずかな時間差を関知し、魚は先に来た指令の方向へ逃避運動を行うことができる。

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採餌行動と定位飛行をしているミツバチ働き蜂の脳の視葉（視覚中枢）では、GABAergic（抑制性）とnon-GABAergicニューロンの両方の神経興奮が活性化している

*木矢　剛智¹、久保　健雄²（1金沢大学理工研究域自然システ学系、2 東京大学・大学院理学系研究科・生物科学専攻）*:corresponding author　

PLoS ONE 5(1): e8833

　ミツバチの働き蜂は餌場を見つけ、その位置情報を仲間に伝達する高度な視覚情報処理能力をもちます。この神経基盤を調べる目的で、私たちは、採餌蜂と定位飛行蜂（巣の位置を覚えている働き蜂）の脳の視葉（視覚中枢）において抑制性神経伝達物質GABAを合成するニューロン（GABAergicニューロン）とそれ以外のニューロン（non-GABAergicニューロン）の神経活動を比較しました。方法は、私たちが以前にミツバチから同定した初期応答遺伝子kakusei（神経興奮後一過的にニューロンで発現する）とGABA合成酵素GADの遺伝子発現を、採餌蜂や定位飛行蜂の脳切片を用いた二重in situハイブリダイゼーション法で調べました（図1）。その結果、採餌飛行蜂と定位飛行蜂の視葉ではGABAergicとnon-GABAergicニューロンの両方が興奮していること、GABAergicニューロンは採餌蜂や定位飛行蜂では、触角葉より視葉でより興奮していることを見出しました（図2）。このことから採餌蜂や定位飛行蜂の視葉では複雑な視覚情報処理が行われていること、また嗅覚より視覚の情報処理が優勢であることを示唆しました。

図1　クリックで大きい画像へ

図1 働き蜂の脳におけるGADの遺伝子Amgadとkakuseiの二重in situハイブリダイゼーション法。(A)と(B) Amgadのin situハイブリダイゼーションの結果。視葉（LAとME）と触角葉（AL）で主に発現している。(C) 視葉の横断面の模式図。RE、網膜；LA、視葉板；ME、視髄；LO、視小葉。(D-G) 麻酔から覚醒した働き蜂（脳全体で神経興奮が誘導される）の脳の、パネルAとBの枠内の領域についてのGADとkakuseiの二重in situハイブリダイゼーション法の結果。マゼンダ、赤、青はAmgadとkakuseiの発現と核染色を示す。黄色矢印は興奮しているGABAergicニューロン、白矢印は興奮しているnon-GABAergicニューロンを示す。

図2　クリックで大きい画像へ

図2 定位飛行蜂の脳における定位飛行開始後、脳領野毎のGABAergicとnon-GABAergicニューロンの発現の比較。(A)と(B) 視葉の2つの領域（LA-MEとME-LO：図１参照）で、定位飛行開始後15分GABAergic（緑）とnon-GABAergicニューロン（青）の両方でkakusei発現（興奮している）細胞の割合が増加している。(C) 触角葉（AL）はほぼ全てGABAergicニューロンが占めるが、その割合は飛行開始後も顕著には増加しない。(G) 視葉の2つの領域と比べて、触角葉では興奮しているGABAergicニューロンの割合が少ない（麻酔から覚醒した場合には、両者に有意な差はない。論文を参照）。

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