氏 名 淵 和 子
学 位 専 攻 分 博 士 理 学
学 位 記 番 総 研 大 第
学 位 授 与 の 日 付 成 ６ 月 日
学 位 授 与 の 要 件 生 命 科 学 研 究 科 生 理 科 学 専 攻 学 位 規 則 第 ６ 条 第 該 当
学位論文題目
論文審査委員 主 査 教 授 深 正 紀 教 授 富 永 琴 教 授 鍋 倉 淳 一
教 授 勢 井 宏 義 徳 島 大 学 教 授 山 中 章 弘 名 屋 大 学
(Separate Form 2)
論 文 内 容 の 要 旨
Summary of thesis contents
Sleep is an essential phenomenon which occurs in the brain. It is important to maintain our lives since sleep deprivation for a few weeks leads mice to death. However, we are not still able to answer the question “why do we need to sleep?”. Recently, sleep disorders such as insomnia, sleep apnea syndrome and circadian rhythm syndrome became national diseases. Thus, to reveal the mechanism of sleep/wakefulness regulation and also sleep disorders has profound significance. I focused on the orexin neurons which have a critical role in the regulation of sleep/wakefulness. I studied following three topics using mouse models; local orexin neural network (Chapter I), the negative feedback circuit between orexin neurons and serotonergic neurons (Chapter II) and the mechanism of one of sleep disorders called
“narcolepsy” (Chapter III).
Chapter I: Orexin directly excites orexin neurons through orexin 2 receptor
Orexin neurons have an important role in the regulation of sleep/wakeful ness, and especially in the maintenance of arousal. It has been reported that orexin neurons are activated by orexin not directly but indirectly. However, here I revealed that orexin neurons are directly and indirectly activated by orexin via orexin 2 receptor (OX2R). Both orexin A (1 M) and orexin B (1 M) induced depolarization in orexin neurons, which was still observed when neural networks were inhibited by tetrodotoxin (1 M). Orexin B application induced depolarization in orexin neurons of OX1R knockout mice at comparable levels to wild-type mice. Whereas orexin B failed to depolarize orexin neurons in the OX2R knockout mice. These results suggested that OX2R was a primary receptor for this response. Moreover, immunoelectron microscopic analyses revealed direct contacts among orexin neurons, which exhibited structural similarities to the glutamatergic synapses. Taken together, these results suggest that orexin neurons form a positive feedback circuit through in direct and direct pathways, which results in the maintenance of the orexin neuron network at a high activity level and/or for a longer period. Therefore, the activation of orexin neurons through OX2R might have an important role in the maintenance of arous al.
Chapter II: Influence of inhibitory serotonergic inputs to orexin neurons on the diurnal rhythm of sleep and wakefulness
Serotonergic (5HT) neurons of the dorsal raphe nuclei receive excitatory input from orexin neurons and are activated by orexin through both OX1R and OX2R. On the other hand, orexin neurons are inhibited by 5HT through the 5HT1A receptor. Thus the existence of the negative feedback circuit between orexin neurons and 5HT
(Separate Form 2)
neurons has been speculated. However, the physiological significance of this circuit for sleep/wakefulness regulation is little understood. To reveal this role, 5HT1A receptor expression level was specifically and reversibly controlled in the orexin neurons using the Tet-off system. Under the 5HT1A receptor overexpression condition, orexin-tTA; TetO Htr 1a mice exhibited severe fragmentation of sleep/wakefulness during the first half of the dark period , the time of maximal activity in nocturnal rodents. On the other hand, sleep/wakefulness during the light period was unchanged. However, when the 5HT1A receptor in orexin neurons was reduced to basal expression levels, sleep/wakefulness patterns in orexin-tTA; TetO Htr 1a mice were indistinguishable from those of littermate TetO Htr 1a mice. These results strongly suggest that inhibitory serotonergic input functions as negative feedback to orexin neurons in the early dark period and to help stabilize wakefulness bouts, thereby contributing to the diurnal rhythm of sleep and wakefulness.
Chapter III: Conditional ablation of orexin neurons: A new mouse model for the study of narcolepsy and orexin system function
It is reported that one in six hundred people develop s narcolepsy in Japan. There are four main symptoms; excessive daytime sleepiness, fragmentation of sleep/ wakefulness, sleep paralysis and cataplexy. The pathoetiology of narcolepsy is a loss of orexin neurons in human. For the narcolepsy study, prepro-orexin knockout mice, orexin receptor knockout mice and orexin/a ta xin-3 mice were used as narcolepsy model mice. However, these mice were not perfect mouse models for narcolepsy since they lose orexin functions before or soon after birth not in adolescence or early adulthood. I introduced a novel narcolepsy mouse model “orexin-tTA; TetO diphther ia toxin A fr a gment (DTA) mice” to address this problem. In this mouse, we can control the DTA expression with or without doxycycline (DOX). About 86% and 95% of orexin neurons were ablated at 1 and 2 weeks of DO X removal, respectively. 86% loss of orexin neurons induced fragmentation of wakefulness during the dark period which is an active period for mice. 95% loss of orexin neurons induced much severe fragmentation of wakefulness and cataplexy. As further death of orexin neurons, each symptom became severer. These results suggest that the progress of symptoms is highly related with the number of orexin neurons.
(Separate Form 3)
博 士 論 文 の 審 査 結 果 の 要 旨
Summary of the results of the doctoral thesis screening
睡 眠 覚 醒 の 規 則 正 い 調 節 心 身 の 健 康 を 維 持 必 要 可 欠 あ ヒ 人 生 の 約 3分 の 1 を 睡 眠 費 や 関 わ ヒ 眠 必 要 あ の ？ い う 源 的 疑 問 対 未 明 確 答 え 得 い い 最 近 眠 症 や 睡 眠 時 無 呼 吸
症 候 群 コ プ い 睡 眠 覚 醒 害 社 会 問 題 い 本 研 究
睡 眠 覚 醒 調 節 機 構 睡 眠 覚 醒 害 の 病 態 機 構 を 明 種 々 の ウ モ を 樹 立 主 ウ 脳 イ 標 本 を 用 い 電 気 生 理 学 的 手 法 以 の の 研 究 を 行 い 睡 眠 覚 醒 の 調 節 を 担 う オ キ ン 産 生 神 経 オ キ ン 神 経 の 役 割 を 明
視 床 部 外 側 散 在 オ キ ン 神 経 睡 眠 覚 醒 調 節 特 覚 醒 維 持
要 役 割 を 果 い こ 知 い オ キ ン 神 経 の 活 性 化 機 構 十 分 理
解 さ い 本 研 究 オ キ ン A オ キ ン Bの 局 所 投 オ キ
ン 神 経 脱 分 極 こ こ の 脱 分 極 TTXや APV CNQX い プ
伝 達 を 阻 害 薬 剤 存 在 こ を 示 オ キ ン B投
誘 導 さ オ キ ン 神 経 の 脱 分 極 オ キ ン 1 受 容 体 欠 損 ウ 生 型 ウ
同 様 オ キ ン 2受 容 体 欠 損 ウ 以 の こ
オ キ ン 神 経 こ 報 告 さ い グ タ ン 酸 受 容 体 を 介 プ 伝
達 活 性 化 以 外 オ キ ン 神 経 分 泌 さ オ キ ン オ キ ン2
受 容 体 を 介 直 接 活 性 化 さ こ 明 オ キ ン 神 経 同
士 positive feedback機 構 を 形 成 互 い 活 性 化 あ う こ 覚 醒 維 持 貢 献 い
こ 示 さ
背 側 縫 線 存 在 セ ン 作 動 性 神 経 オ キ ン 神 経 入 力 を 受 け 活 性 化 さ 一 方 セ ン 作 動 性 神 経 オ キ ン 神 経 投 射 5HT1A受 容 体 を 介 オ キ ン 神 経 を 抑 制 こ 知 両 者 間 negative feedback 機 構 存 在
こ 示 唆 さ い 本 研 究 こ の 神 経 回 路 の 生 理 機 能 を 明
Tet-off を 用 い オ キ ン 神 経 任 意 の タ イ ン グ 5HT1A受 容 体 を 可 逆 的
過 剰 発 現 可 能 ウ を 樹 立 の 解 析 を 行 5HT1A受 容 体 を 過 剰 発 現 状 態
暗 期 初 期 特 異 的 篤 睡 眠 覚 醒 の 分 断 化 こ の 症 状 5HT1A受 容 体
の 発 現 を 正 常 ベ 戻 こ 消 失 セ ン 作 動 性 神 経
オ キ ン 神 経 対 暗 期 初 期 特 異 的 負 の 調 節 を 担 い こ 明
コ プ オ キ ン 神 経 何 の 原 因 脱 落 こ 日 中 の 耐 え
難 い 眠 気 睡 眠 覚 醒 の 分 断 化 入 眠 時 幻 覚 情 動 脱 力 発 作 を 呈 疾 患 あ こ
コ プ の モ ウ い く 作 製 さ こ モ 生 後 間
く オ キ ン 神 経 消 失 思 春 期 以 降 発 症 ヒ の コ プ の 完 全
モ 言 え オ キ ン 神 経 の 残 存 数 症 状 の 連 関 関 解 析
こ 本 研 究 Tet-off フ ア 毒 素 A 断 片 の 発
現 を 制 御 こ 任 意 の タ イ ン グ オ キ ン 神 経 の 脱 落 を 誘 導 こ 可 能 モ ウ を 樹 立 の 結 果 細 胞 死 誘 導 後 1 間 86%の オ キ ン 神 経 消 失 睡 眠 覚 醒 の 分 断 化 現 細 胞 死 誘 導 後 間 95%の オ キ ン 神 経 死 滅
篤 睡 眠 覚 醒 の 分 断 化 情 動 脱 力 発 作 こ の 結 果 コ プ
(Separate Form 3)
の 症 状 の 行 オ キ ン 神 経 数 減 少 の 間 高 い 相 関 あ こ 明
こ 研 究 内 容 3 報 の 筆 頭 論 文 国 発 表 さ 関 連 内 容
4 報 の 共 著 論 文 を 発 表 い 以 の こ 鑑 本 研 究 学 位 論 文 ふ さ わ
い の あ こ 審 査 委 員 全 員 の 意 見 一 致
