味覚障害の改善における亜鉛酵素の役割に関する生理学的研究

味覚障害の改善における亜鉛酵素の役割に関する生

理学的研究

著者

駒井 三千夫

三一二7 ､､､

研 究 成 果 報 告 書

味覚障害の改善における亜鉛酵素の役割に関する生理学的研究

研究課題番号: 15380087

平成15年度∼平成17年度科学研究費補助金

(基盤研究(ち))研究成果報告書

平成18年5月

研究代表者:駒井三千夫

東北大学･大学院農学研究科･教授

研 究 成 果 報 告 書

味覚障害の改善における亜鉛酵素の役割に関する生理学的研究

研究課題番号: 15380087

平成15年度∼平成17年度科学研究費補助金

(基盤研究(B)(2) )研究成果報告書

平成18年5月

研究代表者:駒井三千夫

東北大学･大学院農学研究科･教授

は し が き

若年時における噂好の偏りは､壮年∼老年期における味の噂好にも影響し､もし偏った味

噂好があると､偏った栄養成分の摂取傾向となり､生活習慣病の発症リスクが高くなること

が指摘されている｡身体の健康の維持のためには､正常な味覚機能(味噂好も含まれる)が

維持されていなければならない所以である｡亜鉛欠乏性味覚障害の発症機構が､舌表皮組織

E)

の亜鉛酵素の機能不全によるものなのか否か､あるいは別な機構を介して発現しているのか

否かについて､ラットの亜鉛欠乏性味覚障害モデルを用いて3年間の研究期間を設けて解明

を行った｡とくに､亜鉛酵素の中でも味覚と密接な関係が知られている炭酸脱水酵素の関与

について､神経生理学的および味覚生理学的手法を用いて検討したo

初年度(平成15年度)の研究によって､以下のことが明らかにされた｡

1)亜鉛欠乏による味噂好の異常は､食塩噂好においては飼育4日目から見られ､これは低

亜鉛食条件でも亜鉛欠乏食の条件と同じ程度に強くみられた｡一方､末梢における味受容能

の低下は飼育初期には見られず､炭酸水で10日後の低下､他の基本味では最低3週間以上必

要であることを明らかにした｡初期の食塩噂好異常はナトリウムの枯渇によるものではない

ことがわかり､中枢性のオキシトシン分泌が鍵を握っているというヒントをつかむことがで

きた｡

2)別の実験で､近年発症が増えてきている亜鉛キレート剤添加食給餌によって､各種味溶

液の選択が正常状態とは異なり､味覚異常を呈することを確認した｡また､鼓索神経応等に

よる味受容能の低下をも示し､味覚異常の実験モデルを構築することができた｡

3)炭酸脱水酵素阻害剤添加食の実験も行い､味覚受容能の低下を示すことができた｡こう

して､亜鉛酵素である炭酸脱水酵素が､受容サイトにおける味受容に深くかかわっているこ

とを初めて示すことができた｡そして､亜鉛欠乏による唾液腺における炭酸脱水酵素(car-bonic Anhydrase= CA)アイソザイムの低下は､分泌型であるCA VIではなく主としてCA II が関与していることを､ mRNAの発現のみならず､ southem blot analysisのタンパク質発現レ

ベルでも示された｡

2年目においては､味覚障害発症の機構を亜鉛酵素である炭酸脱水酵素の関与の面から検

討した｡

1 )亜鉛キレート作用を有するフイチン酸含有食が味噂好と鼓索神経応答に及ぼす影響

亜鉛吸収の阻害させるフイチン酸を4週間与えて実験を行ったところ､低亜鉛食という条

件下でのみ亜鉛欠乏(血祭亜鉛濃度でモニター)を引き起こすことが分かった｡塩酸キニー

ネ溶按(苦味)と水の2瓶選択実験では味の噂好異常は認められなかったものの､鼓索神経

応答においては大部分の基本味応答が低下していた｡また､顎下腺の炭酸脱水酵素(cA)

活性が低下していた｡このことから､亜鉛摂取量が少ない状況とフイチン酸摂取が重なった

場合に､潜在的な亜鉛欠乏に陥ることが示唆された｡

2)炭酸脱水酵素(CA)阻害剤(アセトアゾラマイド)添加食が味覚受容に及ぼす影響

CA阻害剤添加食の給餌により､全ての基本味の鼓索神経応答が低下していることが確認

された.血祭亜鉛濃度のモニターから､これは亜鉛欠乏によらない味覚異常であると判定さ

れ､この場合､血祭カリウム濃度の低下､マグネシウム濃度の上昇等が起こることが示され

た｡

3)上記のほか､亜鉛欠乏時の三叉神経舌枝における炭酸水応答低下の現象とCA活性が関

係していることを初めて明らかにした｡

3年目においては､実験動物としてラットを用いて､まず味覚障害発症の機構を亜鉛酵素

01

である炭酸脱水酵素の関与の面から検討することによって味覚障害の機構を明らかにして､

味覚障害の改善に役立てることを企図した｡さらに､亜鉛欠乏時の食欲調節因子(食欲調節

ペプチド遺伝子の発現)の変化をモニタリングすることにより､亜鉛欠乏性味覚異常の発症

機構を解明する研究を行った｡

1 )味覚に関係していることが分かった炭酸脱水酵素の活性と味覚受容能変化:

亜鉛酵素としては､亜鉛欠乏時に発現が抑制されていることが示唆されていた､舌表皮組

E)

織中や唾液中の炭酸脱水酵素に焦点を当てて検討した｡一つは､亜鉛欠乏の進行とともにこ

れら組織中の炭酸脱水酵素の発現が低下していくことを確認した｡そして､この低下ととも

に三叉神経舌枝の炭酸水刺激味応答が低下することが確認できた｡さらに､亜鉛欠乏動物に

亜鉛を与えて欠乏を回復させると､炭酸脱水酵素活性と炭酸水刺激味応答の両方が経時的に

10日ほどで回復することが分かった｡また､両項目の回復の時間的経過も一致した｡

2 )亜鉛欠乏性味覚障害と食欲調節に関与する中枢性神経ペプチド分泌の制御機構:

亜鉛欠乏時における主要な味の噂好性の異常については､食欲調節系の神経ペプチドの代

表的なもの､すなわち視床下部領域のレプチン､ POMC､ニューロペプチドY (NPY)､オ レキシン､グレリン､等々のmRNA発現をモニターし､分子生物学的手法で計測した｡とく

に､亜鉛欠乏においては4日日頃から急激な食塩噂好の上昇が起こり､摂食量の方は欠乏飼

料給餌後すぐに低下し(3日目程度で最小値)､その後は幾分増加-低下というような摂食サ

イクルを示すが､これと､食欲調節ペプチドの変動をモニタリングした｡その結果､ POMC

やNPY発現がこの摂食調節に関与していることが示唆された｡さらに詳細なマイクロダイ

アリシス装置を用いた検討が待たれる｡

研究組織

研究代表者:駒 井 三 千 夫(東北大学大学院農学研究科教授)

研究分担者:白 川 仁   (東北大学大学院農学研究科助教授)

研究分担者:後 藤 知 子 (石巻専修大学理工学部講師)

(研究協力者:伏見修也､田中保憲､本山 茂記)

交付決定額(配分額)       (金額単位:千円) 直接経費 亊I ｨﾆ N 合計 平成15年度 ﾃ3 0 ﾃ3 平成16年度 ﾃs 0 ﾃs 平成17年度 ﾃs 0 ﾃs 総計 唐ﾃs 0 唐ﾃs

02

研究発表(○印の論文を添付)

(1)学会誌等(発表者名､テーマ名､学会誌名､巻号､年月日)

①駒井三千夫: ｢味噂好の生理と栄養｣､ Foods & Food Ingredients JournalofJapan, No. 208, 18-25,

2003 (2003年4月)

②.伏見周也､鈴木 均､駒井三千夫: ｢亜鉛欠乏ラットの三叉神経舌枝応答の縫目変化に関

する研究､ 5本療t匂学会款10,467-468,2003. (2003年12月)

③･ KaL2umi Osada, Michio Komai, Bruce P. Bryant, Hitoshi Suzuki, Kenji Tsunoda,and Yuji

Furukawa: Age related decreasesinneuralsensitivityto NaClinSHR-SP. J. Vet. Med. Ski., 65 (3), 313-317,2003. (2003年12月)

㊨本山茂記､福成真由子､白川 仁､駒井三千夫: ｢うま味噂好性に及ぼす亜鉛欠乏の影響｣､ β

本鍵t匂学会菰12,419-420,2005 (2005年12月)

①田中保憲､福成真由子､白川 仁､駒井三千夫: ｢乳仔期の亜鉛栄養状態が離乳後の塩味噂好

に及ぼす影響｣､ 5本廉t匂学会菰12,4211422,2005 (2005年12月)

㊨ Tomoko GotolJ, Hitoshi Shirakawal, Yuji Furukawaland Michio Komai1:

Decreased Expression of Carbomic AnhydradSe Isozyme II, ratherthanof Isozyme VI, in Submandibular GlandsinZinc-De月cient Rats. (insubmission)

(2)口頭発表(発表者名､テーマ名､学会等名､年月日)

1.伏見周也､鈴木 均､駒井三千夫: ｢亜鉛欠乏ラットの三叉神経舌枝応答の縫目変

化に関する研究､ (第37回日本味と匂学会､ 2003年9月､岡山)

2. Tomoko Goto, Yuji Furukawa,and Michio Komai: Sodiumimbalanceinduced by short-term

zinc denciencyinrats･ 14thInt'l SymposlumOn Olfactionand Taste, Kyoto, July 8, 2004, Abstract

p. 123, 2004 (Poster)

3. Mayuko Fukunari, Hitoshi Suzuki, Tsutomu Saito,and Michio Komai:Astringency-sensitive neuron pro別einthe chorda tympani nerve fibers in adult Wistarrats･ 14thInt,1 Symposium on Olfaction

and Taste, Kyoto, July 7, 2004, Abstract, p. 133, 2004 (Poster)

4.福成美由子､鈴木 均､斎藤 努､駒井三千夫: ｢渋味の受容機構に関する神経生

理学的研究｣ (日本農芸化学会 2005年度大会､ 2005年3月､札幌)

5. Tomoko Goto, Hitoshi Suzuki, Hitoshi Shirakawa, Yuji Furukawa,and Michio Komai: Effects of

marginal zinc defkiency on NaCl preference and owtocinsecretion in SD rats.inAssociation for

Chemoreception Sciences, mIthAmualMeeting, Abstract - p.83, SadaSOta, Florida, USA, Apr.

13-17, 2005 (Poster).

6.本山茂記,福成真由子,白川仁,駒井三千夫: ｢ラットにおけるうま味噂好性に及

ぼす亜鉛欠乏の影響｣ (日本味と匂学会第39回大会(盛岡) 2005年9月)

7.田中保意,福成真由子,白川仁,駒井三千夫: ｢乳仔期の亜鉛栄養状態が離乳後の

塩味噂好に及ぼす影響｣ (日本味と匂学会第39回大会(盛岡) 2005年9月)

(3)出版物(著者名､書名､出版者名､年月日) ○印のみを添付｡

03

①駒井三千夫‥ ｢加齢による味覚の変化｣､ Aghg&Health,第12巻､第2号(No.26) ,p. 14-15,2003

(長寿科学振興財団機関紙､ 2003年7月)

2.駒井三千夫: ｢砂糖溶液の甘味刺激が脳血液動態に及ぼす影響｣ -特に溶液中炭酸ガスの影響､

糖質と健康､ G･ HarveyAnderson,木村修一､足立 尭‥監修､ ILSI Japan糖類研究部会編､建

烏社､ pp.217-224,2003年12月 3.駒井三千夫(共同執筆) :日本味と匂学会編｢味のなんでも小事典｣､講談社ブルーバックス､ 2004年4月(講談社)        ′ 4.駒井三千夫､福成美由子､鈴木 均､斎藤 努: ｢たん白質成分の渋味のマスキングに関する 神経生理学的研究｣､大豆たん自質研究, VOI.7, 57-62, 2004 (2004年6月)

①駒井三千夫:第5章 味覚｢味のしくみ(分子生物学)｣､栄養･食糧学データハンドブッ

ク､ pp.180-183､ (分担執筆)､日本栄養･食糧学会編､同文書院､ 2006年1月

研究成果による工業所有権の出頭･取得状況

なし(現在､企画進行中)

04

(別紙様式13)

AllSTRACTS OF RESEARCH PROJECT, GRANT-IN-AID

FOR SCIENTIFIC RESEARCH ( 2005 )

1. RESEARCH INSTITUTION NUMBERン1 1301

2･ RESEARCH INSTITUTION: Tohoku Umiversity

3 ･ CATEGORY･. Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (2)

4･ TERM OF PR()JECT (2003-2005) 5. PROJECT NUMBER: 1 5380087

6･ TITLE OF PROJECT: Physiologicalstudy on the role of zinc enzyme onthe improvement

of taste disorders

7. HEAD INVESTIGATOR

REGISTERED NUMBER NAME

80 143022       Michio Komai

8. INVESTIGArORS

REGISTERED NUMBER NAME

( 1 ) 40206280     Hitoshi Shirakawa

(2) 00342783    Tomoko Goto

INSTITUTION, DEPARTMENT, TITLE OF POSITION Laboratory of Nutrition, Division of Life Science,

Graduate School ofAgriculturalScience,

Profes sor

rNSTITUTION, DEPARTMENT, TITLE OF POSITION Laboratory of Nutrition, Division of LifeScience,

Graduate School of Agricultural Science, Associate Professor

Department of Bioteclmology,

School of Scienceand Engineenng,

Ishinomaki-Senshu Univerisity

9. SUMMARY OF RESEARCH RESULTS

(1 ) Effect of carbonicanhydrase inhibitor (CAI) on taste sensitivity:

To elucidate the effect offeeding of carbonic anhydrase inhibitor on taste reception, the

preference for basic taste was observed,andthe chorda tympani nerve responses to basic taste

and carbonated water was recorded in SD rats. Male rats, eight weeks old, were fedthe

experimental diet either supplementedwith0.2 % acetazolamide (CAI) or pair-fed controlfor

5 weeks･ The preference for typicalbasic taste solution was measured by 2-bottle selection method (waterand taste soln) with5 rats per one group reared together in one cage for 5

weeks,andthe chordatympani nerve recordings were recorded at 1 , 2, 3,and 5 week (n-416

rats, respectively)･ Carbonicanhydrase activity of the submandibullargland was measured

by modified Maren's method at 2, 4, 9, 1 5,and 22 days (n-5 rats, respectively) after feeding

of the experimental diets.      ,

Two-fold prefTerence rate for 1 54 mM NaCland markedly increased solution intakes of 5 mM HCl, L-glutamic acid, qulnlne-HCI were observed inthe acetazolamide diet group

comparedwiththe control･ The diuretic condition due to acetazolamide supplementation

might cause abrupt increase of NaCI prefTerence, whereas other changes are still remained to

be explained･ The meanvalues of the chorda tympani nerve responses toal1 taste stimuli

decreased by acet&olamidefeeding after 1 week or later. Carbonic anhydrase activityinthe

submandibullar gland showed paralleled decrease asthe taste nerve response duringthe exp erimenL

(2) Carbonated water receptionand the zinc enzyme: Carbonic anhydrase activity inthe

zinc-deficient rats :

The present research wasundertaken to elucidate the effTect of fTeeding duration of zinc

deficient diet onthe decrease of the lingualtrigeminalnerve response to carbonated water in SD rats･ Male SD rats, 4 weeks old, were divided into four groups,and fed zinc-deficient diet (containing zinc 1 ･O ppm), low-zinc diet (4.7 ppm), zinc sufficient diet (35.4 ppm) with

斤ee access･ Theforthgroup was pair-fedthe zinc sufncient dietwithrespect tothe zinc

deficient rats･ The nerve response of the lingualtrigeminalwas measured on 0, 4, 10, 14, 21,

28, 35,and the 42nd day after feeding of the experimental diets･ Simultaneously, carbomic

anhydrase activity in the submandibular glandand plasma zinc content were measured.

Electrophysiological recordingfromthe lingualtrigeminal nerve bundle bythe

integrated response showed that the response to CO2 Was SlgmifiCantly decreased after 28days

feeding of zinc deficient diet･ By separatingthe impulse of the nerve response to CO2 by our software (Suzuki, H), it was observedthatthere are many flbersthat decreased after 14 days feeding of zinc deficient diet･ Inthe zinc deflCient rat, Carbomic anhydrase activity inthe submandibular gland was also significantly decreased after 14 days feeding･ lnthe second experiment, when zinc sufficient diet was re-fed tothe zinc deficient ratthatfed deflCient diet

for 35 days, the response to CO2and the carbomiCanhydrase activity recovered only 6 to 8

days afterthe feeding･ Detailed information on the impalrmentandthe recovery of lingual trigeminal nerve sensitivityandthe carbonic anhydrase activity inthe salivary gland due to

zinc deficiency were revealed by the present research.

(3) Zinc deficiency raise NaCI preference throughthe decrease of hypophysial oxytocin

secretion:

We have confirmed that NaCI preference is greater inthe zinc-deficientand low-zinc

ratsthaninthe control (zinc-sufncientand pair-fed) rats after 4 days'fTeeding. Furthermore,

we havealSo reportedthat long-termzinc deficiency decreases taste sensitivity atthe level of

the chorda tympani nerveandthatthe change in NaCI preference due to zinc deficiency

occurs befbrethe decrease in taste sensitivity･ In order to clarifythe mechanismforthe

increased NaCI preference observed in zinc-deficientand low-zinc rats atanearlier stage of the feeding, wetherefore investigatedthe efrTects of zinc deficiency on plasma index (mineral

concentration, pH, hematocrit), blood pressure, urinary excretion, water intakeand selected

hormones･ Male 4 week-old Sprague-Dawley rats were divided into three groups

(zinc-deficient, low-zincand pairやd)･ Atanearlier stage of the feeding period, there was

no change of plasma sodiumconcentration inthe zinc-deficient rats･ Wealso investigated thatthe efrTects of zinc deficiency on neurohypophysialhormOnes in rats because brain oxytocin system is important forthe regulation of sodiumbalance via effTects on sodium

intakeand excretidn･ In consequence,the feeding of zinc-deflCient diet causesthe decrease of plasma oxytocin concentration even after 4 days'feeding･ These results suggest thatthe dietary slgnal of zinc-deficiency may reflect NaCI preference, possibly throughthe hypothalamus-neurohypophysialsystem.

(4) SubmandibullarCAII activitywas reduced by zinc deficiency:

We previously reported that in rats, long-term zinc deficiency significantly reduced taste sensitivityand total carbomiCanhydrase (CA) activity inthe submandibular gland. We

therefore investigatedthe effTects of zinc deflCiency on salivary secretionand the expression of

CA isozymes (IIand VI) inthe rat submandibular gland, since those isozymesarethOught to be related to taste sensationand salivary secretion. Male 4-week･叫ld SD rats were divided

into three groups (zinc-deficient, low-zinc,and pair-fred: fed a diet containing 2.2, 4. 1, or 33.7

mg zinc/kg, respectively,for 42 days)･ Northem blotanalysis indicated that zinc deficiency

reduced CA II mRNA expression in the submandibular gland wi血out reducing CA VI

expression･ In westem blot analysis, zinc deficiency sigmificantly reduced CA II

(erythrocyte CA) protein expression inthe submandibul訂glandwithout reducing CA VI

expression. Salivary secretion was lower in the zinc-deficient groupthaninthe pair-fed group･ We also conflrmed the decreased salivary secretion rateand CA II expression in the

submandibular glandthat was affTected by dietary zinc content. These results suggestthat decreased CA II expression underliesthe decreased CA activity previously reported inthe submandibular gland in the zinc-deficient rats,and may reduce bothregular salivary secretion

and taste sensitivity.

(5) Zinc deficiencyand the appetite controling neuropeptides secretion:

As shown below there was an unbalanced control mechanism in the fわod intake of

zinc-deficient rats, i.e., decreased hypothalamus neuropeptide Y (NPY) mRNA expression,

and increased CRH mRNA expressions were observed especially in the bottom duration of

food intake after 3 days of zinc deficient di.etfeeding in their cosine curve of food intake

pattem･ Therefore, the present study suggests that neuropeptide controling mechanism

may be involved inthe abnomal foodand appetite control statusin the zinc deficiency,

though further studies are required in this phenomena including POMC expression in the

hypothal anus.

Summary

･* Zn-Def vs. Pair-fed

- Nochange

** Zn repletion experiment confirmed these changes were reversible･

Other items measured

Orexlgenic peptides : AgRPI Orexin? MCHI Galanin

Anorexlgenic peptides: POMC! CARTI NT, Ucn, CCK, OT

Plasma biochemicalmarkers : Insulin,  AdiponectinI Glucosel

Non-esterirled fatty acids

Estimated abnormal food intake control mechanism seen in the Zn

derICient condition (Bottom time)

Fasting

Leptin 白

Zn DerICiency

Leptin 白

●       ● ■ ■ ● ■ ▼ L 一一一一一! ▼

08

10. KEY WORDS

｢ 1 1 zinc deflCiency m121 taste abnormalitv     (31 rat

4) carbonicanhydrase    (5) zinc enzyme

7) chorda tvmpani nerve    (8l apt)etite control I)eDtide

61 lingual trigeminal nerve

1 1. REFERENCES

AUTHORS, TITLE OFARTICLE JOURNAL, VOLUME-NUMBER, PAGES

CONCERNED, YEAR

Shuya Fushimi, Hitoshi Suzuki,and W

塾些盆"Effect of dieatry zinc de丘ciency on

the lingualtrigeminalnerve sensitivityinSD

rats"

KaLZumi Osada, Michio Komai, Bruce P. Bryant,

Hitoshi Suzuki, Kenji Tsunoda,and Yuji

Furukawa, "Age related decreases in neural

sensitivity to NaCl in SHR-SP"

Shigeki Motoyama, Mayuko Fukunari, Hitoshi

Shirakawa,and Michio Komai. ㍍Effect of zinc

deficiency onumami taste preference in SD rats"

Yasunori Tanaka, Mayuko Fukunari, Hitoshi

Shirakawa,and Michio Komai. "MatemalZinc

denciency during lactationperiod modifytheir

weanlingand grownrats'NaCI preference"

Jpn. J. Taste andSmell Res., 10, 467-468, 2003. (Dec., 2003) (in Japanese)

J. Vet. Med. Sci" 65 (3), 313-317, 2003. (Dec.,

2003)

Jpn. J. Taste andSmell Res., 12, 4191420, 2005 (Dec., 2005) (in Japanese)

Jpn. J Taste andSmell Res., 12, 421-422, 2005 (Dec., 2005) (in Japanese)

(in submission)

Tomoko Gotol･2, Hitoshi Shirakawal , Yuji Furukawaland Michio Komai1 :

Decreased Expression of Carbonic Anhydrase Isozyme II, ratherthanof Isozyme VI, in

SubmandibularGlands in Zinc-Deficient Rats.

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