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(1)

東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻

生体情報学研究室

岡

良隆

環境変化への適応過程における情報伝達機構のはたらき

“イオンチャネル，レセプター”

• ペプチドニューロン

• 魚類糸球体核

• 卵・精子

(2)

G

ENVIRONMENTAL/PHYSIOLOGICAL CONDITIONS

Hormones

I

Na(slow)

TN-GnRH

neuron

Na

+

I

Na(fast)

Na

+

I

K(V)

K

+

Target

Neurons

Target

Neurons

GnRH

Ca

2+

I

Ca(N)

Ca

2+

K

+

Ca

2+

Target

Neurons

K

+

I

K(Ca) apamin-sensitive

GnRH

GnRH-R

?

SOC(?)

I

Ca(N, P/Q)

I

K(M)

Excitability

Transmitter

Release

Olfactory

Somatosensory

Visual

GluR/mGluR

ペプチドニューロンの神経生物学

(3)

神経核の情報処理機構とその修飾

RE PS IM TO CG RE PS IM TO CH CH LI ON ON CR CR LC SC

R

L

TD G

B

A

CH

TO

CG

IL

GL SCFL PCL

C

**

*

_*

*

_*

1mm

50 µm

CR cells time C R ce ll ac ti vi tｙ Pos time tsy napt ic re spon se

(4)

Mem brane potentia l (m V)

Sperm

-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80

Phase I

Phase II

Phase III

卵・精子のイオンチャネル・レセプターと情報伝達

1 2 3 4 5 6 7 8 9

受精電位

受精時の細胞内

Ca

2+

_濃度変化

(5)

２００３年ノーベル化学賞に米国の２氏

スウェーデンの王立科学アカデミーは８日、０３年のノーベル化学賞を、米ジョンズ・ホプキンス大のピーター・アグレ教授と、米ロックフェラー大学のロドリック・マキノン教授に贈ると発表した。業績は「生体細胞膜に存在する物質の通り道の研究」。授賞式は１２月１０日にストックホルムで開かれる。賞金は総額１０００万クローナ（約１億４０００万円）を受賞者で等分。自然科学系分野のノーベル賞は、昨年まで３年連続で日本人が受賞したが、今年は選ばれなかった。生き物の体は水に満たされた多くの細胞からできている。水やさまざまの物質が細胞膜のどこを、どのように通って細胞に出入りするかは、長い間の関心事だった。アグレ教授は８８年、細胞膜に新しい膜たんぱく質を見つけた。さらに、この膜たんぱく質が水だけを通す穴（チャンネル）であることを突き止め、「アクアポリン」と名付けた。人も全身に存在しているこの穴によって、飲んだ水を吸収したり尿を作ったりできる。また、水とともに細胞を出入りする分子やイオンも、神経や筋肉などの組織で細胞間の情報伝達にかかわっている。マキノン教授は９８年、カリウムイオンが通るチャンネルの姿を原子レベルで解明することに成功。細胞膜チャンネルの構造や働きの研究に新しい道を開いた。水やイオンのチャンネルに起こる異常は、腎臓や心臓など多くの組織で病気の原因となる。２人の研究成果は、病気の理解や治療薬の開発に役立っている。昨年、化学賞を受けた島津製作所フェローの田中耕一さんは「（昨年まで）３年連続の日本人受賞は単なる巡り合わせ。昨年以来、私よりピーター・アグレ氏米国生まれ。米ジョンズ・ホプキンス大医学部で医学博士号取得。同大教授。５４歳。ロドリック・マキノン氏米国生まれ。米タフツ大医学部で医学博士号取得。米ロックフェラー大ハワードヒューズ医学研究所の教授。４７歳。

“イオンチャネル”

(6)

アクアポリン（水チャネル）とイオンチャネル

Fig 1. The dividing wall between the cell and the outside

world – including other cells – is far from being an

impervious shell. On the contrary, it is perforated by

various channels. Many of these are

specially adapted to

one specific ion or molecule

and do not permit any other

type to pass. Here to the left we see a

water channel

and

to the right an

ion channel

.

Fig 2. Peter Agre’s experiment with

cells containing or lacking

aquaporin

.

The aquaporin is necessary for making

the cell absorb water and swell.

(7)

GnRHペプチド神経系の神経生物学

Yoshitaka Oka, PhD

(8)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

MAMMAL

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH

2 CHICKEN-I

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu

Gln

Pro-Gly-NH

2 SEA BREAM

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu

Ser

Pro-Gly-NH

2 CATFISH

pGlu-His-Trp-Ser

His

Gly-Leu

Asn

Pro-Gly-NH

2 SALMON

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly

Trp-Leu

Pro-Gly-NH

2 DOGFISH

pGlu-His-Trp-Ser

His

Gly

Trp-Leu

Pro-Gly-NH

2 CHICKEN-II

pGlu-His-Trp-Ser

His

Gly

Trp-Tyr

Pro-Gly-NH

2 LAMPREY-III

pGlu-His-Trp-Ser

His-Asp-Trp-Lys

Pro-Gly-NH

2 LAMPREY-I

pGlu-His

Tyr

Ser

Leu-Glu-Trp-Lys

Pro-Gly-NH

2 TUNICATE-I

pGlu-His-Trp-Ser

Asp-Tyr-Phe-Lys

Pro-Gly-NH

2 TUNICATE-II

pGlu-His-Trp-Ser

Leu-Cys-His-Ala

Pro-Gly-NH

2 (modified after Powell et al., 1996)

(9)

ラットの視床下部ー下垂体系

放出ホルモン･放出抑制ホルモン産生細胞

(10)

Terminal Nerve

GnRH System

(sGnRH)

Midbrain GnRH

System

(cGnRH-II)

Hypophysiotrophic

Preoptic GnRH

System

(sbGnRH)

Tel

TeO

ON

OB

Med

Cb

TN lesion

脊椎動物には複数の

GnRH神経系がある

(11)

Dwarf gourami, Colisa lalia

♂

(12)

100µm

(13)

神経細胞（ニューロン）

の構造

脳（

Brain）の構成要素

• 神経細胞（ニューロン）

• 神経膠細胞（グリア）

• 血管

他のニューロンから来た軸索シナプス終末（終末ボタン）樹状突起の枝神経伝達物質を含むシナプス小胞樹状突起細胞体細胞体核ゴルジ装置リボソーム他のニューロンから来た軸索軸索ミトコンドリア粗面小胞体有髄繊維

(14)

神経細胞の

電気信号

電極刺入 Threshold: 閾値 Resting potential: 静止膜電位活動電位イオンポンプイオンチャネルイオンポンプ • 濃度勾配に逆らってイオンを能動輸送するイオンチャネル • 濃度勾配にしたがってイオンを拡散させる

イオンポンプと

イオンチャネル

(15)

パッチクランプ法

Neher & Sakmann, 1991年ノーベル生理学賞

軽く吸引するピペットと膜の間に強力なシールができる強く吸引する細胞質がピペット内とつながる電極を引き戻す小胞ができる電極を引き戻す膜の切れ端が癒合する空気中にさらす

(16)

脱分極過分極膜電位外側内側脱分極過分極膜電位外側内側閉開閉閉開不活性化閉

膜電位依存性

Na

+

_{チャネルと}

_K

+

_{チャネルの}

機能的状態変化

(17)

(18)

IR-DIC image of

TN-GnRH neurons

Terminal Nerve (TN)

GnRH neurons

50μm

Telencephalon

Olfactory Bulb

10μm

electrode

脳スライスを使うと

GnRH細胞

(19)

フィラメントボックス

プログラムキーパラメータ表示部

デシケーター

(20)

サウンドモニタパッチクランプアンプ _{コンピュータ} オシロスコープ A/D D/A コンバータマニピュレータ除振台正立顕微鏡マニピュレータ近赤外線ビデオカメラビデオモニタ酸素・二酸化炭素混合ガスプリンタ電気刺激装置

パッチクランプ実験セット

(21)

A

B

TN-GnRH ニューロンからの細胞内記録

Pacemaker

activity

(22)

100µm

(23)

TN

単一

TN-GnRH ニューロンの細胞内染色像;

連続切片から単一ニューロンの全体像を再構成

(24)

Ringer

+20 nM sGnRH

c

washout

Time (s)

d

V ol ta ge (m V )

a

b

+20 nM sGnRH

A

V o lta ge (m V )

a

b

c

d

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Time (min.)

+20 nM sGnRH

F

re

qu

en

cy

0 2 4 6

C

B

Effects of sGnRH

'98 11/11 No.4

sGnRHを加えると二相性にペースメーカー活動頻度が変化する

(25)

0 1 ₂ ₃ ₄ ₅ ₆ ₇

Time(min.)

6 4 2 0

+20 nM sGnRH

F

re

qu

en

cy

8

+20 nM sGnRH

a

b

c

d

A

4 0 45 50 2 5 -25 -50 Ringer 5 0

a

18 0 18 5 1 90 +20 nM sGnRH 5 0 2 5 0 -25 -50

c

1 2 0 1 2 5 1 30 +20 nM sGnRH 5 0 2 5 0

b

-25 -50 washout 5 0

d

B

C

V o lta ge (m V ) Time (min.)

Effects of sGnRH

(Pipette sol. contains

b

sGnRHによる２相性のペースメーカー頻度変化はピ

ペット中の

GDP-β-S で阻害される

Gタンパク質共役型

GnRH-受容体が修飾に関与してい

(26)

GnRH

G

_α

G

βγ

2nd messenger

Ca

2+

_{dependent events}

1

2

20 16 12 Time (s) -40 -20 0 20 -40 -20 0 20

Modulation of Ca

2+

channels

autocrine

paracrine

increase of

firing frequency

GnRH

receptor

GnRHによるペースメーカー頻度の修飾には

Ca

2+

_{チャネルの修飾が関与している}

N-type

R-type

(27)

GnRH-受容体の In situ hybridization

Olfactory bulb

(28)

TN-GnRH neurons

Light micrographs of

1µm semithin

sections

TN-GnRH neurons

Electron micrograph

1µm

50µm

GnRHニューロンは

グリア細胞を介さず

に密着した細胞塊

を作っている

(29)

(30)

Occurrence of failure (% of trials)

20

0

40

60

80

100

*

**

Intact Sham TNX PTNX ONX DLFB

TN-GnRHニューロンを破壊すると観察時間内に

nest-building 行動を示さない個体が増える

(31)

ペアリングの後の単独オスによる

nest-building行

動は動機付けの高まった状態とみなせる

During Pairing

Nest-building

Clasping

Solitary nest-building

after pairing

(32)

Time course of nest-building frequency 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0: 00 :0 0 0: 06 :0 0 0: 12 :0 0 0: 18 :0 0 0: 24 :0 0 0: 30 :0 0 0: 36 :0 0 0: 42 :0 0 0: 48 :0 0 0: 54 :0 0 1: 00 :0 0 1: 06 :0 0 1: 12 :0 0 1: 18 :0 0 1: 24 :0 0 1: 30 :0 0 1: 36 :0 0 1: 42 :0 0 1: 48 :0 0 1: 54 :0 0 2: 00 :0 0 2: 06 :0 0 2: 12 :0 0 2: 18 :0 0 2: 24 :0 0 2: 30 :0 0 2: 36 :0 0 2: 42 :0 0 2: 48 :0 0 2: 54 :0 0 3: 00 :0 0 3: 06 :0 0 3: 12 :0 0 3: 18 :0 0 3: 24 :0 0 3: 30 :0 0 Time (h:mm:ss) N e st b uild ing /2m in MilliQ Antide

GnRH アンタゴニスト (Antide) 注射により動機付

けの自発的低下が早まる

(33)

Time course of nest building frequency 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 00 :0 0 08 :0 0 16 :0 0 24 :0 0 32 :0 0 40 :0 0 48 :0 0 56 :0 0 04 :0 0 12 :0 0 20 :0 0 28 :0 0 36 :0 0 44 :0 0 52 :0 0 00 :0 0 08 :0 0 16 :0 0 24 :0 0 32 :0 0 40 :0 0 48 :0 0 56 :0 0 04 :0 0 12 :0 0 20 :0 0 28 :0 0 36 :0 0 44 :0 0 52 :0 0 00 :0 0 08 :0 0 16 :0 0 24 :0 0 32 :0 0 40 :0 0 48 :0 0 56 :0 0 N e st b uild ing /2m in Buserelin Saline