2018-03-30 国立大学法人東京大学大学院農学生命科学研究科,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST),国立研究開発法人理化学研究所 東京医療学院大学 麻布大学獣医学部
- 発表者
- 角田 麻衣(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 特任研究員/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト 特任研究員)
宮道 和成(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 特任准教授/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト グループリーダー)
江口 諒(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 修士課程(当時))
佐久間康夫(東京医療学院大学 教授・学長/日本医科大学名誉教授)
吉原 良浩(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 チーム リーダー/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト グループリーダー)
菊水 健史(麻布大学獣医学部 動物応用科学科 教授)
桑原 正貴(東京大学大学院農学生命科学研究科 獣医学専攻 教授)
東原 和成(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 教授/
JST ERATO東原化学感覚シグナルプロジェクト 研究総括)
発表のポイント
- 雄ラットの涙液に含まれるタンパク質Cystatin-related protein 1 (ratCRP1)は、雌ラットとマウス双方の鋤鼻神経系を活性化することを明らかにしました。
- 雌ラットがratCRP1を受容すると、性行動の促進につながる行動を示しました。
- 一方、ラットの被食者であるマウスではratCRP1を受容すると、感知した場所を避けるだけでなく、活動量の減少が見られました。
- ラット雌雄間の性シグナルとして使われるratCRP1は、マウスにとっては異種動物の存在を示す天敵シグナルであることが分かりました。
発表概要
げっ歯類は鼻腔の鋤鼻器官(注1)で外界の匂いやフェロモンなどの化学シグナルを感知することで周囲の動物を認識し、そのシグナルに応じた行動を示すことが知られています。例えば、雄マウスの尿中タンパク質は同種の雌に性行動を促し、また、マウスの捕食者であるラットの尿中タンパク質はマウスに忌避行動を引き起こすことが知られています。近年、涙液中の化合物が同種の動物に行動を誘発することが分かってきましたが、異種の動物に対して化学シグナル分子を介した行動の誘発が見られるかどうかは明らかではありませんでした。東京大学大学院農学生命科学研究科/JST ERATO 東原化学感覚シグナルプロジェクトの東原和成教授 らの研究グループは、マウスの捕食者であるラットについて、雄の涙液中のタンパク質Cystatin-related protein 1(ratCRP1)がラットとマウス双方の鋤鼻神経系を活性化することを明らかにしました。同時にratCRP1は雌ラットに対して交尾行動に有利とされる一時停止行動を引き起こす一方、マウスに対しては鋤鼻受容体Vmn2r28を介した防御反応に関わる脳領域の活性化と、活動量の減少を引き起こすことが分かりました。
以上の結果より、雄ラット涙液に含まれるタンパク質ratCRP1は、異性の雌ラットに対して性行動を促進するシグナルとして作用するだけではなく、マウスには異種動物の存在を示すシグナルとして感知されることが分かりました。哺乳類において、同種の異性間のシグナルが、被食者にとっての天敵の存在を示すシグナルとして認識および利用されることを示した初めて例です。
発表内容
図 ratCRP1による同種内・異種間コミュニケーションの概略
雄ラットの涙液に分泌されるratCRP1は、雌ラットに対して性行動の促進につながる一時停止行動を上昇させる(同種内コミュニケーション)。一方、マウスにおいては鋤鼻受容体により認識されると、その情報は鋤鼻神経系の副嗅球、扁桃体、視床下部へと伝えられ、最終的に活動量、体温、心拍数の低下を引き起こす(異種間コミュニケーション)。すなわち、ratCRP1はラットにおいては「異性シグナル」として機能するが、マウスはそれを危険から身を守るために有効に活用していると推測される。本研究では雄ラットの涙液から嗅覚を介した同種内・異種間の行動変化につながる新しい鋤鼻活性化物質を発見し、末梢の受容体から脳神経回路、行動に至る一連の過程を明らかにした 。
多くの動物は嗅覚から得られる周囲の情報に応じた行動をとります。例えば、天敵となる動物を感知すると逃げ、同種の異性を感知すると近づこうとします。げっ歯類においては、主嗅覚系(注2)と鋤鼻神経系という独立した2つの嗅覚システムにより、匂いやフェロモンなどのシグナルを受容します。主嗅覚系は主に匂い分子を受容するのに対して、鋤鼻神経系では主にフェロモン、異種の動物に由来する天敵の存在を示す分子などを受容します。例えば、尿中にフェロモンや天敵情報となる分子が含まれ、鋤鼻神経系で受容されることは知られています。また近年、涙液中にも鋤鼻神経系で受容されるフェロモンの存在が明らかとなっています。しかし涙液が異種の動物にも作用するかどうかは分かっていませんでした。そこで本研究では、自然界で捕食者‐被食者の関係にあるラットとマウスに着目し、涙液により嗅覚を介した異種動物への行動変化につながるかどうかの解明を目指しました。
まず、ラット涙液中にマウスの鋤鼻器官により受容される物質が含まれるかどうかを調べました。ラット涙液をマウスに嗅がせたところ、マウスの鋤鼻器官の多くの神経細胞で活性化が見られたため、ラット涙液成分をマウスに嗅がせる際の神経細胞の活性化を指標に、活性化物質の精製・同定を行いました。まずラット涙液をHPLC(注3)により成分ごとに分画し、活性化成分をペプチドシーケンス(注4)により同定したところ、Cystatin-related protein 1(ratCRP1)という、機能の解明されていないタンパク質であることが明らかになりました。また、発現解析の結果、ratCRP1は涙液を分泌するラットの眼窩外涙腺に多く存在すること、特に4週齢以降の性成熟した雄で発現が見られ、その量は男性ホルモンであるテストステロンにより制御されることが明らかになりました。
ratCRP1は雄だけに発現することから、ラットでは性行動に重要な意味を持つシグナルであると予想しました。ratCRP1をラットに嗅がせたところ、雌ラットの鋤鼻器官の神経細胞のみを活性化すること、さらに雌ラットはratCRP1を塗布したコットンに興味を持ってかみつき、その後その場で立ち止まる行動が増えることが分かりました。ラットでは交尾につながる性行動の一部として一時停止行動が知られており、ratCRP1は交尾行動に有利に働くと推測されます。
一方、マウスにおいてはどのような働きを示すのでしょうか。まずratCRP1の刺激により活性化される脳領域を調べました。その結果、扁桃体や視床下部腹内側核といった防御反応に関わる領域の活性化が見られました。次に、ratCRP1の刺激を受けたマウスではどのような行動・生理的変化が見られるかを調べました。遠ざかったり固まって動かなくなったり(フリーズ)するなどの忌避行動やリスクのレベルを判断する行動は見られませんでしたが、ratCRP1を塗布したコットンへのかみつき行動の減少、活動量や体温、心拍数の低下が見られました。また、ratCRP1はマウスの鋤鼻器官に発現する鋤鼻受容体のうちVmn2r28により認識されることが明らかになりました。さらにCRISPR/Cas9システム(注5)を用いて受容体Vmn2r28の遺伝子を欠損させたところ、ratCRP1によるマウスでの防御反応に関わる脳領域の活性化や行動変化は消失しました。つまり、ratCRP1はマウスの鋤鼻受容体によって感知され、その結果ratCRP1のある場所にいかなくなるとともに、体温や心拍数の低下を伴う活動量の減少といった「身をすくめる」体勢に入ることが分かりました。
まとめると、雄ラットの涙液に分泌されるratCRP1は、異性の雌ラットに対して性行動へと導くシグナルであると同時に、異種のマウスに対して天敵の存在を示すシグナルとして作用することが分かりました。1つの分子が、同種間だけではなく異種間のコミュニケーションにも関わるという今回の知見は、それぞれの種の生存のために、天敵の動物で使われているシグナルを有利に活用しており、進化の過程に嗅覚シグナルを介した駆け引きが行われたことを示しています。今回の成果は、げっ歯類は嗅覚を介した化学感覚シグナルによってどのような行動制御を受けるか、その理解を深めるもので、今後、哺乳類の情動や行動を支配・制御する脳神経回路の解明に向けて、有用な基礎研究基盤となるものです。本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO)東原化学感覚シグナルプロジェクトの一環として行われました。
発表雑誌
- 雑誌名:Current Biology
- 論文タイトル:Identification of an intra- and inter-specific tear protein signal in rodents
- 著者:Mai Tsunoda, Kazunari Miyamichi, Ryo Eguchi, Yasuo Sakuma, Yoshihiro Yoshihara, Takefumi Kikusui, Masayoshi Kuwahara, and Kazushige Touhara* (*責任著者)
- DOI番号:10.1016/j.cub.2018.02.060
- 論文URL:https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.02.060
問い合わせ先
東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 生物化学研究室
教授 東原 和成 (とうはら かずしげ)
用語解説
- 注1 鋤鼻器官
- 鼻腔下部に存在する感覚器官であり、鋤鼻神経に発現する鋤鼻受容体が動物個体から分泌される物質を受容する。鋤鼻器官は性行動などの社会行動に関わるシグナルや異種動物など天敵の存在を示すシグナルを受容することが示唆されている。
- 注2 主嗅覚系
- 鋤鼻神経系は本能的な生殖行動や社会的行動の誘起に関わることが知られているが、主嗅覚系では鼻腔最深部の嗅上皮に分布する嗅神経細胞上の嗅覚受容体により、主に揮発性の匂い物質一般の受容に関わると考えられている。
- 注3 HPLC
- HPLC(High performance liquid chromatography)は、通過するカラム内での物質間の相互作用(吸着、分配、イオン交換、サイズ排除など)の差を利用することで、目的とする化合物を高速・高純度に分離して検出する分析方法。
- 注4 ペプチドシーケンス
- 精製したタンパク質・ペプチドのアミノ酸配列を、N末端側から1残基ずつ決定する分析方法。
- 注5 CRISPR/Cas9システム
- CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats / CRISPR associated proteins)は、DNA2本鎖を切断してゲノム配列の任意の領域に欠損、置換、あるいは挿入変異を導入することができる遺伝子改変技術。複数の標的遺伝子の改変が容易であることから、現在、ヒトやマウスといった哺乳類細胞ばかりではなく、細菌や魚など、様々な種類の細胞や生物種において利用されている。
