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東邦大学理学部 生物学科 生体調節学研究室

〒274-8510 千葉県船橋市三山2-2-1 習志野学事部入試広報課 TEL 047-472-0666

研究紹介

 

研究の概要

 当研究室では,両生類を中心に魚類や鳥類,ほ乳類までの脊椎動物,ならびにホヤなど原索動物も対象に,広い動物種について,その細胞や組織,あるいは個体の状態を維持・制御したり,防御したりする機構の解明や,器官の起源・再生機構の探求,生殖行動など個体間の相互作用の解析など,「生体調節」に関わる研究を行っています。研究手法も,分子生物学・生化学・生理学・組織学的手法など,いろいろなものを駆使して,多角的な解明を強く意識しています。当研究室では,二人の教員とたくさんの学生達が,それぞれ相互に協力しつつ,近年は以下のようなテーマで研究を展開しています。
1.両生類の変態に関わる諸現象の内分泌学的な解析
2.脊椎動物の多機能型生体防御ペプチドの解析
3.核外ヒストンの機能と疾患に関する研究
4.両生類の生殖活動のホルモン制御機構の解析
5.脳神経新生機構の解析
6.視床下部−下垂体ホルモンの起源の探索

各テーマはそれぞれさらに細かい内容から構成されていますが,いずれも独立しているわけではなく,多くの部分を共有しています。

1.両生類の変態に関わる諸現象の内分泌学的な解析

 オタマジャクシはカエルの子で,ナマズの孫ではありません。それが何より証拠には,やがて後肢が出て,前肢が出て来ます。丸かった顔つきも尖って来るし,全身の皮膚も厚くなれば,尻尾がなくなってしまいます。呼吸の方法もすっかり変わって,陸にもあがれるようにもなります。このように,両生類は子供(幼生)のときと大人(成体)のときで,まったく別の生き物のように体の形や構造,そして中味の機能が大きく変わります。この現象を「変態」(metamorphosis)といいます。変態は両生類に限ったことではなく,昆虫でも一般的にみられます。
  両生類の変態は,甲状腺ホルモン(サイロキシン;T,トリヨードサイロニン;T3)という分子量800に満たない小さな分子が支配しています。例えば,オタマジャクシの飼育水に甲状腺ホルモンを加えると,本来ならばまだ変態するには幼いオタマジャクシであっても,変態をはじめます。また,オタマジャクシの尻尾だけを切り取って,甲状腺ホルモンを含んだ培養液に浸しておくと,尻尾はどんどん縮んでいきます。
 

①甲状腺ホルモン受容体(TR)に関する研究

 この不思議のメカニズムは,甲状腺ホルモンの受容体にあります。甲状腺ホルモン(TH)やステロイドホルモン,レチノイン酸,ビタミンDなどをリガンドとする受容体は細胞の核内に存在しています(核内受容体といいます)。いずれも似たような構造をとることから,これらの受容体はステロイドホルモン/甲状腺ホルモン受容体スーパーファミリーと呼ばれています。いずれもリガンド依存的に標的遺伝子上の標的配列に結合し,基本転写因子群をリクルートすることで,遺伝子の転写を促進します。両生類の変態の調節機構は,TH受容体(TR)の作用に依存しており,TRが変態に関わる種々の遺伝子のスイッチを入れていきます。面白いことに,TRは自分自身の遺伝子も標的にしていて,自分で自分の遺伝子の発現を促進させるautoinduction機構を有しています。変態期のオタマジャクシでは血液中の甲状腺ホルモン量が激増し,これがTR,とくにTRβに結合することでさらにTRβ mRNAやTRβタンパク質の量を増加させることで,一気に変態を進行・完了させます。このとき,副腎皮質ホルモンや下垂体ホルモンであるプロラクチン(PRL)がその速度をTRβ遺伝子の転写レベルで調節しています。さらに副腎皮質ホルモンが細胞内でTRとヘテロダイマーを形成するレチノイドXのγ受容体(RXRγ),α受容体(RXRα)の遺伝子発現に直接作用していることも明らかにしました。
リガンド依存的な甲状腺ホルモン受容体による転写制御のメカニズム
 

②化学物質ビスフェノールA (BPA)のもつ変態撹乱作用の研究

 上記の研究を核内受容体の研究を内分泌撹乱物質との関連に発展させました。プラスチックの可塑剤でありエストロゲン様作用が知られているビスフェノールA (BPA)が両生類の初期発生時に高い致死性を示す上に,頭部形成異常や眼球間距離の短化,脊椎の彎曲,腸の卑小化などの奇形を引き起こします。また変態においてはTRβの発現を抑制し変態を阻害すること,成体においては精巣における発現を抑制すること,さらには,BPAはレチノイドX受容体の遺伝子発現にも影響を与えることもわかりました。研究結果を示す写真が,論文の掲載された雑誌の表紙を飾りました。
  BPAはそもそも弱いエストロゲン様用作用をもつことは知られていましたが,私たちはメダカの尻びれ中のエストロゲン受容体遺伝子の発現量の変動をモニターすることで,それまで報告されていた作用濃度よりもはるかに低い濃度での検出を可能としました。この研究はそもそも県立千葉高校の生徒さんへの課題研究のアイデアとして提示したものから出発しましたが,同高校の生徒さんが1年生次と2年生次の夏休みや春休みに熱心に研究室に通ってくれたことが大きく貢献しています。小さな雑誌での掲載でしたが,思いのほか多くの論文で引用されています。
 最近はあまり内分泌撹乱物質に関する研究を行なっていませんが,その理由は,内分泌撹乱作用はそれ自体が自然現象ではないことと,世の中には何百万種類もの化学物質が存在するからです。これら物質を1つ1つ試していたらキリがないし,また物質が単独で存在するものでもありません。しかし,視点を変え,薬剤として使う,とドライに考えれば,むしろ発展性がたくさん見えて来ます。成果の第一報を出すまでにとてもたくさんの学生達が実験を引き継いで仕上げてくれた経緯もあり,再開のときは近いのでは,と思っています。

③両生類変態時におけるプロラクチンの視床下部-下垂体-甲状腺系への影響

  両生類変態は甲状腺ホルモンによって引き起こされます。プロラクチンは変態に抑制的に働くと言われながら、その具体的なメカニズムは明らかになっていない部分が多く存在します。プロラクチンは変態最盛期後期に血中レベルが劇的に上昇することから、この時期にプロラクチンは重要な作用を持っていると考えられていますが、その生理的意義については未だに不明です。そこで、特に変態期幼生の視床下部—下垂体—甲状腺系に、プロラクチンがどのような作用を有しているかを明らかにすることを目標としています。研究対象の動物としてウシガエルを使用しています。理由は下垂体ホルモンの分泌制御機構に関する知見の蓄積が他の両生類と比較し、十分にあることが挙げられます。

2.脊椎動物の多機能型生体防御ペプチドの解析

 細菌からヒトまで,広い生物種において,微生物に対抗するために,抗菌ペプチドによる一次防御機構が存在します。抗菌ペプチドは抗生物質と違って,作用する微生物種をあまり問わず,主にその電荷と二次構造を以て作用するため,医療薬学方面から非常に注目を浴びています。抗菌ペプチドは,おもに細菌の膜をターゲットとし,孔をあけたり膜成分,特に細菌毒素と結合して中和したり,さらには細胞膜と通り抜けて細菌の核酸と結合したりと,いろいろな技をもって,抗菌作用を示します。
 両生類の皮膚では抗菌ペプチドによる防御機構が発達しており,多様な抗菌性を有する多様なペプチドが含まれています。そこで当研究室では,両生類の抗菌ペプチド遺伝子のcDNAクローニングを効率的に行なう方法を開発し,日本産アカガエルを対象に,精力的な解析をしています。近年は皮膚以外の器官にも着目し,抗菌ペプチド遺伝子の発現を検出しています。また,抗菌ペプチドには,文字通りの抗菌作用以外に,マスト細胞の刺激作用や抗腫瘍細胞作用,さらには抗酸化作用やレクチン様作用など,広範囲の生理活性が存在することが,私たちも含めた多くの研究室で発表されており,もはや抗菌ペプチドというよりも微生物からの感染防御や感染後の免疫機構の活性化等の機能を有する「多機能型生体防御ペプチド」(multifunctional host defense peptides)という名称が定着しつつあります。現在,四肢動物の眼窩にあるハーダー腺という分泌腺や,脳における抗菌ペプチドの発現にも着目して,研究を展開しています。

 さらに,近年は鳥類の生体防御ペプチドにも踏み込みました。埼玉大学理学部との共同研究ですが,こちらも日々新しいことがわかって来ており,急速にデータが増えています。

抗菌性ヒストンの研究

   アカガエル属に加え、アオガエル属であるシュレーゲルアオガエル皮膚からも抗菌ペプチドの単離を試みました。その結果得られたのは、クロマチン形成に必須のヒストンH2Bでした。ただ、量的にはそう多くのヒストンH2Bを得られなかったので、遺伝子クローニングを行い、マルトース結合タンパク質との融合タンパク質を作って、抗菌活性のメカニズムの解析を行うことにしました。そして、その後の研究により、シュレーゲルアオガエル皮膚分泌腺からヒストンH2Bが体外に分泌されること、分泌されたヒストンH2Bは大腸菌外膜に存在するOmpTというプロテアーゼにより断片化されてしまうこと、しかしその結果、大腸菌細胞膜を透過する能力を獲得し、菌体内に侵入しておそらく細菌のDNAと結合して増殖抑制を起こす、という仮説を提唱しています。これまで非常にたくさんのカエル種の皮膚から抗菌ペプチドが単離されていますが、ヒストンH2Bを抗菌物質として単離されたカエル種は、今のところまだシュレーゲルアオガエルのみです。なお、ニホンアカガエルの皮膚からは抗菌ペプチドは取れて来ませんでしたが、細胞溶解性因子としてヒストンH4(ただし何らかの修飾を受けている)を単離し、その遺伝子クローニングを行なった結果、非常にユニークな3'-UTR配列を持つことも明らかにしました。
研究説明画像
ヒストンH2Bの抗菌メカニズムについての模式図

その後,市販されているウシ胸腺由来ヒストンH2Bを入手することができ,組換え体タンパク質のときと同じメカニズムでヒストンH2Bが大腸菌に対して抗菌作用を示すことを明らかにしました。また,同じく市販品のウシ胸腺由来ヒストンH3とH4について,抗大腸菌作用を有することを明らかにしました。このとき,この2種類のヒストンは,ヒストンH2Bと異なり,通常の抗菌ペプチドと同様に細菌の細胞膜を破壊することで抗菌作用を示すことがわかりました。 

今後の研究の方向性

  ここ数年,両生類の抗菌ペプチドの単離とその遺伝子クローニングに精力を注ぎ,それなりの成果が挙がっています。特に,日本国内の固有種である8種のアカガエルすべてとオキタゴガエルから抗菌ペプチドを単離しており,さらに最近は抗菌ペプチド様配列をもつ遺伝子を効率的にクローニングする手法を開拓したことから,新規の抗菌物質の発見に到る機会も増えて来ています。これらペプチドは,医薬品としての応用性が潜在しており,商品開発等に発展させることも可能であり,また特許の出願などもできると考えています。当研究室が直接それに関わる意志はありませんが,私達の得た成果を下敷きにするような研究が出てくれると楽しいと思っています。

   これまでの単離・精製等に偏重していた両生類抗菌ペプチドの研究も徐々にその軌道を変え,活性のメカニズムや非抗菌活性の検出などにシフトして来ています。当研究室も抗菌ペプチドの合成や分泌,遺伝子発現調節などの機構の解明や,その内分泌系の関与の解明などに研究の方向性をシフトさせつつあります。また,研究部位をカエルの皮膚以外にも拡大しており,特に脳における抗菌ペプチドの遺伝子発現を検出したことから,中枢神経系における抗菌ペプチドの役割,例えば神経伝達物質としての機能の有無などを解明するほか,両生類以外の動物における抗菌ペプチドの役割についても解析していこうと考えています。特に近年,抗菌ペプチドを中心とした生体防御機構に対する内分泌系の関与が報告されるようになって来ていることから,「免疫内分泌学」の分野を開拓し,新たな知見の獲得を目指しています。

4.両生類の生殖活動のホルモン制御機構の解析

①アカハライモリ脳内におけるホルモンの作用機序

 アカハライモリ雄が繁殖期に雌に対して求愛行動を示します。この行動はいくつかのホルモンが中枢神経系に作用し、誘起されることが分かっています。現在までに、プロラクチン、アルギニンバソトシン、雄性ホルモン、ドーパミンなどの関与が実験的に検証されています。ただ、これらがイモリ脳内でどのように作用し、行動発現に結びつくか、そのメカニズムについてはまだ詳細は明らかになっていません。そのメカニズム解明を一つの目標としています。また、求愛行動発現には性成熟した雌の存在が必要です。雌からの何らかの情報(おそらくフェロモンであると推測される)が求愛行動発現に不可欠と考えられるので、それら情報処理と内分泌系との関わりを明らかにすることが第二の目標です。また、繁殖期になぜイモリは性成熟するのか、上記ホルモンレベルや受容体の発現の季節変動を追い、重要な環境要因を探り出し、生体内の制御機構を明らかにすることを第三の目標としています。 

②両生類ペプチドフェロモン遺伝子構造とホルモンによる転写制御メカニズムの解析

 アカハライモリが求愛行動時に総排出口から放出するソデフリンは肛門部腹腺で合成されます。前駆体タンパク質がまず作られ,10残基からなるペプチドが切り出され、その分子がフェロモンとして機能します。私たちはその遺伝子の転写調節機構の解明を目指して研究を進めています。

5.脳神経新生機構の解析

 近年、哺乳類成体でも中枢神経系での神経新生は常時行われていることは常識となっています。齧歯目マウスでは海馬での神経新生がよく知られていますが、側脳室周囲でも細胞分裂が生じ、この部位で分裂した細胞は嗅球に移動し、介在ニューロンに分化することが知られています。妊娠期の雌では特にこの一連の過程が活発化することが明らかになっており、その現象に下垂体ホルモンのプロラクチンが関与していることが示唆されています。増加した介在ニューロンは嗅覚の変化などに寄与しているのではないかと推測されています。繁殖期にはアカハライモリは雌雄間で、フェロモン・嗅覚情報(場合によっては視覚情報)のやり取りが活発化すると考えられます。この情報処理を円滑にするその過程に神経新生が関与しているかどうかについて解析をはじめています。イモリではプロラクチンをはじめとした種々のホルモンが生殖活動に密接に関わっており、イモリ脳内の神経新生にこれらホルモンが関与するかどうかについても明らかにしたいと考えています。 

6.視床下部−下垂体ホルモンの起源の探索

  視床下部-下垂体系ホルモンがどのように進化してきたか、特にその起源については現在のところ明確な解答はまだ出ていません。本研究は尾索動物の一種であるマボヤに着目しています(図)。尾索動物は、脊椎動物の視床下部-下垂体系ホルモンの起源のヒントとなるシステムを保持している可能性が高いと考えられています。既にマボヤから脊椎動物の既知の視床下部ホルモン(生殖腺刺激ホルモン放出ホルモン)と類似した配列をコードした遺伝子を発見しており、脊椎動物GnRH分子の進化について論文誌上で考察をしています。さらにその他のホルモン分子やそれら受容体分子にも着目をして研究を進めています。
本研究は、本学訪問研究員である寺門潔先生(前埼玉大学教授)との共同研究です。