東京大学坪井貴司研究室

研究内容

神経細胞や内分泌細胞は、体外の様々な刺激を感受して、神経伝達物質やホルモンを開口分泌します。開口分泌された神経伝達物質やホルモンは、記憶学習、愛着や食欲といった高次精神活動に関与するだけでなく、体温、血圧、体液量や血糖など生体恒常性維持にも関与し、ヒトを含めた様々な生物の複雑な生命現象を操っています。

 開口分泌を制御するタンパク質に何らかの異常が起こると、精神疾患、摂食障害、糖尿病など、様々な疾患を引き起こします。また、開口分泌反応を人工的に制御する薬剤は、これら開口分泌不全によって起こる疾患の治療薬候補となりうるため、開口分泌反応の制御メカニズムに関する研究は、精神疾患、摂食障害、糖尿病、肥満症等の発症機構の解明、治療法の開発という点からも重要です。

 当研究室では、複雑な生命現象をあやつるホルモンや神経伝達物質の「開口分泌の制御機構」について「蛍光タンパク質センサースパイプローブ開発」「細胞から個体まで観察できる新しい顕微鏡を用いたバイオイメージング技術」を用いて分子・細胞・個体レベルで明らかにすることを目指しています。


 具体的には、開口分泌の異常によって起こる糖尿病や摂食障害などの代謝疾患や自閉症やうつ病、そして躁うつ病などの神経疾患の発症機構の解明にも取り組んでいます。研究対象は、神経細胞、グリア細胞、消化管内分泌細胞、iPS細胞、バイオイメージング、蛍光タンパク質センサーです。下記は、現在研究室で取り組んでいる研究テーマの一例です。

開口分泌反応の調節メカニズムを探る

     図1.インスリン分泌反応       図2.カテコールアミン分泌反応

ホルモンを分泌する細胞は、副腎や膵臓だけでなく、胃や小腸、腎臓や脂肪など、さまざまな臓器に存在しています。しかし、個々の臓器に存在する様々な分泌細胞が、どのようなメカニズムでホルモンを分泌するのかについては、明らかになっていません。そこで、開口分泌反応を直接可視化解析できる特殊な顕微鏡を用いて、開口分泌を制御するメカニズムの解明を目指しています。図1の動画は、グルコース投与によって膵β細胞からインスリンが開口分泌される様子です(図1)。
 当研究室では、これまでに、胃から分泌され食欲亢進を引き起こすグレリンや副腎髄質クロマフィン細胞から分泌されるカテコールアミン(図2)、さらに脳のグリア細胞、特にアストロサイトからのATPやペプチドホルモンの開口分泌反応を可視化することに成功し、それら臓器の開口分泌反応調節メカニズムの解明に貢献しています。

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「第二の脳」である腸の不思議を探る

    図3.GLP-1分泌反応

”Gut Instincts”や”Gut Feeling”という言葉を御存じでしょうか。本能的直感と訳されます。日本語にも、「腑に落ちる」や「腹を抱える」という言葉があります。このように私たちの感情や行動を表す言葉に「Gut」、つまり「腸(消化管)」が用いられます。 

 なぜ「腸(消化管)」を私たちの感情や行動を表すのに用いるのでしょうか?実は、脳の神経細胞ネットワークと同様のものが、実は私たちの腸(消化管)の中にも存在しています。つまり、腸(消化管)でも脳と同じ神経伝達物質やホルモンが放出されているのです。最近の研究から、腸(消化管)が食事や栄養吸収などの環境変化に応答して分泌する神経伝達物質やホルモンが、私たちの感情や行動を変化させることが明らかになってきました。さらに、腸内に存在する様々な細菌(腸内細菌)が作り出す物質、たとえば酢酸などによっても神経伝達物質やホルモンが放出され、私たちの代謝状態を変化させることもわかってきました。


 このように、消化管から分泌される神経伝達物質やホルモンが、記憶・学習、そして食欲などの高次精神活動だけでなく、血糖調節や代謝状態の制御、さらには免疫制御にも深く関与することも分かってきました。そのため、消化管からの神経伝達物質やホルモンの分泌機構に障害が起ると、糖尿病や肥満、さらにはアレルギー性疾患にもつながることも明らかになってきました。そのため、腸は「第二の脳」とも呼ばれます。つまり、昔の人々は、「腸(消化管)」の大切さを分かっていたのでしょう。


 残念ながら、現代人である私たちは、「腸(消化管)」がどのような刺激で神経伝達物質やホルモンを分泌するのかをまだ完全には理解できていません。そこで当研究室では、細胞膜を透過できる蛍光物質や蛍光タンパク質を用いて、生きた細胞に直接蛍光タンパク質センサープローブ(下記参照)を導入し、実際にホルモン分泌反応を全反射照明型蛍光顕微鏡と呼ばれる特殊顕微鏡と超高感度カメラを用いて可視化解析することで、どの様な物質によって消化管からのホルモンの分泌がどのように制御されているのか、解明すること試みています。図3の動画は、超高感度4Kカメラでとらえた、小腸内分泌L細胞から開口分泌される消化管ホルモン、グルカゴン様ペプチド-1(GLP-1)の分泌反応です。

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脳の不思議を探る

    図4.海馬神経細胞

生まれて間もない脳には、多数のシナプスがあります(図4)。その後、必要なシナプス結合のみが強化され、不要なシナプス結合は、除去されます。このような過程を経て、最終的な神経回路が完成します。この過程はシナプス刈り込みと呼ばれ、この機構に障害が起ると、自閉症や注意欠陥多動性障害などの神経疾患が発症すると考えられています。また、自閉症、双極性障害やうつ病との関連が示唆される遺伝子変異が近年多数報告されています。そこで、これら遺伝子変異によって、神経回路形成や機能にどのような影響が起こっているのか、遺伝子組換えマウスと動物個体の神経活動を観察できる生体顕微鏡を用いて解析を進めています。

 血管中で固まった血液(血栓)を溶かして分解する線溶因子が、神経細胞やグリア細胞から分泌され、神経回路形成に関与することも分かってきました。そこで、様々な線溶因子遺伝子欠損マウスを用いて、神経回路形成および記憶学習機能への線溶因子の機能解明を目指しています。

 神経回路形成や記憶学習にグリア細胞(特にアストロサイト)から開口分泌される様々な生理活性物質(グリオトランスミッター)がどのように関与しているのか、解明を目指しています。さらに、グリオトランスミッターの開口分泌を制御するメカニズムの解明も目指しています。

 図5.線虫(C. elegans)

線虫(Caenorhabditis elegans)は、体長約1mm程度の小さい虫ですが、視覚がないため嗅覚の優れた生物です。哺乳類とほぼ同様の分子機構でにおいを感じます(図5)。線虫は、哺乳類と異なり、神経細胞数が少ないために神経機能解析が行いやすく、嗅覚のモデル生物として広く用いられています。

 そこで、様々な蛍光タンパク質センサープローブ(下記ご参照ください)を作製し、線虫の嗅覚機能の解析に適用することで、ヒトの嗅覚を理解することを目指しています。例えば、ヒトでは、同じ物質であっても、低濃度では心地よい匂いに感じても、高濃度では不快な臭いに変化することがあります。この様な複雑な制御がどのような仕組みで行われているのか、解析に取り組んでいます。また、線虫の優れた嗅覚をヒトの様々な疾患のスクリーニングに応用できないか、その可能性についても解析をすすめています。


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蛍光プローブや新しい顕微鏡の開発を通じて疾患の原因を探る

図6.細胞内のcAMPおよびcGMP濃度の測定を可能にする
   PinkFlamindo(左)とGreen cGull(右)

神経細胞や内分泌細胞内では、分泌を制御する何万個もの分子が協力して機能しています。しかし、細胞内で特定の分子の機能を解析するためには、観察したい分子だけを光らせなければなりません。

 そこで、開口分泌や細胞内シグナル伝達過程、また細胞の形態変化などを生きた細胞において可視化するために、蛍光タンパク質を基本とした機能性分子(蛍光タンパク質センサープローブまたは分子スパイプローブと呼ばれます)を新規に開発し、細胞レベルだけでなく個体レベルでの生命現象の解明を目指しています。
 
 細胞内cAMP動態を可視化するための輝度変化型緑色cAMP計測用プローブ”Flamindo”とその蛍光色を緑色から赤色に改変したPink Flamindo、さらに 細胞内cGMP動態を計測するための輝度変化型緑色cGMP計測用プローブ Green cGull(図6)そして、細胞内の張力を計測するためのプローブの開発に成功しています。現在も様々な蛍光タンパク質センサープローブの開発を進めています。 これらの蛍光タンパク質センサープローブをiPS細胞、特に心筋細胞に導入し、心疾患の原因を探る研究も並行して進めています。

  図7.メダカの血流動態


 一方、細胞レベルだけでなく、個体レベルでの生命現象を可視化解析するための生体イメージング顕微鏡の開発も行っています。図7は、生きたメダカの心臓の中を流れる赤血球の動態を生体イメージング顕微鏡で観察した一例です。

 以上のように、「これまで捉えることのできなかった生命現象を目で視えるにする」分子スパイプローブと生体イメージング顕微観察技術を用いて、生命現象を支える分子機構の解明だけでなく、分子・細胞、そして個体レベルでの疾患解明を目指しています。  


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