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神経伝達物質やホルモンの「開口分泌反応の制御メカニズム」分子スパイプローブ開発やバイオイメージング可視化解析技術を用いて分子・細胞・個体レベルで明らかにすることを目指しています。 また、匂いや味を感じるメカニズムを明らかにすることを目指しています。
 また、下記は、当研究室で取り組んでいる研究テーマの一例です。

1.開口分泌の制御メカニズムを探る

分泌細胞は、副腎や膵臓だけでなく、胃や小腸、腎臓など、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バイオイメージング技術を用いて、開口分泌を制御するメカニズムの解明を目指し、最終的には開口分泌の統合的な理解を目標としています(J. Endocrinol. 2015; Diabetes 2006; Mol. Biol. Cel, 2005; J. Biol. Chem 2004; Current Biology 2000, 2003)。
トップへ戻る

2.「第二の脳」である腸の不思議を探る

”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。また、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。また、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、糖尿病や肥満に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(図1)、生きた細胞に直接蛍光プローブ(分子スパイプローブ)を導入し、実際にホルモン分泌反応を全反射蛍光顕微鏡(図2)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、ホルモン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)(J. Biol. Chem. 2017; J. Endocrinol. 2015; Biochem. Biophys. Res. Commun. 2015; J. Biol. Chem. 2013; Diabetes 2006;)。

  図1. 蛍光タンパク質         図2.全反射顕微鏡           図3.インスリン分泌反応    
トップへ戻る

3.記憶・学習の不思議を探る

    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(Neurosci. Res. 2015; Neuron, 2014; Neuron 2013; Neuron 2011)。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。

 近年、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が分かってきました。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(J Cereb. Blood Flow Metab. 2001)。

 また、この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(Biochem. Biophys. Res. Commun. 2013; Neurotoxicology 2013)。
トップへ戻る

4.匂いや味を感じるメカニズムを探る

   図5.線虫(C. elegans)    図6.GFP発現感覚神経線虫株

線虫(Caenorhabditis elegans)は、体長約1mm程度の小さい虫ですが、嗅覚の優れた生物です。哺乳類とほぼ同様の分子メカニズムで匂いを感じます(図5、6)。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、様々な分子スパイプローブ(下記5.をご参照ください)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。
トップへ戻る

5.分子スパイプローブを開発し、疾患の原因を探る

       図7.輝度変化型cGMP計測用プローブcGull

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(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可視化解析を目指しています。

 これまでに、細胞内cAMP動態を可視化するための輝度変化型cAMP計測用プローブ緑色Flamindoと赤色Flamindo(Pink Flamindo)、 細胞内cGMP動態を計測するための輝度変化型cGMP計測用プローブcGull(図7)、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ました(ACS Sensors 2016; Scientific Reprots 2016; Biochem. J 2013)。現在も様々な分子スパイプローブの開発を進めています。

 このように、「これまで見ることのできなかった生命現象を見えるようにする」分子スパイプローブを用いて、生命活動を支える分子メカニズムの解明だけでなく、分子レベルでの疾患解明を目指しています。また、線虫を用いた革新的な薬剤スクリーニング法の開発や、疾患の新しい診断法の開発研究も行っています。
トップへ戻る