生殖を操るリズムを生み出す脳内メカニズムを解明 - 動物の繁殖性向上と人の不妊治療に向けた大きな第一歩 -

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ゆきさあいしま
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1 参考資料研究の背景哺乳類の生殖は視床下部脳下垂体性腺で構成される内分泌系で調節されています最上位にある視床下部で性腺刺激ホルモン放出ホルモン (GnRH) が産生され脳下垂体に作用して性腺刺激ホルモンの分泌を調節しています GnRH の分泌パターンはパルス状で数十分から数時間間隔の規則正しいリズムを持っています心臓の活動がペースメーカー細胞の支配下にあり休息や行動緊張の状況に応じてその拍動が調節されるように性腺の活動は生殖内分泌系のペースメーカーである GnRH パルス分泌機構によって制御されています繁殖季節や性成熟を迎えた動物ではパルス分泌の頻度が高まって性腺活動が活発となり逆に栄養状態が悪くなったり過度のストレスがかかったりするとパルス分泌の頻度は著しく低下し性腺の活動が抑制されますこのように生体内外の情報を統御し卵子や精子の発育を調節する最上位に位置する GnRH パルス分泌機構は重要な役割を担っていますがその実体が視床下部のどこに存在しパルス状の活動のリズムがどのようにして作り出されているのかは大きな謎のまま残されていました研究の経緯キスペプチンは 2001 年に発見された新たな神経ペプチドとして知られていますその後キスペプチンあるいはその受容体遺伝子の変異が生殖機能不全につながること多くの哺乳動物でキスペプチンが GnRH の分泌を強く促進することその産生細胞が視床下部に分布することなどキスペプチンが生殖に深く関わっていることを示す知見が次々と報告されました私たちの研究グループではまずキスペプチン神経細胞が GnRH パルス分泌を制御している本体ではないかという仮説を立て実験を行いましたその結果ヤギでキスペプチン神経細胞の活動を計測したところ分間隔の非常に規則正しい神経活動の上昇がありその一つ一つに対応して黄体形成ホルモン (LH) が血中にパルス状に分泌されていることが明らかとなりました ( 図 1 参考論文 1) この成果は当初の仮説が正しいことを強く支持するものであると同時に私たちがヤギで確立した脳内に留置した電極から神経活動を記録する手法がキスペプチン神経細胞の活動を解析する上で非常に有用なツールであることを示しています研究の内容意義 1. ヤギ脳内の視床下部にあるキスペプチン神経細胞は細胞同士が密集して存在し神経線維でネットワークを形成しているような形態をとり ( 図 2A) その多くに神経細胞を興奮させる作用を持つニューロキニン B(NKB) という物質と逆に興奮を抑制する作用を持つダイノルフィン (Dyn) という物質が含まれていること ( 図 2B) を明らかにしました 2. キスペプチン神経細胞の活動に及ぼす NKB 投与あるいは Dyn 投与の影響を解析し NKB は GnRH の放出を指令するキスペプチン神経細胞の活動を促進し逆に Dyn は抑制することを明らかにしました ( 図 2C) 特に NKB の促進作用はこれまでマウスラットでの実験結果から抑制作用を有すると推測されていたのとは逆のものであり私たちが確立した手法でのみ明らかにすることができた大きな発見 1

2 となりました 3. 一方共同研究者のマウスでの実験からキスペプチン神経細胞には NKB と Dyn のいずれの受容体も共存していることが明らかになっています ( 参考論文 2) 4. これらの一連の研究結果を総合して考えるとキスペプチン神経細胞の周期的な活動リズムはその神経細胞のネットワークの中でアクセルとしての NKB とブレーキとしての Dyn の拮抗した相互作用により生み出されその周期的な神経活動リズムは神経ペプチドであるキスペプチンや GnRH LH のパルス状分泌に変換され最終的に性腺の活動を制御しているものと考えられます ( 図 3) 5. 昨年ヒトにおいて NKB あるいはその受容体の遺伝子変異を持つ家系では重篤な性腺機能不全になることが発見され大きな関心を集めましたがその理由については全くわかっていませんでした ( 参考論文 3) しかし本研究での発見により ( 図 3) そのような症例では NKB 伝達系が働かないため性腺の活動を高めるリズムが作られていないことが原因であると考えられます今後の予定期待種の維持に不可欠な生命活動である生殖の調節を司る中枢機構は哺乳動物の間で広く保存されており今回ヤギで得られた知見は哺乳類に共通した生殖制御のメカニズムを示していると考えられます畜産の分野では様々なストレスによる繁殖効率の低下が大きな問題になっていますがこれまで抜本的な対策をとることはできませんでしたしかし今回明らかとなった生殖リズムを生み出す神経機構は生殖に影響を及ぼす生体内外の環境要因の変化の作用点と考えられますしたがって今後この神経機構に及ぼす各種環境要因の作用メカニズムを探求し生殖にとって負の要因となるストレスを取り除きさらに積極的にリズムを生み出す方策を明らかにすることによって家畜などの繁殖を向上させる技術開発が進められていくものと期待されますさらに生殖医療分野においてはこれまで原因のわからなかった不妊症や遺伝的生殖機能不全を科学的に解明しその治療方針や創薬のターゲットを決めるために重要な基礎知見の提供に大きく貢献することが期待されます発表論文 Wakabayashi Y, Nakada T, Murata K, Ohkura S, Mogi K, Navarro VM, Clifton DK, Mori Y, Tsukamura H, Maeda K-I, Steiner RA, Okamura H Neurokinin B and dynorphin A in kisspeptin neurons of the arcuate nucleus participate in generation of periodic oscillation of neural activity driving pulsatile GnRH secretion in the goat. J Neurosci, February 24, 2010, 30(8), 用語の解説補足説明視床下部 : 性欲や食欲などの本能行動や生殖や成長などに関わる内分泌機能など重要な生命活動を統御する脳の部位脳下垂体 : 性腺刺激ホルモンや成長ホルモンなど多くのホルモンを分泌する内分泌器官脳に接して脳の直下 ( 腹側 ) に存在し脳の一部が伸びてぶら下がっているように見えることからこの名があります性腺 : 雌の卵巣と雄の精巣を総称する用語生殖腺とも呼ばれますキスペプチン :52~54 個のアミノ酸からなるペプチド発見当初癌の転移を抑制する作用を持つことからメタスチンと命名されましたが Kiss1 遺伝子産物 2

3 であることまた強い性腺刺激ホルモン放出ホルモン分泌促進作用を持ち生殖との深い関わり合いが明らかとなったことで今ではキスペプチンと呼ばれることが一般的です性腺刺激ホルモン放出ホルモン (GnRH): 視床下部で産生される脳ホルモンの一つで正中隆起から下垂体門脈中に放出され脳下垂体に作用し性腺刺激ホルモンの産生分泌を制御します GnRH は Gonadotropin-Releasing Hormone の略語黄体形成ホルモン (LH): 脳下垂体で産生される性腺刺激ホルモンの一つ GnRH の作用により末梢循環に放出され性腺に作用して卵子や精子の発育に関与します LH は Luteinizing Hormone の略語神経ペプチド : 神経細胞内で産生され細胞間あるいは細胞内の情報伝達を担うペプチドの総称ニューロキニン B(NKB): サブスタンス P ニューロキニン A とともにタキキニン類に属する神経伝達物質の一つ一般的に神経細胞を興奮させる作用を持つとされ癲癇鬱不安などに関与することが示唆されていますが明確な生理機能はまだわかっていません昨年 NKB あるいはその受容体である NK3 の遺伝子変異を持つ家系では重篤な性腺機能不全になることが発見され ( 参考論文 3) 生殖に関与している可能性が示されていますダイノルフィン (Dyn): オピオイド ( 内在性のアヘン類縁物質 ) の一種である神経伝達物質中枢神経系に広く存在しカッパオピオイド受容体に結合して神経細胞の働きを抑制しますオキシトシンやバソプレシンなどの分泌調節への関与がよく知られています GnRH の分泌調節にも関与していることが報告されていますがその作用機構は不明でした参考論文 1. Ohkura S, Takase K, Matsuyama S, Mogi K, Ichimaru T, Wakabayashi Y, Uenoyama Y, Mori Y, Steiner RA, Tsukamura H, Maeda KI, Okamura H. Gonadotrophin-releasing hormone pulse generator activity in the hypothalamus of the goat. J Neuroendocrinol 2009; 21: Navarro VM, Gottsch ML, Chavkin C, Okamura H, Clifton DK, Steiner RA. Regulation of gonadotropin-releasing hormone secretion by kisspeptin/dynorphin/neurokinin B neurons in the arcuate nucleus of the mouse. J Neurosci 2009; 29: Topaloglu AK, Reimann F, Guclu M, Yalin AS, Kotan LD, Porter KM, Serin A, Mungan NO, Cook JR, Ozbek MN, Imamoglu S, Akalin NS, Yuksel B, O'Rahilly S, Semple RK. TAC3 and TACR3 mutations in familial hypogonadotropic hypogonadism reveal a key role for Neurokinin B in the central control of reproduction. Nat Genet 2009; 41:

4 図 1 キスペプチン神経細胞の活動と血中黄体形成ホルモン (LH) 濃度の対応右のグラフから周期的な神経活動の上昇に伴い血中 LH 濃度が脈動的に変動していることがわかります脳下垂体からの LH 分泌は視床下部ホルモンである性腺刺激ホルモン放出ホルモン (GnRH) により制御されているためキスペプチン神経細胞の活動の上昇は GnRH を下垂体門脈中に放出させる指令であると考えられます 4

図 2 キスペプチン神経細胞の形と機能 A キスペプチン神経細胞の組織像: 視床下部後部に分布するキスペプチン神経細胞は集団を形成し神経線維でお互いが連絡をとるネットワーク構造をとっています B 同一組織切片上でのキスペプチンニューロキニン B(NKB) ダイノルフィン (Dyn) の三重染色像 : 右端は 3 つの像を合成したものすべてのシグナルが同じ細胞上に重なっており

5 図 2 キスペプチン神経細胞の形と機能 A キスペプチン神経細胞の組織像: 視床下部後部に分布するキスペプチン神経細胞は集団を形成し神経線維でお互いが連絡をとるネットワーク構造をとっています B 同一組織切片上でのキスペプチンニューロキニン B(NKB) ダイノルフィン (Dyn) の三重染色像 : 右端は 3 つの像を合成したものすべてのシグナルが同じ細胞上に重なっておりキスペプチン神経細胞にはニューロキニン B とダイノルフィンが共存していることがわかります C キスペプチン神経細胞の活動に及ぼすニューロキニン B あるいはダイノルフィンの影響 : キスペプチン神経細胞では周期的な神経活動の上昇 (GnRH を放出させる指令 ) が起きています ( 図左 ) NKB を投与するとキスペプチン神経細胞の活動は強く刺激され短いインターバルで神経活動の上昇が誘起されます ( 図中 ) 一方 Dyn は神経活動を抑制し投与後しばらくの間は活動の上昇が見られません ( 図右 ) 5

キスペプチン神経細胞ネットワーク内では周期的な神経活動の上昇が形成されます周期的な神経活動の上昇はキスペプチンのパルス状分泌を引き起こし GnRH を介して脳下垂体からパルス状に LH が分泌されます相対的に NKB 系の力が強い時 ( 例えば繁殖季節や性成熟期

6 図 3 生殖のペースメーカーとしてのキスペプチン神経細胞の作用を示す模式図キスペプチン神経細胞では神経細胞の発火 ( 興奮 ) を促進する NKB 系と抑制する Dyn 系とのせめぎ合いがあり Dyn の力が弱まり NKB の力が優勢になると細胞は発火しますその情報は NKB によりネットワークを構成する細胞に伝わり協調した一斉発火が起きる一方発火が起きると Dyn も同時に放出され NKB の作用からやや遅れて自分自身あるいは周囲の細胞の発火を抑制するように作用しますこのようにしてキスペプチン神経細胞ネットワーク内では周期的な神経活動の上昇が形成されます周期的な神経活動の上昇はキスペプチンのパルス状分泌を引き起こし GnRH を介して脳下垂体からパルス状に LH が分泌されます相対的に NKB 系の力が強い時 ( 例えば繁殖季節や性成熟期 ) には神経活動上昇の頻度 ( リズム ) は速まり逆に Dyn 系の力が強い時 ( 例えば低栄養やストレス状態の時 ) にはリズムは遅くなりますこのようにキスペプチン神経細胞は生殖のペースメーカーとして働きそのネットワーク内で生み出される神経活動のリズムによって性腺の活動を調節していると考えられます 6

平成14年度研究報告

平成14年度研究報告平成 14 年度研究報告研究テーマ多嚢胞性卵巣発症に関する遺伝性素因の解析 - PCO の解析 - 北海道大学大学院医学研究科助手菅原照夫現所属 : 北海道大学大学院医学研究科医学部連携研究センターサマリー多嚢胞性卵巣 (PCO) は生殖可能年齢の婦人の 5 10% に発症する内分泌疾患である臨床症状は月経不順多毛肥満排卵障害が主な特徴であり難治性の不妊症の主な原因である