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1 最近のノーベル賞に学ぶ, 21 世紀の神経科学 大学院理学系研究科生物科学専攻生体情報学研究室 岡 良隆

2 2004 年ノーベル医学生理学賞 米の 2 氏に嗅覚に関する研究 リチャード アクセル氏 ニューヨーク生まれ 58 歳 70 年ジョンズ ホプキンス大で医学博士号を取得 78 年コロンビア大教授に就任 84 年からハワード ヒューズ医学研究所研究員 83 年から全米科学アカデミー会員 リンダ バック氏 米シアトル生まれ 57 歳 80 年テキサス大で博士号取得 84~ 91 年ハワード ヒューズ医学研究所研究員 ハーバード大医学部教授を経て 02 年からフレッド ハッチンソンがん研究センター研究員 03 年から全米科学アカデミー会員 スウェーデンのカロリンスカ医科大学は 4 日 今年のノーベル医学生理学賞を 米コロンビア大のリチャード アクセル教授 (58) と 米フレッド ハッチンソンがん研究センターのリンダ バック博士 (57) に贈ると発表した においのセンサーである受容体の遺伝子を突き止め 動物の嗅覚 ( きゅうかく ) システムを解明したことが評価された 賞金は 1000 万クローナ ( 約 1 億 5000 万円 ) で 両氏で折半する 授賞式は 12 月 10 日 ストックホルムで開かれる 花や料理のにおいは においの分子が鼻の細胞の表面にある受容体に結びつき 神経を通して信号が脳に伝えられる 両氏は様々なにおいの分子に応じた受容体をつくるために 多数の受容体遺伝子が存在していることを突き止め 91 年に共同で論文を発表 嗅覚研究が大きく進展する基礎を築いた 両氏はまた 受容体から嗅覚の刺激が伝わる仕組みも 分子レベルから細胞間の関係まで詳しく解明した これらの研究は 動物の行動に影響する化学物質フェロモンや 味覚の研究などにも結びついている

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7 脳 (Brain) の構成要素 神経細胞 ( ニューロン ) 神経膠細胞 ( グリア ) 他のニューロンから来た軸索 シナプス終末 ( 終末ボタン ) 樹状突起の枝 樹状突起 細胞体 血管 神経伝達物質を含むシナプス小胞 細胞体 核 神経細胞 ( ニューロン ) の構造 ゴルジ装置 ミトコンドリア 粗面小胞体 軸索 リボソーム 他のニューロンから来た軸索 有髄繊維 ミエリン鞘 ( オリゴデンドログリア ) ランヴィエ絞輪

8 神経細胞の電気信号 電極刺入 活動電位 Threshold: 閾値 Resting potential: 静止膜電位 イオンポンプ イオンチャネル イオンポンプとイオンチャネル イオンポンプ 濃度勾配に逆らってイオンを能動輸送する 新たなイオン濃度勾配を作る イオンチャネル 濃度勾配にしたがってイオンを拡散させる 特定のイオンに対して選択的透過性を示す

9 パッチクランプ法 Neher & Sakmann, 1991 年ノーベル医学生理学賞 強く吸引する 電極を引き戻す 細胞質がピペット内とつながる 電極を引き戻す 軽く吸引する 小胞ができる ピペットと膜の間に強力なシールができる 膜の切れ端が癒合する 空気中にさらす 細胞膜の外側が外を向く 細胞膜の内側が外を向く

10 膜電位依存性 Na + チャネルと K + チャネルの機能的状態変化 Hodgkin & Huxley, 1963 年ノーベル医学生理学賞 脱分極 膜電位 過分極 外側 内側 閉開不活性化閉 脱分極 膜電位 過分極 外側 内側 閉開閉

11 培養神経細胞からのパッチクランプ記録

12 脳スライスを使うと GnRH 細胞を簡単に見分けることができる Telencephalon IR-DIC image of TN-GnRH neurons Olfactory Bulb 50μm TN-GnRH neurons electrode

13 ガラス電極作成器 ( プラー ) デシケーター フィラメントボックス パラメータ表示部 プッシュボタン プログラムキー

14 パッチクランプ実験セット A/D D/A コンバータ プリンタ 近赤外線ビデオカメラ 電気刺激装置 ビデオモニタ オシロスコープ サウンドモニタ マニピュレータ マニピュレータ 正立顕微鏡 パッチクランプアンプ コンピュータ 酸素 二酸化炭素混合ガス 除振台

15 2000 年ノーベル医学生理学賞 Arvid Carlsson Eric Kandel Paul Greengard

16 Kandel の業績 アメフラシ アメフラシ サイフォン 外套膜 感覚ニューロン ( シナプス前要素 ) 伝達物質放出の促進 えら 神経修飾ニューロン ( セロトニンを含む ) セロトニン受容体 ジアシルグリセロール アデニル酸シクラーゼ カルモジュリン camp camp 蛋白質キナーゼ カルシウムチャネル カリウムチャネル カルシウムチャネル 神経伝達物質を含むシナプス小胞 シナプスアクティブゾーン カルシウム 蛋白質キナーゼ C 運動ニューロン ( シナプス後要素 )

17 学習と記憶アメフラシのえら引き込め反射

18 2003 年ノーベル化学賞に米国の 2 氏 ロドリック マキノン氏米国生まれ 米タフツ大医学部で医学博士号取得 米ロックフェラー大ハワードヒューズ医学研究所の教授 47 歳 ピーター アグレ氏米国生まれ 米ジョンズ ホプキンス大医学部で医学博士号取得 同大教授 54 歳 イオンチャネル 水チャネル スウェーデンの王立科学アカデミーは 8 日 03 年のノーベル化学賞を 米ジョンズ ホプキンス大のピーター アグレ教授と 米ロックフェラー大学のロドリック マキノン教授に贈ると発表した 業績は 生体細胞膜に存在する物質の通り道の研究 授賞式は 12 月 10 日にストックホルムで開かれる 賞金は総額 1000 万クローナ ( 約 1 億 4000 万円 ) を受賞者で等分 自然科学系分野のノーベル賞は 昨年まで 3 年連続で日本人が受賞したが 今年は選ばれなかった 生き物の体は水に満たされた多くの細胞からできている 水やさまざまの物質が細胞膜のどこを どのように通って細胞に出入りするかは 長い間の関心事だった アグレ教授は 88 年 細胞膜に新しい膜たんぱく質を見つけた さらに この膜たんぱく質が水だけを通す穴 ( チャンネル ) であることを突き止め アクアポリン と名付けた 人も全身に存在しているこの穴によって 飲んだ水を吸収したり尿を作ったりできる また 水とともに細胞を出入りする分子やイオンも 神経や筋肉などの組織で細胞間の情報伝達にかかわっている マキノン教授は 98 年 カリウムイオンが通るチャンネルの姿を原子レベルで解明することに成功 細胞膜チャンネルの構造や働きの研究に新しい道を開いた 水やイオンのチャンネルに起こる異常は 腎臓や心臓など多くの組織で病気の原因となる 2 人の研究成果は 病気の理解や治療薬の開発に役立っている 昨年 化学賞を受けた島津製作所フェローの田中耕一さんは ( 昨年まで )3 年連続の日本人受賞は単なる巡り合わせ 昨年以来 私よりけた違いに頑張っておられたり 成果を出しておられたりする方にたくさんお会いした 自信をもって進んでいってほしい と 出張先のカナダからコメントを寄せた 01 年に同賞を受賞した野依良治 理化学研究所理事長は 今回の化学賞授賞テーマは 従来の古典的な化学分野とは異なり 生物に近い ( 医学生理学賞も含め ) 今年の受賞者を見ると 学問に垣根はない ということを象徴している と話した (10/09 00:37)

19 アクアポリン ( 水チャネル ) とイオンチャネル Fig 1. The dividing wall between the cell and the outside world including other cells is far from being an impervious shell. On the contrary, it is perforated by various channels. Many of these are specially adapted to one specific ion or molecule and do not permit any other type to pass. Here to the left we see a water channel and to the right an ion channel. Fig 2. Peter Agre s experiment with cells containing or lacking aquaporin. The aquaporin is necessary for making the cell absorb water and swell.

20 アクアポリンとイオンチャネル

21 K チャネルの三次元構造 The Structure of the Potassium Channel: Molecular Basis of K + Conduction and Selectivity Declan A. Doyle, Joa o Morais Cabral, Richard A. Pfuetzner, Anling Kuo, Jacqueline M. Gulbis, Steven L. Cohen, Brian T. Chait, Roderick MacKinnon* SCIENCE VOL APRIL 1998 Ion conduction pore is conserved among potassium channels Zhe Lu, Angela M. Klem & Yajamana Ramu NATURE VOL OCTOBER 2001 Bacterial K channel KcsA

22 Na チャネルの三次元構造 The voltage-sensitive sodium channel is a bell-shaped molecule with several cavities Chikara Sato*, Yutaka Ueno*, Kiyoshi Asai*, Katsutoshi Takahashi², Masahiko Sato³, Andreas Engelß & Yoshinori Fujiyoshi Nature 409: (2001)

23 膜電位依存性カリウムチャネルの X 線構造解析による三次元像

24 膜電位依存性カリウムチャネルの閉 ( 左 ) 開 ( 右 ) 状態における膜電位センサーの位置

25 大学院理学系研究科生物科学専攻 生体情報学研究室 岡 良隆 環境変化への適応過程における情報伝達機構のはたらき イオンチャネル, レセプター ペプチドニューロン 魚類糸球体核 卵 精子

26 Dwarf gourami, Colisa lalia

27 終神経 -GnRH ニューロンの免疫組織化学 100μm

28 脊椎動物には複数の GnRH 神経系がある Terminal Nerve GnRH System (sgnrh) OB Tel Cb TeO Midbrain GnRH System (cgnrh-ii) Med TN lesion Hypophysiotrophic Preoptic GnRH System (sbgnrh) ON Pit

29 TN-GnRH ニューロンからの細胞内記録 Pacemaker activity A B C

30 単一 TN-GnRH ニューロンの細胞内染色像 100μm

31 単一 TN-GnRH ニューロンの細胞内染色像 ; 連続切片から単一ニューロンの全体像を再構成 TN

32 sgnrh を加えると二相性にペースメーカー活動頻度が変化する A Voltage (mv) B a +20 nm sgnrh a b c d Ringer C +20 nm sgnrh 6 b +20 nm sgnrh Frequency 4 2 c +20 nm sgnrh Time (min.) d Voltage (mv) washout Time (s) Effects of sgnrh '98 11/11 No.4

33 sgnrhによる2 相性のペースメーカー頻度変化はピペット中の GDP-β-S で阻害される b A +20 nm sgnrh Voltage (mv) B a Ringer a b c d C nm sgnrh Time (min.) -25 b nm sgnrh 50 Frequency c d Voltage (mv) nm sgnrh washout Time(min.) Effects of sgnrh Gタンパク質共役型 GnRH- 受容体が修飾に関与してい (Pipette sol. contains 1mM GDP- -S.) る 8 '98 12/8 No.4a

34 GnRH- 受容体の In situ hybridization Olfactory bulb TN-GnRH neurons (Oka et al, unpublished data)

35 TN-GnRH neurons Light micrographs of 1μm semithin sections 50μm TN-GnRH neurons Electron micrograph GnRH ニューロンはグリア細胞を介さずに密着した細胞塊を作っている 1μm

36 TN-GnRH neuron ペプチドニューロンの神経生物学 Target Neurons ENVIRONMENTAL/PHYSIOLOGICAL CONDITIONS GnRH GnRH-R Ca 2+ ICa(N) SOC(?) Na + Na + INa(fast) INa(slow) G Target Neurons Olfactory Hormones Somatosensory Visual GluR/mGluR? Ca 2+ GnRH K + IK(Ca) apamin-sensitive IK(V) K + Target Neurons K + IK(M) Excitability ICa(N, P/Q) Ca 2+ Transmitter Release

37 神経核の情報処理機構とその修飾 A CH CG IL TO B CH GL FL SCL PC C * * * * ** ** 1mm 1mm 50μm * RE RE ON ON PS PS IM TO CR CH SC G CG TD LC LI TO IM CR CH L R CR cells CR cell activity time Postsynaptic response time 膜電位感受性色素を用いた神経核電気活動の可視化

38 卵 精子のイオンチャネル レセプターと情報伝達 Phase II 受精時の細胞内 Ca 2+ 濃度変化 Phase I Membrane potential (mv) 受精電位 Sperm Phase III Time (s)

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