幹細胞の挙動を制御する神経内分泌システムの包括的理解

• Project/Area Number: 22H00414
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 丹羽 隆介 筑波大学, 生存ダイナミクス研究センター, 教授 (60507945)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加香 孝一郎 筑波大学, 生命環境系, 講師 (60311594)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2025: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2024: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2022: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
• Keywords: 生殖幹細胞 / 神経内分泌 / ニッチシグナル / ショウジョウバエ / ペプチドホルモン

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、キイロショウジョウバエの生殖幹細胞をモデル系として、動物生理学と幹細胞生物学を横断した学際的視点に立ち、幹細胞の自己複製と分化に影響を与える神経内分泌システムを解明することである。すでに研究代表者が予備的に見出しているホルモン・神経伝達物質やその受容体の候補の多くは、脊椎動物にも保存されている。よって本研究において解明される神経内分泌システムの知見は、動物種を超えた幹細胞研究に波及効果をもたらしうる。

Outline of Annual Research Achievements

ペプチドホルモンDH44が交尾後fGSC増殖に必須の役割を果たすことを示した。すなわち、新規精液成分venerose依存的な交尾後fGSC増殖において、DH44が必須であることを見出した。また、DH44は脳内のDH44受容体発現神経細胞に受容され、この下流の神経経路がfGSC増殖を含む交尾後の生殖の活性化に必要であった。一連の研究成果は、韓国・光州科学技術院のグループとの共同研究であり、プレプリントを公開済みである（DOI:10.21203/rs.3.rs-3921901/v1）。また我々は、DH44はニッチ細胞に発現するDH44受容体を介してもfGSC増殖に関与する可能性を提示した。
一方、ペプチドホルモンAstCの研究では、fGSCニッチ細胞で発現するAstC受容体AstC-R2が、fGSCニッチシグナリングを抑制し、羽化直後のfGSC数の抑制に寄与することを発見した。また、神経由来AstCがfGSCニッチに受容されることがfGSC数抑制に必要であることを示した。さらに、fGSCニッチ特異的AstC-R2ノックダウン個体では、成熟卵数が上昇する一方で、貯蓄脂肪量と飢餓耐性が低下した。これらの結果は、AstCがfGSC数抑制を介して卵産生を抑制し、生殖と生存のトレードオフに影響を与えることを示唆する。
一方、ショウジョウバエ体液中でのホルモン変動を捉えるにあたり、米国・ブラウン大学のグループとの共同研究で、標的ビオチン化技法（BirA-ER法）を用いてビオチン化内在性ホルモンを検出する修正ELISA法を導入した。その結果、従来から注目してきたペプチドホルモンNPFの体液中の存在を捉えた。これを受けて、交尾の刺激や栄養の刺激に伴う体液量の検討を開始したが、有意な結果を得るには至らなかった。
この他、ペプチドホルモンCCHa1に関する研究も継続し、栄養との関係性を追究した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

fGSCの増殖に関与する新しい２つのペプチドホルモンについては、計画どおり、あるいは計画以上に研究が進んでいると自己評価している。特に、DH44については、新規精液成分に依存したfGSC増殖に必須の役割を果たすことが見出され、海外との共同研究と合わせて成果公表することができた。また、AstCに関しては、ニッチシグナルに作用してfGSC増殖を抑制的に作用する因子であり、新規性の高い発見をなすことができた。ただし、AstCの分泌源は正確には特定できなかった。
一方で、ショウジョウバエ体液中における注目する液性因子の挙動の解析については、ビオチン化技術を利用する新規手法の導入に活路を見出して研究を進めているものの、まだ安定的成功には至っていない。
以上を踏まえると、期待以上の進捗とやや遅れている部分の両方が存在しており、総合的に「おおむね順調に進展している」と自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

2024年度以降も引き続き、DH44およびAstCを含めた有力なリガンドに注目をして以下の研究を実施する。
（１）候補受容体とリガンドの変異個体でのニッチシグナリングの解析
（２）fGSCの自己複製と分化に関与するリガンドの分泌源の特定
（３）個体内外の環境によるリガンド分泌の動態の解析
（４）複数のリガンドの相互作用の解析
（５）注目するリガンドの体液中の変動の解析。特にビオチン化手法を援用した研究を継続する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 光州科学技術院(韓国)
• [Int'l Joint Research] Brown University(米国)
• [Int'l Joint Research] Florida International University(米国)
• [Int'l Joint Research] Gwangju Inst. Sci. Tech.(韓国)
• [Journal Article] Circulating fructose regulates a germline stem cell increase via gustatory receptor-mediated gut hormone secretion in mated Drosophila. (2023)
  • Author(s): Hoshino, R., Sano, H., Yoshinari, Y., Nishimura, T., and *Niwa, R.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 8
  • DOI: 10.1126/sciadv.add5551
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Venerose, a sexually transmitted sugar-like substance, stimulates germline stem cell proliferation through neuropeptide Diuretic hormone 44 neurons (2024)
  • Author(s): Seong-Jin Kim, Fumika Rai, Ryusuke Niwa, Young-Joon Kim
  • Organizer: The Asia Pacific Drosophila Neurobiology Conference 3 (APDNC3)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 羽化後の性成熟期間におけるショウジョウバエメス生殖幹細胞ニッチの制御に関わるペプチドホルモンの解析 (2023)
  • Author(s): 頼 郁佳, 星野 涼, 吉成 祐人, 天久 朝恒, 近藤 周, 谷本 拓, 丹羽 隆介
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ポリオール経路によるグルコース感知の代謝・発生への影響 (2023)
  • Author(s): 佐野 浩子, 中村 輝. 山根 万里子. 丹羽 仁史, 西村 隆史, 荒木 喜美, 竹本 一政, 石黒 啓一郎, 青木 浩樹, 加藤 譲, 星野 涼, 吉成 祐人, 丹羽 隆介
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] Sugar in the male ejaculate enhances sperm uptake and oogenesis via female brain neurosecretory cells (2023)
  • Author(s): Kang-Min Lee, Seong-Jin Kim, Si Hyung Park, Taekyun Yang, Ingyu Song, Minsik Yun, Chen Zhang, Monica Dus, Fumika Rai, Ryusuke Niwa, Jae-Il Kim, Sunjae Lee, Greg S.B.Suh, Zee-Yong Park, Young-Joon Kim
  • Organizer: The 6th Asian-Pacific Drosophila Research Conference (APDRC6)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of female germline stem cell increase by circulating fructose through gustatory receptor-mediated release of enteroendocrine neuropeptide F in Drosophila (2023)
  • Author(s): Ryo Hoshino, Hiroko Sano, Yuto Yoshinari, Takashi Nishimura, Ryusuke Niwa
  • Organizer: The 6th Asian-Pacific Drosophila Research Conference (APDRC6)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gut hormone-mediated germline stem cell increase in response to nutrition and mating in Drosophila (2023)
  • Author(s): Ryusuke Niwa
  • Organizer: TLL symposium “Life in a Changing Environment
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The polyol pathway functions as an intracellular and systemic glucose sensor impacting physiology and development (2023)
  • Author(s): Hiroko Sano, Akira Nakamura, Mariko Yamane, Hitoshi Niwa, Takashi Nishimura, Kimi Araki, Kazumasa Takemoto, Kei-ichiro Ishiguro, Hiroki Aoki, Yuzuru Kato, Ryo Hoshino, Yuto Yoshinari, Ryusuke Niwa, Masayasu Kojima
  • Organizer: 第56回日本発生生物学会
• [Presentation] A high-protein diet-responsive enteroendocrine hormone regulates feeding behavior and metabolic optimization in Drosophila (2023)
  • Author(s): Yuto Yoshinari, Takashi Nishimura, Taishi Yoshii, Shu Kondo, Hiromu Tanimoto, Ryusuke Niwa
  • Organizer: 27th European Drosophila Research Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 食餌中の糖とタンパク質への応答における消化管ホルモンの機能：ショウジョウバエを用いた研究 (2023)
  • Author(s): 吉成 祐人, 星野 涼. 佐野 浩子, 吉井大志, 近藤 周, 谷本 拓, 西村 隆史, 丹羽 隆介
  • Organizer: 食欲・食嗜好を形成する感覚・内分泌・神経基盤研究会
• [Presentation] A high-protein diet-responsive gut hormone regulates behavioral and metabolic optimization in Drosophila melanogaster (2023)
  • Author(s): Yuto Yoshinari, Takashi Nishimura, Taishi Yoshii, Shu Kondo, Hiromu Tanimoto, Ryusuke Niwa
  • Organizer: The 6th International Insect Hormone Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A role of endogenous fructose production in mating-induced germline stem cell proliferation in the fruit fly Drosophila melanogaster (2023)
  • Author(s): Hoshino R, Sano H, Yoshinari Y, Nishimura T, Niwa R
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
  • Invited
• [Presentation] The corpus allatum-projecting neuronsregulate reproductive dormancyvia suppression of juvenile hormone biosynthesisin Drosophila melanogaster (2022)
  • Author(s): Kurogi Y, Imura E, Hoshino R, Mizuno Y, Nouzova M, Matsuyama S, Mizoguchi A, Kondo S, Tanimoto H, Noriega FG, Niwa R
  • Organizer: XXVI International Congress of Entomology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キイロショウジョウバエの生殖休眠を制御する神経内分泌システムの解析 (2022)
  • Author(s): 黒木 祥友, 井村 英輔, 星野 涼, 水野 陽介, Nouzova Marcela, 松山 茂, 溝口 明, 近藤 周, 谷本 拓, Noriega Fernando G., 丹羽 隆介
  • Organizer: 日本動物学会第93回大会（早稲田大会）
• [Presentation] A gut-derived hormone, CCHamide1, regulates high protein-diet dependent behavioral and metabolic responses in Drosophila melanogaster (2022)
  • Author(s): Yoshinari Y, Nishimura T, Yoshii T, Kondo S, Tanimoto H, Niwa R
  • Organizer: 15th Japan Drosophila Research Conference
• [Presentation] Circulating fructose regulates mating-induced increase in germline stem cell via gustatory receptormediated enteroendocrine hormone release in Drosophila melanogaster (2022)
  • Author(s): Hoshino R, Sano H, Yoshinari Y, Nishimura T, Niwa R
  • Organizer: 15th Japan Drosophila Research Conference
• [Presentation] ショウジョウバエにおける循環フルクトースによる腸内分泌細胞からのホルモン分泌制御 (2022)
  • Author(s): 星野 涼, 佐野 浩子, 吉成 祐人, 西村 隆史, 丹羽 隆介
  • Organizer: 食欲・食嗜好を形成する感覚・内分泌・神経基盤研究会
• [Presentation] Circulating fructose regulates a germline stem cell increase via gastatory receptor-mediated gut hormone release in mated Drosophila melanogaster (2022)
  • Author(s): Niwa R
  • Organizer: Insect Reproductive Molecules and Their Mechanisms: Bringing New Tools and Ideas for Agriculture
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] An increase in Drosophila female germline stem cells is regulated by circulating fructose through gustatory receptor-mediated gut hormone release (2022)
  • Author(s): Hoshino R, Sano H, Yoshinari Y, Nishimura T, Niwa R
  • Organizer: The International Symposium “Totipotency and Germ Cell Development”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 腸ホルモンが駆動する高タンパク質食に対する代謝・行動の調節と適応 (2022)
  • Author(s): 吉成 祐人, 西村 隆史, 吉井 大志, 近藤 周, 谷本 拓, 丹羽 隆介
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 筑波大学プレスリリース
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/medicine-health/20230225040000.html
• [Remarks] 群馬大学プレスリリース
  • URL: https://www.gunma-u.ac.jp/information/152687
• [Remarks] 久留米大学プレスリリース
  • URL: https://www.kurume-u.ac.jp/joint/research/640a81b3aaabb309da499ef6/
• [Remarks] AMED-CRESTプレスリリース
  • URL: https://www.amed.go.jp/content/000109882.pdf
• [Remarks] Phys.org
  • URL: https://phys.org/news/2023-02-fruit-fly-gut-reproduction-fructose.html