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A bird's-eye view of vertebrate biosensing from the "itch" research in fish

Research Project

Project/Area Number 22K19332
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

坂本 浩隆  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (20363971)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 池永 隆徳  鹿児島大学, 理工学域理学系, 准教授 (50553997)
Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywordsかゆみ / 痛み / バイオセンシング / ゼブラフィッシュ / ガストリン放出ペプチド
Outline of Research at the Start

「痛み」は、生命の危機を認識させる警告であり、それらに適切に対処することは動物のホメオスタシスを維持する上で重要である。一方、「かゆみ」は小さな痛みだと考えられてきたが、生命の危機を認識させる警告ではない。ではなぜ「かゆみ」を感じるのか?近年マウスでガストリン放出ペプチド(GRP)という神経ペプチドが「かゆみ特異的伝達分子」として報告され、「痛み」との機構的乖離が提唱された。しかしながら進化の過程でいつから生物はかゆみを獲得したのか、その生物学的意義は何かについては全く不明である。本研究では、魚類のゼブラフィッシュを材料とした研究を突破口として、「かゆみ」感覚の包括的かつ先端的解析を行う。

Outline of Annual Research Achievements

痒みは掻きたいという衝動(掻痒覚)を誘発する皮膚感覚、痛みは体の損傷等に起因する不快な感覚(痛覚)と定義され、ともに生体の警告信号として重要な皮膚感覚である。哺乳類では、痒みは掻破行動、痛みは逃避行動が指標とされている。古くから痒みは小さな痛みと考えられており、痛みと痒みの違いについてはあまり議論されていなかった。近年、哺乳類において神経ペプチドであるガストリン放出ペプチド(GRP)とGRP受容体発現ニューロンからなるGRP系が痒みを特異的に伝達していることが報告され、痒みと痛みが別感覚であることが提唱されている。GRP受容体ノックアウト(KO)マウスでは、痒み刺激に対する掻破行動が報告されている。これらの皮膚感覚に関する研究はほとんどが哺乳類を対象としており、それ以外の脊椎動物については議論が不十分である。所属研究室では魚類でもこれらの体性感覚の存在を示唆しており、GRP系の存在も報告している。しかし進化の過程での「痛み」と「痒み」の皮膚感覚や、GRP系の関与も不明である。本研究では、かゆみ、痛みについて未解明である魚類を材料とした研究を突破口として、「かゆみ」感覚の包括的かつ先端的解析を行う。魚(ゼブラフィッシュ)が「かゆみ」を感じているのかを行動レベルで評価し、その分子・神経回路メカニズムまでを明らかにすることを目指す。これらの結果から、なぜ我々が「痛み」とは別に「かゆみ」を感じる必要があるのかという大きな疑問の解明に挑む。本研究の発展は、「かゆみ」の進化起源とその生物学的意義の解明につながり、感覚研究の学術体系やその方向性をも大きく変革させる契機となる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究ではまず、かゆみ/痛み様感覚が魚類で存在するかを明らかにするために、ゼブラフィッシュ成魚を用いて起痒物質候補のヒスタミン・イミキモド、発痛物質候補のAITCを腹ビレ基部へ局所投与し、かゆみ、および痛み刺激への反応性の違いを行動レベルで評価した。投与後60分を解析した。ヒスタミン、イミキモドでは、腹部を水槽にこする/打ちつける「かゆみ様行動」が投与量依存的に増加した。一方で、AITCではどの濃度でもそれらの行動はみられなかった。さらに動画解析ソフトMove-tr/2Dを用い、移動量、水槽の上部下部の滞在を定量化した。やはりAITC特異的な行動はみられなかった。こちらには、ヒスタミン・イミキモドの効果もなかった。今回AITCによる痛み様行動は特定できなかった。以上の結果から、ゼブラフィッシュにおいて、少なくともかゆみ感覚が存在することが示唆された。先行研究ではゼブラフィッシュの上唇へAITCを注入すると痛み様行動が起こることが報告されている。体の部位によって感覚の受容性が異なるのかもしれない。
次いで、ゼブラフィッシュ仔魚を用いて、AITC、ヒスタミンに対する一次感覚ニューロンの応答性の違い二光子顕微鏡を用いて調べた。三叉神経節ニューロン特異的にカルシウム蛍光指示物質G-CaMPを発現するゼブラフィッシュの系統の仔魚を用い、AITC、ヒスタミン投与による細胞応答を二光子顕微鏡下、カルシウムイメージング解析した。解析した細胞の半数はどちらでも興奮が惹起されたが、各々に個別に応答する細胞も10%ずつみられた。
以上のようにおおむね順調に進展しているものと自己評価している。

Strategy for Future Research Activity

本研究により、野生型ゼブラフィッシュ成魚は起痒物質であるヒスタミン、イミキモドの刺激に応答して水槽の角などに投与部位を打ちつける、腹部を水底でこすりつける「かゆみ様行動」が増加した。また、これらの行動は発痛物質であるAITCではどの濃度においても増加しなかった。これらのことからゼブラフィッシュの成魚はかゆみ刺激と痛み刺激を区別して受容することが示唆された。先行研究ではゼブラフィッシュ上唇にAITCを注入すると痛み様行動が報告されていることから体の部位によって痛み感覚の受容能が異なるのかもしれない。今後は、この比較を行うために、GRPR-KOゼブラフィッシュ上唇に発痛物質候補のAITC、および起痒候補物質であるヒスタミン、イミキモドを投与して、行動解析を行なっていく予定である。さらに、2024年度が最終年度となるため、成果をまとめて論文投稿を目指す。これまでの結果から魚類でもかゆみ感覚が存在し、かゆみ伝達にはGRP系が必須である可能性が示唆された。進化の過程で魚類と四足動物の共通祖先で「かゆみ」感覚の伝達系が獲得されたと考えられる。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (27 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (19 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 19 results,  Open Access: 18 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 3 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Oxford(英国)

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    • Author(s)
      Sakamoto Hirotaka、Inutsuka Ayumu
    • Journal Title

      ACTA HISTOCHEMICA ET CYTOCHEMICA

      Volume: 57 Issue: 2 Pages: 85-88

    • DOI

      10.1267/ahc.24-00001

    • ISSN
      0044-5991, 1347-5800
    • Year and Date
      2024-04-25
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    • Author(s)
      Ikenaga Takanori、Kobayashi Aoshi、Takeuchi Akihisa、Uesugi Kentaro、Maezawa Takanobu、Shibata Norito、Sakamoto Tatsuya、Sakamoto Hirotaka
    • Journal Title

      Zoological Science

      Volume: 41 Issue: 3 Pages: 1-9

    • DOI

      10.2108/zs230082

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      Nishikage Seiji、Fujisawa Akira、Endoh Hiromi、Sakamoto Hirotaka、Suzuki Tomohide、Kanzawa Maki、Ishii Shinichi、Okano Mitsumasa、Nitta Eriko、Yakushijin Kimikazu、Asakura Hidesaku、Nozu Kandai、Nitta Ryo、Katayama Yoshio、Sakaguchi Kazuhiko
    • Journal Title

      Experimental Hematology

      Volume: 129 Pages: 104129-104129

    • DOI

      10.1016/j.exphem.2023.11.003

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      Martucci Lora L.、Launay Jean-Marie、Kawakami Natsuko、Sicard C?cile、Desvignes Nathalie、Dakouane-Giudicelli Mbarka、Spix Barbara、T?tu Maude、Gilmaire Franck-Olivier、Paulcan Sloane、Callebert Jacques、Vaillend Cyrille、Bracher Franz、Grimm Christian、Sakamoto Hirotaka et al.
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences USA

      Volume: 120 Issue: 7 Pages: 1-12

    • DOI

      10.1073/pnas.2213682120

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    • Author(s)
      Sato Yuki、Shigematsu Mugiho、Shibata-Kanno Maria、Maejima Sho、Tamura Chie、Sakamoto Hirotaka
    • Journal Title

      Development

      Volume: 150 Issue: 11 Pages: 1-16

    • DOI

      10.1242/dev.201275

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      Oti Takumi、Sakamoto Hirotaka
    • Journal Title

      Journal of Neuroendocrinology

      Volume: 35 Issue: 9 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1111/jne.13324

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  • [Journal Article] Evolutionary differentiation of androgen receptor is responsible for sexual characteristic development in a teleost fish2023

    • Author(s)
      Y. Ogino, S. Ansai, E. Watanabe, M. Yasugi, Y. Katayama, H. Sakamoto, K. Okamoto, K. Okubo, Y. Yamamoto, I. Hara, T. Yamazaki, A. Kato, Y. Kamei, K. Naruse, K. Ohta, H. Ogino, T. Sakamoto, S. Miyagawa, T. Sato, G. Yamada, M. Baker & T. Iguchi
    • Journal Title

      Nature communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1428-1428

    • DOI

      10.1038/s41467-023-37026-6

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  • [Journal Article] Chronic corticosterone exposure evokes itch hypersensitivity and sexual dysfunction in male rats: relationship between the two distinct gastrin-releasing peptide systems in the spinal cord2023

    • Author(s)
      Takanami Keiko、Morishita Makoto、Sakamoto Tatsuya、Sakamoto Hirotaka
    • Journal Title

      General and Comparative Endocrinology

      Volume: - Pages: 114289-114289

    • DOI

      10.1016/j.ygcen.2023.114289

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  • [Journal Article] Function of gastrin-releasing peptide receptors in ocular itch transmission in the mouse trigeminal sensory system2023

    • Author(s)
      Takanami Keiko、Kuroiwa Masaya、Ishikawa Ren、Imai Yuji、Oishi Akane、Hashino Midori、Shimoda Yasushi、Sakamoto Hirotaka、Koide Tsuyoshi
    • Journal Title

      Frontiers in Molecular Neuroscience

      Volume: 16 Pages: 1-15

    • DOI

      10.3389/fnmol.2023.1280024

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  • [Journal Article] Spinal Transection Switches the Effect of Metabotropic Glutamate Receptor Subtype 7 from the Facilitation to Inhibition of Ejaculation2023

    • Author(s)
      Masugi-Tokita Miwako、Kubota Shigehisa、Kobayashi Kenichi、Yoshida Tetsuya、Kageyama Susumu、Sakamoto Hirotaka、Kawauchi Akihiro
    • Journal Title

      Neuroscience

      Volume: 509 Pages: 10-19

    • DOI

      10.1016/j.neuroscience.2022.11.012

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  • [Journal Article] Neuronal pentraxin 2 is required for facilitating excitatory synaptic inputs onto spinal neurons involved in pruriceptive transmission in a model of chronic itch2022

    • Author(s)
      Kanehisa Kensho、Koga Keisuke、Maejima Sho、Shiraishi Yuto、Asai Konatsu、Shiratori-Hayashi Miho、Xiao Mei-Fang、Sakamoto Hirotaka、Worley Paul F.、Tsuda Makoto
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 2367-2367

    • DOI

      10.1038/s41467-022-30089-x

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  • [Journal Article] Nanobody-based RFP-dependent Cre recombinase for selective anterograde tracing in RFP-expressing transgenic animals2022

    • Author(s)
      Inutsuka Ayumu、Maejima Sho、Mizoguchi Hiroyuki、Kaneko Ryosuke、Nomura Rei、Takanami Keiko、Sakamoto Hirotaka、Onaka Tatsushi
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 979-979

    • DOI

      10.1038/s42003-022-03944-2

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  • [Journal Article] A spinal microglia population involved in remitting and relapsing neuropathic pain2022

    • Author(s)
      Kohno Keita、Shirasaka Ryoji、Yoshihara Kohei、Mikuriya Satsuki、Tanaka Kaori、Takanami Keiko、Inoue Kazuhide、Sakamoto Hirotaka、Ohkawa Yasuyuki、Masuda Takahiro、Tsuda Makoto
    • Journal Title

      Science

      Volume: 376 Issue: 6588 Pages: 86-90

    • DOI

      10.1126/science.abf6805

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  • [Journal Article] Vasopressin-oxytocin?type signaling is ancient and has a conserved water homeostasis role in euryhaline marine planarians2022

    • Author(s)
      Kobayashi Aoshi、Hamada Mayuko、Yoshida Masa-aki、Kobayashi Yasuhisa、Tsutsui Naoaki、Sekiguchi Toshio、Matsukawa Yuta、Maejima Sho、Gingell Joseph J.、Sekiguchi Shoko、Hamamoto Ayumu、Hay Debbie L.、Morris John F.、Sakamoto Tatsuya、Sakamoto Hirotaka
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Issue: 9 Pages: 0311-0311

    • DOI

      10.1126/sciadv.abk0331

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  • [Journal Article] Characterization of the expression of gastrin‐releasing peptide and its receptor in the trigeminal and spinal somatosensory systems of Japanese macaque monkeys: Insight into humans2022

    • Author(s)
      Takanami Keiko、Oti Takumi、Kobayashi Yasuhisa、Hasegawa Koki、Ito Takashi、Tsutsui Naoaki、Ueda Yasumasa、Carstens Earl、Sakamoto Tatsuya、Sakamoto Hirotaka
    • Journal Title

      Journal of Comparative Neurology

      Volume: 530 Issue: 16 Pages: 2804-2819

    • DOI

      10.1002/cne.25376

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Behavioural osmoregulation during land invasion in fish: Prandial drinking and wetting of the dry skin2022

    • Author(s)
      Katayama Yukitoshi、Tsukada Takehiro、Hyodo Susumu、Sakamoto Hirotaka、Sakamoto Tatsuya
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 17 Issue: 12 Pages: 1-14

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0277968

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mating experiences with the same partner enhanced mating activities of na?ve male medaka fish2022

    • Author(s)
      Daimon Masahiro、Katsumura Takafumi、Sakamoto Hirotaka、Ansai Satoshi、Takeuchi Hideaki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1038/s41598-022-23871-w

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  • [Journal Article] Lattice-patterned collagen fibers and their dynamics in axolotl skin regeneration2022

    • Author(s)
      Kashimoto Rena、Furukawa Saya、Yamamoto Sakiya、Kamei Yasuhiro、Sakamoto Joe、Nonaka Shigenori、Watanabe Tomonobu M.、Sakamoto Tatsuya、Sakamoto Hirotaka、Satoh Akira
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 25 Issue: 7 Pages: 104524-104524

    • DOI

      10.1016/j.isci.2022.104524

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Footedness for scratching itchy eyes in rodents2022

    • Author(s)
      Katayama Yukitoshi、Miura Ayane、Sakamoto Tatsuya、Takanami Keiko、Sakamoto Hirotaka
    • Journal Title

      Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences

      Volume: 289 Issue: 1985 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1098/rspb.2022.1126

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 免疫電子顕微鏡の実践2023

    • Author(s)
      坂本浩隆
    • Organizer
      第48回組織細胞化学講習会
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  • [Presentation] 下垂体後葉ホルモンによる性行動・社会行動の制御機構2023

    • Author(s)
      坂本浩隆
    • Organizer
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    • Invited
  • [Presentation] A localised volume transmission of oxytocin controls male sexual activity in the spinal cord2022

    • Author(s)
      Sakamoto Hirotaka
    • Organizer
      The International congress of Neuroendocrinology (ICN) 2022
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] カラー版 脳とホルモンの行動学 わかりやすい行動神経内分泌学 第2版2023

    • Author(s)
      近藤保彦 他
    • Total Pages
      364
    • Publisher
      西村書店
    • ISBN
      9784867060438
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URL: 

Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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