嗅覚受容体遺伝子の発現制御と軸索投射

• 研究課題/領域番号: 14104026
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 神経科学一般
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 坂野 仁 東京大学, 大学院理学系研究科, 教授 (90262154)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 113,880千円 (直接経費: 87,600千円、間接経費: 26,280千円); 2006年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円); 2005年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円); 2004年度: 22,360千円 (直接経費: 17,200千円、間接経費: 5,160千円); 2003年度: 33,540千円 (直接経費: 25,800千円、間接経費: 7,740千円); 2002年度: 35,620千円 (直接経費: 27,400千円、間接経費: 8,220千円)
• キーワード: 嗅覚系 / 嗅覚受容体 / 軸索投射 / 活動電位 / cAMP / LCR / 遺伝子発現 / 匂い識別 / 嗅神経細胞 / 神経個性 / 嗅上皮 / 嗅球 / 細胞接着分子 / 匂い受容 / 臭覚受容体 / 匂い地図 / 軸索ガイダンス分子 / 糸球 / トランスジェニックマウス / におい識別

研究概要

背景・目的:高等動物の脳では多数の神経細胞が互いに軸索を伸ばしてつながりあい秩序だった神経回路を形成している。しかしながら、多様な神経細胞の一つ一つが担う役割、即ち神経個性がどのように分子コード化されてシナプス形成が行われているのかについては殆ど解明されていない。我々はこの問題を解決するためマウスの嗅覚系に着目し、嗅神経回路と匂い地図形成の分子機構を明らかにすべく研究を行った。
方法:遺伝学的に様々な工夫を凝らした遺伝子操作マウスを作製した。中でも、一種類の嗅覚受容体遺伝子をほぼ独占的に発現するトランスジェニックマウスや、接着因子を強制発現する嗅神経細胞とそうでない嗅神経細胞をほぼ半数ずつ作り出すモザイクマウスなど、他のグループには無い我々独自のシステムを開発した。
結果:嗅球上のどの番地の糸球に嗅細胞の軸索が収斂して投射するかという謎に対し、我々は、嗅覚受容体分子そのものではなく、嗅覚受容体を介したシグナルが重要な働きを担っていることを明らかにした。即ち、嗅覚受容体に共役するGsタンパク質が、シグナルに応じて異なる濃度のcAMPを産生し、これをcAMP依存的プロティンキナーゼAが感知して、CREB転写因子などを介し軸索伸長因子の転写量を制御しているという研究成果を得た。また、軸索の接着性と反発性を制御する一連の分子が、個々の嗅神経細胞の持つ嗅覚受容体の種類に応じて固有な発現量を示し、いわば分子コードとして軸索末端に発現していることを突き止めた。その結果、同種の嗅覚受容体を発現する嗅神経細胞の軸索は収斂し、糸球構造を形成する事が明らかとなった。
考察:嗅神経細胞は約一千種類の嗅覚受容体遺伝子の中から、一種類のみを選択的に発現することで個々の神経個性を確立している。本研究の成果より、嗅神経細胞の軸索の選別に関しては、嗅覚受容体分子の種類に連動して制御される接着及び反発分子の発現量が、神経個性を表現する分子コード、即ちneuronal identity codeとして軸索末端に表現されるという画期的概念が示された。ここで得られた嗅覚系の一次投射に関する研究成果は中枢神経系における回路形成という脳科学の最重要課題の理解に重要なヒントを与えるという意味でその意義は大きい。更に今後の課題として予定されている二次投射に関する研究は、入力される情報の統合と分配、即ち情報のeditingという脳の高次機能の理解に道を拓くものとしてその展開が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Functional antigen receptor genes of the agnathan lamprey are constructed by a process involving copy choice. (2007)
  • 著者名/発表者名: Nagawa, F. et al.
  • 雑誌名: Nature Immunology 8・2 ページ: 206-213
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Antigen-receptor genes of the agnathan lamprey are assembled by a process involving copy choice. (2007)
  • 著者名/発表者名: Nagawa et al.
  • 雑誌名: Nature Immunol. 8 ページ: 206-213
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Olfactory sensory neurons expressing class I odorant receptors converge their axons on an antero-dorsal domain of the olfactory bulb in the mouse. (2006)
  • 著者名/発表者名: Tsuboi, A. et al.
  • 雑誌名: European Journal of Neuroscience 23・6 ページ: 1436-1444
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Odorant receptor-derived cAMP signals direct axonal targeting. (2006)
  • 著者名/発表者名: Imai, T. et al.
  • 雑誌名: Science 314・5799 ページ: 657-661
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A neuronal identity code for the odorant receptor-specific and activity-dependent axon sorting. (2006)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Cell 127・5 ページ: 1057-1069
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Olfactory sensory neurons expressing class I odorant receptors converge their axons on an antero-dorsal domain of the olfactory bulb in the mouse. (2006)
  • 著者名/発表者名: Tsuboi, A. et al.
  • 雑誌名: Eur.J. of Neurosci. 23 ページ: 1436-1444
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Odorant receptor-derived cAMP signals direct axonal targeting. (2006)
  • 著者名/発表者名: Imai, T. et al.
  • 雑誌名: Science 314 ページ: 657-661
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] A neuronal identity code for the odorant receptor -specific and activity-dependent axon sorting. (2006)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Cell 127 ページ: 1057-1069
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Olfactory sensory neurons expressing class I odorant receptors converge their axons on an antero-dorsal domain of the olfactory bulb in the mouse. (2006)
  • 著者名/発表者名: Tsuboi, A., et al.
  • 雑誌名: European Journal of Neuroscience 23 ページ: 1436-1444
• [雑誌論文] Continuous and overlapping expression domains of odorant receptor genes in the olfactory epithelium determine the dorsal/ventral positioning of glomeruli in the olfactory bulb. (2005)
  • 著者名/発表者名: Miyamichi, K. et al.
  • 雑誌名: J. Neurosci. 25・14 ページ: 3486-3592
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Negative feedback regulation ensures the one neuron - one receptor rule in the mouse olfactory system. (2005)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Chem. Senses (Suppl.11) ページ: 99-100
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Negative feedback regulation ensures the one neuron - one receptor rule in the mouse olfactory system. (2005)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Chem.Senses 30 ページ: 99-100
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Continuous and overlapping expression domains of odorant receptor genes in the olfactory epithelium determine the dorsal/ventral positioning of glomeruli in the olfactory bulb. (2005)
  • 著者名/発表者名: Miyamichi, K., et al.
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 25 ページ: 3486-3592
• [雑誌論文] 嗅覚系における神経細胞の個性獲得と多様性識別 (2005)
  • 著者名/発表者名: 坂野 仁
  • 雑誌名: BRAIN 111 ページ: 6-9
• [雑誌論文] マウス嗅覚系の発生と分化 (2005)
  • 著者名/発表者名: 坪井昭夫, 岡 雄一郎, 坂野 仁
  • 雑誌名: 実験医学 23 ページ: 133-142
• [雑誌論文] Continuous and overlapping expression domains of odorant receptor genes in the olfactory epithelium determine the dorsal/ventral positioning of glomeruli in the olfactory bulb. (2005)
  • 著者名/発表者名: Miyamichi, K., et al.
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 25(印刷中)
• [雑誌論文] マウス嗅覚系の発生と分化 (2005)
  • 著者名/発表者名: 坪井昭夫, 岡雄一郎, 坂野 仁
  • 雑誌名: 発生・分化・再生研究(実験医学、増刊号) 23 ページ: 133-142
• [雑誌論文] Joining mutants of RAG1 and RAG2 that demonstrate impaired interactions with the coding-end DNA. (2004)
  • 著者名/発表者名: Nagawa, F. et al.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 314・5799 ページ: 38360-38368
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] In vitro processing of the 3'-overhanged DNA in the post-cleavage complex of V(D)J joining. (2004)
  • 著者名/発表者名: Nishihara, T. et al.
  • 雑誌名: Mol. Cell. Biol. 24・9 ページ: 3692-3702
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] One neuron - one receptor rule in the mouse olfactory system. (2004)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Trends in Genetics 20・12 ページ: 648-653
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] In vitro processing of the 3'-overhanged DNA in the post-cleavage complex of V(D)J joining. (2004)
  • 著者名/発表者名: Nishihara, T. et al.
  • 雑誌名: Mol.Cell.Biol. 24 ページ: 3692-3702
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] One neuron - one receptor rule in the mouse olfactory system. (2004)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Trends in Genetics 20 ページ: 648-653
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Continuous and overlapping expression domains of odorant receptor genes in the olfactory epithelium determine the dorsal/ventral positioning of glomeruli in the olfactory bulb. (2004)
  • 著者名/発表者名: Miyamichi, K. et al.
  • 雑誌名: J.Neurosci. 25 ページ: 3486-3592
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] One neuron - one receptor rule in the mouse olfactory system. (2004)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S., et al.
  • 雑誌名: Trends in Genetics 20 ページ: 648-653
• [雑誌論文] Negative feedback regulation ensures one neuron - one receptor rule in the mouse olfactory system. (2004)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S., et al.
  • 雑誌名: Chemical Senses 29 ページ: 99-100
• [雑誌論文] 嗅覚系における1神経・1受容体ルールを支える分子機構 (2004)
  • 著者名/発表者名: 芹沢 尚, 宮道和成, 坂野 仁
  • 雑誌名: 細胞工学 23 ページ: 460-467
• [雑誌論文] 嗅覚系における1神経・1受容体ルール (2004)
  • 著者名/発表者名: 芹沢 尚, 宮道和成, 坂野 仁
  • 雑誌名: 実験医学 22 ページ: 860-864
• [雑誌論文] 嗅覚受容体 (2004)
  • 著者名/発表者名: 名川文清, 坂野 仁
  • 雑誌名: ヒトゲノム(Molecular Medicine臨時増刊号) 41 ページ: 64-70
• [雑誌論文] 嗅覚受容体遺伝子の単一発現制御 (2004)
  • 著者名/発表者名: 芹沢 尚, 宮道和成, 坂野 仁
  • 雑誌名: 蛋白質 核酸 酵素 49 ページ: 1403-1412
• [雑誌論文] Pub, a novel PU.1 binding protein, regulates the transcriptional activity of PU. 1. (2003)
  • 著者名/発表者名: Hirose, S. et al.
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Com. 311・2 ページ: 351-360
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Negative feedback regulation ensures one receptor - one olfactory neuron rule in mouse. (2003)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Science 302・5653 ページ: 2088-2094
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Developmental elimination of ectopic projection sites for the transgenic OR gene that has lost the zone specificity in the olfactory epithelium. (2003)
  • 著者名/発表者名: Nakatani, H. et al.
  • 雑誌名: Eur. J. Neurosci. 18・9 ページ: 2425-2432
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] The high-mobility-group box protein SSRP1/T160 is essential for cell viability in day 3.5 mouse embryos. (2003)
  • 著者名/発表者名: Cao, S.
  • 雑誌名: Mol. Cell. Biol. 23・15 ページ: 5301-5307
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] O-MACS, a novel member of the medium-chain acyl-CoA synthetase family, specifically expressed in the olfactory epithelium in a zone-specific manner. (2003)
  • 著者名/発表者名: Oka, Y.et al.
  • 雑誌名: Eur. J. Biochem. 270・9 ページ: 1995-2004
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Pub, a novel PU.1 binding protein, regulates the transcriptional activity of PU.1. (2003)
  • 著者名/発表者名: Hirose, S. et al.
  • 雑誌名: Biochem.Biophys.Res.Com. 311 ページ: 351-360
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Negative feedback regulation ensures one receptor - one olfactory neuron rule in mouse. (2003)
  • 著者名/発表者名: Serizawa, S. et al.
  • 雑誌名: Science 302 ページ: 2088-2094
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Developmental elimination of ectopic projection sites for the transgenic OR gene that has lost the zone specificity in the olfactory epithelium. (2003)
  • 著者名/発表者名: Nakatani, H. et al.
  • 雑誌名: Eur.J.Neurosci. 18 ページ: 2425-2432
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] The high-mobility-group box protein SSRP1/T160 is essential for cell viability in day 3.5 mouse embryos. (2003)
  • 著者名/発表者名: Cao, S.et al.
  • 雑誌名: Mol.Cell.Biol. 23 ページ: 5301-5307
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] O-MACS, a novel member of the medium-chain acyl-CoA synthetase family, specifically expressed in the olfactory epithelium in a zone-specific manner. (2003)
  • 著者名/発表者名: Oka, Y.et al.
  • 雑誌名: Eur.J.Biochem. 270 ページ: 1995-2004
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Joining mutants of RAG1 and RAG2 that demonstrate impaired interactions with the coding-end DNA. (2003)
  • 著者名/発表者名: Nagawa, F. et al.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 38360-38368
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Footprint analysis of recombination signal sequences in the 12/23 synaptic complex of V(D)J recombination. (2002)
  • 著者名/発表者名: Nagawa, F. et al.
  • 雑誌名: Mol. Cell. Biol. 22・20 ページ: 7217-7225
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Stomatin-related olfactory protein, SRO, specifically expressed in the murine olfactory sensory neurons. (2002)
  • 著者名/発表者名: Kobayakawa, K. et al.
  • 雑誌名: J. Neurosci. 22・14 ページ: 5931-5937
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Genomic analysis of the murine odorant receptor MOR28 cluster : A possible role of gene conversion in maintaining the olfactory map. (2002)
  • 著者名/発表者名: Nagawa, F. et al.
  • 雑誌名: Gene 292・1-2 ページ: 73-80
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] BET, a novel neuronal transmembrane protein with multiple EGF-like motifs. (2002)
  • 著者名/発表者名: Nishizumi, H. et al.
  • 雑誌名: NeuroReport 13・6 ページ: 206-213
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Footprint analysis of recombination signal sequences in the 12/23 synaptic complex of V(D)J recombination. (2002)
  • 著者名/発表者名: Nagawa, F. et al.
  • 雑誌名: Mol.Cell.Biol. 22 ページ: 7217-7225
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Stomatin-related olfactory protein, SRO, specifically expressed in the murine olfactory sensory neurons. (2002)
  • 著者名/発表者名: Kobayakawa, K. et al.
  • 雑誌名: J.Neurosci. 22 ページ: 5931-5937
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Genomic analysis of the murine odorant receptor MOR28 cluster : A possible role of gene conversion in maintaining the olfactory map (2002)
  • 著者名/発表者名: Nagawa, F. et al.
  • 雑誌名: Gene 292 ページ: 73-80
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] BET, a novel neuronal transmembrane protein with multiple EGF-like motifs. (2002)
  • 著者名/発表者名: Nishizumi, H. et al.
  • 雑誌名: NeuroReport 13 ページ: 909-915
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Oka, Y., et al.: "O-MACS, a novel member of the medium-chain acyl-CoA synthetase family, Specifically expressed in the olfactory epithelium in a zone-specific manner."European Journal of Biochemistry. 270. 1995-2004 (2003)
• [文献書誌] Nakatani, H., et al.: "Developmental elimination of ectopic projection sites for the transgenic OR gene that has lost the zone specificity in the olfactory epithelium."European Journal of Neuroscience. 18. 2425-2432 (2003)
• [文献書誌] Serizawa, S., et al.: "Negative feedback regulation ensures one receptor - one olfactory neuron rule in mouse."Science. 302. 2088-2094 (2003)
• [文献書誌] Nishihara, T., et al.: "In vitro processing of the 3'-overhanged DNA in the post-cleavage complex of V(D)J joining."Molecular and Cellular Biology. (In press). (2004)
• [文献書誌] H.Nishizumi, et al.: "BET, a novel neuronal transmembrane protein with multiple EGF-like motifs"NeuroReport. 13. 909-915 (2002)
• [文献書誌] F.Nagawa, et al.: "Genomic analysis of the murine odorant receptor MOR28 cluster : A possible role of gene conversion in maintaining the olfactory map"Gene. 292. 73-80 (2002)
• [文献書誌] K.Kobayakawa, et al.: "Stomatin-related olfactory protein, SRO, specifically expressed in the murine olfactory sensory neurons"J.Neurosci.. 22. 5931-5937 (2002)
• [文献書誌] F.Nagawa, et al.: "Footprint analysis of recombination signal sequences in the 12/23 synaptic complex of V(D)J recombination"Mol.Cell.Biol.. 22. 7217-7225 (2002)