行動制御の性差を生み出す神経メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 19K06911
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分46010:神経科学一般関連
• 研究機関: 埼玉医科大学
• 研究代表者: 周防 諭 埼玉医科大学, 医学部, 准教授 (20596845)
• 研究分担者: 坪井 貴司 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (80415231)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 性差 / 自発運動量 / C. elegans / 交尾 / 精子 / ドーパミン / 行動 / 神経伝達物質 / 性行動 / 受容体 / カルシウム / 自発運動 / 行動状態

研究開始時の研究の概要

本研究は、神経機能の解析に有用なモデル生物C. elegansを用いて、自発運動の性差を解析することで、行動の性差を生み出すメカニズムを分子レベル、神経回路レベルで解明する。まず、伝達物質欠損変異体の解析から自発運動の性差を生み出すのに寄与する伝達物質を同定する。次に、蛍光プローブを用いたイメージング解析により神経細胞でのシグナル伝達の性差を明らかにする。さらに、遺伝子発現解析や遺伝学的スクリーニングにより神経伝達の性差に影響を及ぼす因子を同定し、その作用機序を調べることで、神経伝達に性差が生み出されるメカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

本研究では、動物の交尾と繁殖において重要な役割を果たす行動の性差について解析を行っている。C. elegansには雌雄同体とオスが存在し、オスは雌雄同体よりも自発的な運動量が多い。これは、雌雄同体が自家受精できるために交配相手を探す必要がないことから、餌から離れずじっとしている一方、オスは交配相手を見つけるために餌のある領域を探索するという性差が生まれることを示唆している。精子形成に異常のある変異体を用いた実験を行った結果、このような精子を作ることのできない雌雄同体は、通常の雌雄同体よりも自発的な運動量が高く、オスに近い行動を示すことが明らかになっていた。さらに、精子形成変異体はオスと交配をすると運動量は減少することを明らかにしていた。精子のない雌雄同体は繁殖にオスが必要なので探索が増加するが、交配後にはその必要がなくなり運動量が減少していると考えられる。
このように精子により行動変化が起きるということは、精子により雌雄同体に何らかの変化が起きているということである。精子による遺伝子発現変化を調べるためにRNA Seq解析を行った。
精子を産生できない変異体は実質的にメスである。C. elegansの近縁種のC. remaneiとC. brenneriは雌雄同体ではなく、オス―メスの種である。このような種でも同じ制御がみられるのか解析した。C. remaneiとC. brenneriのメスはC. elegansの雌雄同体よりも運動量が高かった。さらに、C. remaneiとC. brenneriのメスを同種のオスと交配させると運動量が減少することを明らかにした。この結果は、交配が必要なメスは探索行動をしており、交配で精子を手に入れると探索を減らすという適応的な行動変化を示しており、この機構が複数の種で保存されていることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

野生型のC. elegansではオスは雌雄同体よりも自発的な運動量が高い。この性差は部分的にドーパミンに依存する。神経伝達に異常のある変異体を解析し、運動量の性差が減少する変異体を探すことで運動量の性差に関わる新たな因子を明らかにしている。TGFβ経路がオスでのドーパミンによる制御に関与することを明らかにした。多発性嚢胞腎遺伝子lov-1とpkd-2は、オスだけでなく雌雄同体で運動量の制御を行うことを明らかにした。さらに、精子の形成に異常のある変異体を調べた結果、精子を作ることのできない雌雄同体は、通常の雌雄同体よりも運動量が増加していることが明らかとなった。また、この制御はドーパミンに依存することも明らかにした。精子を作ることができない雌雄同体をオスと交配させ、雌雄同体の体内に精子が供給されると、自発運動量は減少した。さらに近縁種C. remaneiとC. brenneriでも精子による制御が行われるれ、メスの運動量がオスとの交配によって減少することも明らかにした。以上の結果より、雌雄同体の運動量の制御を行うことで行動の性差を生み出す因子を複数同定している。
また、精子の存在によって行動の変化が起きるということは、精子が雌雄同体に認知されて、何らかの変化を起こしているということである。RNA Seq解析を行い、交配によって発現量が変化する遺伝子を多数同定した。
以上のように行動の性差に関わる因子を明らかにし、さらにRNA Seqによる探索を行ったが、その作用の神経メカニズムの解析には至っていない。従って、遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

これまでの結果から、雌雄同体の自発運動およびオスからの忌避行動には体内の精子が関与していることが示唆されている。しかし、生殖器官内にある精子の情報が運動を制御する神経系にどのように伝達され、神経系にどのような変化をもたらすかは不明である。そのような情報伝達に関わる因子の探索として、まず、交配によって発現量の変化する遺伝子をRNA Seq解析によって同定した。今後さらに、異なった条件でのRNA Seq解析を行う。これまでに行ったRNA Seq解析は交配後の雌雄同体を解析していたので、雌雄同体が産生する内在精子の影響の検討が出来ていない。さらに、交配を行った際は、精子が雌雄同体内に入る以外に、オスが物理的あるいは化学的に認識されることが雌雄同体に認識されている可能性がある。そのような影響を検討して、候補となる遺伝子をより絞り込むために、野生型の雌雄同体、精子の産生に異常のある変異体、オスと交配した精子産生変異体、精子産生に異常のあるオスと交配した精子産生変異体についてRNA Seq解析を行うことで、内在精子、オス由来精子、精子以外の性行動に影響される遺伝子を同定する。
同定された遺伝子について、変異体が既に単離されているものについては、変異体の供与を受ける。変異体が単離されていないものについては、RNAiによる発現抑制、もしくはCRISPR遺伝子編集によって変異体の作製を行う。これらの株について運動量の解析を行う。精子産生変異体との二重変異体を作製したり、交尾後の行動変化を解析することで、これらの遺伝子が精子による情報伝達に関与しているか調べる。さらには既に関与が示唆されているドーパミン情報伝達との関係を調べる。以上の解析により、精子が行動を調節する機構を明らかにしていく。

研究成果

• [雑誌論文] Small molecule inhibitors of α-synuclein oligomers identified by targeting early dopamine-mediated motor impairment in C. elegans (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen KS, Menezes K, Rodgers JB, O’Hara DM, Tran N, Fujisawa K, Ishikura S, Khodaei S, Chau H, Cranston A, Kapadia M, Pawar G, Ping S, Krizus A, Lacoste A, Spangler S, Visanji NP, Marras C, Majbour NK, El-Agnaf OMA, Lozano AM, Culotti J, Suo S, Ryu WS, Kalia SK, Kalia LV
  • 雑誌名: Molecular Neurodegeneration 巻: 16 号: 1 ページ: 77-77
  • DOI: 10.1186/s13024-021-00497-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Hermaphrodite behavior is modulated by mating (2022)
  • 著者名/発表者名: 周防諭
  • 学会等名: 線虫研究の未来を創る会 2022
• [学会発表] 線虫C. elegans雌雄同体の行動の精子による制御の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周防諭
  • 学会等名: 第45回分子生物学会年会
• [学会発表] Sperm regulates behavioral states in hermaphrodites (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Suo
  • 学会等名: 23rd International C. elegans Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Sperm regulates locomotor behavior of hermaphrodites (2021)
  • 著者名/発表者名: 周防諭
  • 学会等名: 線虫研究の未来を創る会
• [学会発表] C. elegansでは貯蔵された精子によって雌雄同体の行動が変化する (2021)
  • 著者名/発表者名: 周防諭、丸山敬
  • 学会等名: 日本分子生物学会年会
• [学会発表] C. elegansにおいてTGFβ経路はドーパミンによる性特異的な運動量の制御に関与する (2020)
  • 著者名/発表者名: 周防 諭, 原田 一貴, 丸山 敬, 坪井 貴司
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] Sexually dimorphic dopaminergic signaling regulates behavioral states of C. elegans (2019)
  • 著者名/発表者名: Suo, S., Harada, K., Matsuda, S., Kyo, K., Wang, M., Maruyama, K., Awaji, T., Tsuboi, T.
  • 学会等名: International C. elegans Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] ドーパミンは線虫C. elegansの運動量の性差を生み出す. (2019)
  • 著者名/発表者名: 周防 諭、原田 一貴、松田 翔吾、姜興起、王 旻、丸山 敬、淡路 健雄、坪井 貴司
  • 学会等名: Neuro2019 日本神経科学会大会・日本神経化学会大会
• [備考] 埼玉医科大学薬理学教室
  • URL: http://www.saitama-med.ac.jp/uinfo/yakuri/index.html