転写因子Phox2bを発現する延髄内細胞の低酸素及び高炭酸ガス受容機構の解明

• 研究課題/領域番号: 19K06946
• 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46030:神経機能学関連
• 研究機関: 昭和大学
• 研究代表者: 鬼丸 洋 昭和大学, 医学部, 客員教授 (30177258)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 高炭酸ガス応答 / 低酸素応答 / Phox2b / チロシン水酸化酵素 / 吻側腹外側延髄 / 新生児ラット / PAR1 / アストロサイト / TFLLR / 孤束核 / カルシウムイメージング / Ｐｈｏｘ２ｂ / 延髄 / 低酸素受容 / 高炭酸ガス受容 / チャネルロドプシン

研究開始時の研究の概要

転写因子Phox2bは下位脳幹の自律神経ネットワークを構成する神経細胞に広く発現する．腹側延髄Phox2b発現細胞のサブグループ（チロシン水酸化酵素（TH）陰性細胞）は呼吸調節における高炭酸ガス中枢化学受容器細胞そのものであると考えられている．最近申請者はPhox2b陽性細胞の一部（TH陽性細胞）は低酸素に応答することを見出した．Phox2b陽性細胞は，背側延髄孤束核にも高密度で分布している．本研究では，延髄腹側および背側部に分布するPhox2b陽性細胞の機能，特に低酸素あるいは高炭酸ガス刺激に対する応答性，TH遺伝子発現との関連を明らかにし，さらにガス受容のイオン機構を明らかにする．

研究成果の概要

新生児ラット摘出脳幹－脊髄標本を用いて，延髄吻側腹外側部の呼吸・循環関連ニューロンから細胞内記録を行い，低酸素および高CO2刺激に対する膜電位応答をTTX存在下で調べた．Phox2b+/TH+ニューロンは低酸素刺激に対し，平均3.3 mVの脱分極を示したが，高CO2刺激に対しては有意な反応を示さなかった．Phox2b+/TH-ニューロンは低酸素刺激には応答せず，高CO2刺激に対しては，平均6.1 mVの脱分極を示した．Phox2b-/TH-呼吸性ニューロンは低酸素刺激に対して，脱分極あるいは過分極を示すものなどニューロンによって異なる反応を示したが，平均すると-2.2 mVの過分極を示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

今回の特に注目すべき研究結果は，Phox2b+/TH+ニューロン（いわゆるC1アドレナリンニューロン）が低酸素刺激に直接脱分極応答を示し，中枢性低酸素受容細胞であることが明らかになったことである．低酸素応答の分子機構については今後の課題として残されている．一方，呼吸性ニューロン（Phox2b-/TH-）では低酸素刺激に対しては脱分極を示すものと過分極を示すものがあった．過分極応答にはKATPチャネルが関与すると考えられた．C1アドレナリンニューロンは交感神経活動維持に重要な役割を持つ一方で，中枢低酸素受容器として働くことが示唆されたことは意義深い．

研究成果

• [国際共同研究] University of Calgary(カナダ)
• [国際共同研究] California State University(米国)
• [雑誌論文] Cannabinoid receptors involved in descending inhibition on spinal seizure-like activity in the phrenic output (2023)
  • 著者名/発表者名: Lin ST, Iizuka M, Mikami Y, Yoda S, Onimaru H, Izumizaki M
  • 雑誌名: Biomedical Research 巻: 44 号: 2 ページ: 41-49
  • DOI: 10.2220/biomedres.44.41
  • ISSN: 0388-6107, 1880-313X
  • 年月日: 2023-04-02
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of cisplatin on respiratory activity in neonatal rats. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ota S, Onimaru H, Izumizaki M.
  • 雑誌名: Pflugers Arch. 巻: 475 号: 2 ページ: 233-248
  • DOI: 10.1007/s00424-022-02762-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of ANP and BNP on the generation of respiratory rhythms in brainstem–spinal cord preparation isolated from newborn rats (2022)
  • 著者名/発表者名: Katsuki S, Ota S, Yoda S, Onimaru H, Dohi K, Izumizaki M.
  • 雑誌名: Biomedical Research 巻: 43 号: 4 ページ: 127-135
  • DOI: 10.2220/biomedres.43.127
  • ISSN: 0388-6107, 1880-313X
  • 年月日: 2022-08-18
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Glycine and GABAA receptors suppressively regulate the inspiratory-related calcium rise in the thoracic inspiratory cells of the neonatal rat. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikami Y, Iizuka M, Onimaru H, Izumizaki M.
  • 雑誌名: J Physiol Sci. 巻: 72 号: 1 ページ: 24-24
  • DOI: 10.1186/s12576-022-00850-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dual orexin receptor blocker suvorexant attenuates hypercapnic ventilatory augmentation in mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Isato、Yokota Shigefumi、Takeda Kotaro、Terada Jiro、Umeda Akira、Yoshizawa Masashi、Kono Yosuke、Hasebe Yohei、Onimaru Hiroshi、Pokorski Mieczyslaw、Okada Yasumasa
  • 雑誌名: Brain Research 巻: 1795 ページ: 148061-148061
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2022.148061
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Novel oxygen sensing mechanism in the spinal cord involved in cardiorespiratory responses to hypoxia. (2022)
  • 著者名/発表者名: Barioni NO, Derakhshan F, Tenorio Lopes L, Onimaru H, Roy A, McDonald F, Scheibli E, Baghdadwala MI, Heidari N, Bharadia M, Ikeda K, Yazawa I, Okada Y, Harris MB, Dutschmann M, Wilson RJA.
  • 雑誌名: Sci Adv. 巻: 8 号: 12 ページ: 1-21
  • DOI: 10.1126/sciadv.abm1444
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Coherence analysis of the calcium activity of putative astrocytic and neuronal cells on the L5 ventral horn and neural output in activated lumbar CPG networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Yazawa Itaru、Okazaki Shuntaro、Yokota Shigefumi、Takeda Kotaro、Fukushi Isato、Yoshizawa Masashi、Onimaru Hiroshi、Okada Yasumasa
  • 雑誌名: Neuroscience Letters 巻: 771 ページ: 136421-136421
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2021.136421
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic properties and synaptic connectivity of Phox2b-expressing neurons in rat rostral parvocellular reticular formation (2021)
  • 著者名/発表者名: Kajiwara Risa、Nakamura Shiro、Ikeda Keiko、Onimaru Hiroshi、Yoshida Atsushi、Tsutsumi Yumi、Nakayama Kiyomi、Mochizuki Ayako、Dantsuji Masanori、Nishimura Akiko、Tachikawa Satoshi、Iijima Takehiko、Inoue Tomio
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: - ページ: 41-51
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.12.009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optogenetic activation of DRN 5-HT neurons induced active wakefulness, not quiet wakefulness. (2021)
  • 著者名/発表者名: Moriya R, Kanamaru M, Okuma N, Yoshikawa A, Tanaka KF, Hokari S, Ohshima Y, Yamanaka A, Honma M, Onimaru H, Kikuchi T, Izumizaki M.
  • 雑誌名: Brain Res Bull. 巻: 177 ページ: 129-142
  • DOI: 10.1016/j.brainresbull.2021.09.019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of acetylcholine on hypoglossal and C4 nerve activity in brainstem-spinal cord preparations from newborn rat. (2021)
  • 著者名/発表者名: Katsuki S, Ikeda K, Onimaru H, Dohi K, Izumizaki M.
  • 雑誌名: Respir Physiol Neurobiol. 巻: 293 ページ: 103737-103737
  • DOI: 10.1016/j.resp.2021.103737
  • 査読あり
• [雑誌論文] Activation of Astrocytes in the Persistence of Post-hypoxic Respiratory Augmentation (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Isato、Takeda Kotaro、Pokorski Mieczyslaw、Kono Yosuke、Yoshizawa Masashi、Hasebe Yohei、Nakao Akito、Mori Yasuo、Onimaru Hiroshi、Okada Yasumasa
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: 12 ページ: 757731-757731
  • DOI: 10.3389/fphys.2021.757731
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Calcium Imaging Analysis of Cellular Responses to Hypercapnia and Hypoxia in the NTS of Newborn Rat Brainstem Preparation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Itaru Yazawa, Kotaro Takeda, Isato Fukushi and Yasumasa Okada
  • 雑誌名: Front. Physiol. 巻: 12 ページ: 1-11
  • DOI: 10.3389/fphys.2021.645904
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optogenetic Approach to Local Neuron Network Analysis of the Medullary Respiratory Center (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Keiko Ikeda
  • 雑誌名: Adv Exp Med Biol . 巻: 1293 ページ: 449-458
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_29
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural and functional connectivity from the dorsomedial hypothalamus to the ventral medulla as a chronological amplifier of sympathetic outflow. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kono Y, Yokota S, Fukushi I, Arima Y, Onimaru H, Okazaki S, Takeda K, Yazawa I, Yoshizawa M, Hasebe Y, Koizumi K, Pokorski M, Toda T, Sugita K, Okada Y.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 10 号: 1 ページ: 13325-13325
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70234-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rostral ventrolateral medulla neuron activity is suppressed by Klotho and stimulated by FGF23 in newborn Wistar rats (2020)
  • 著者名/発表者名: Oshima N, Onimaru H, Yamagata A, Ito S, Imakiire T, Kumagai H.
  • 雑誌名: Auton Neurosci 巻: 224 ページ: 102640-102640
  • DOI: 10.1016/j.autneu.2020.102640
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An aromatic substance, eugenol induces distinct depressant effects on respiratory activity in different postnatal developmental stages of the rat. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kotani S, Yazawa I, Onimaru H, Izumizaki M.
  • 雑誌名: Neurosci Res 巻: S0168-0102(19)30170-1 ページ: 20-26
  • DOI: 10.1016/j.neures.2019.06.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic analysis of respiratory neuronal networks in the ventral medulla of neonatal rats producing channelrhodopsin in Phox2b-positive cells. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikeda K, Igarashi H, Yawo H, Kobayashi K, Arata S, Kawakami K, Izumizaki M, Onimaru H.
  • 雑誌名: Pflugers Arch 巻: 471 号: 11-12 ページ: 1419-1439
  • DOI: 10.1007/s00424-019-02317-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural and functional defects of the respiratory neural system in the medulla and spinal cord of Pax6 mutant rats. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Keiko, Onimaru Hiroshi, Inada Hitoshi, Tien Lin Shih, Arata Satoru, Osumi Noriko
  • 雑誌名: Brain Research Bulletin 巻: 152 ページ: 107-116
  • DOI: 10.1016/j.brainresbull.2019.07.007
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Different impacts on brain function depending on the mode of delivery. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Keiko、Onimaru Hiroshi、Matsuura Tohru、Kawakami Kiyoshi
  • 雑誌名: Brain Research 巻: 1720 ページ: 146289-146289
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2019.06.008
  • 査読あり
• [学会発表] Activation of astrocytes in the ventrolateral medulla via PAR1 and modulation of respiratory rhythm in newborn rat brainstem-spinal cord preparations (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Isato Fukushi, Keiko Ikeda, Itaru Yazawa, Kotaro Takeda, Yasumasa Okada, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] Cell responses of the ventrolateral medulla induced by PAR1 activation and changes in respiratory rhythm in newborn rat en bloc preparations (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Isato Fukushi, Keiko Ikeda, Itaru Yazawa, Kotaro Takeda, Yasumasa Okada, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: The 15th Oxford conference
  • 国際学会
• [学会発表] Involvement of cannabinoid receptors in descending inhibition on spinal seizure-like activity in the phrenic output (2022)
  • 著者名/発表者名: Shih Tien Lin, Makito Iizuka, Shunya Yoda, Hiroshi Onimaru, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: The 15th Oxford conference
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Cisplatin on Respiratory Activity in Neonatal Rats (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinichiro Ota, Hiroshi Onimaru, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: The 15th Oxford conference
  • 国際学会
• [学会発表] Depression of respiratory activity by aconitine and its recovery by tetrodotoxin or lidocaine in brainstem-spinal cord preparations from newborn rats (2022)
  • 著者名/発表者名: Shunya Yoda, Hiroshi Onimaru, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: The 15th Oxford conference
  • 国際学会
• [学会発表] Cell responses of the ventrolateral medulla induced by PAR1 activation and changes in respiratory rhythm in newborn rat en bloc preparations (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Isato Fukushi, Keiko Ikeda, Itaru Yazawa, Kotaro Takeda, Yasumasa Okada, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: 第４５回日本神経科学大会
• [学会発表] Cellular mechanisms of hypoxia/hypercapnia reception in the medullary cardio-respiratory center (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Itaru Yazawa, Keiko Ikeda, Yasumasa Okada
  • 学会等名: 第98回日本生理学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] The role of monocarboxylate transporters in maintaining respiratory neuron activity (2020)
  • 著者名/発表者名: Sayumi Kotani, Shih Tien Lin, Hiroshi Onimaru, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: 第97回日本生理学会大会
• [学会発表] Involvement of the Phox2b-positive neurons located in the dorsal medulla in the sucking rhythm generation (2020)
  • 著者名/発表者名: Makito Iizuka, Keiko Ikeda，Hiroyuki Igarashi，Kazuto Kobayashi，Hiroshi Onimaru, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: 第97回日本生理学会大会
• [学会発表] Calcium imaging analysis of cellular responses to hypercapnia and hypoxia in the NTS of newborn rat brainstem preparation (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Itaru Yazawa, Kotaro Takeda, Isato Fukushi, Yasumasa Okada
  • 学会等名: 第43回日本神経科学会
• [学会発表] Effects of Cisplatin on Central Respiratory Activity of Neonatal Rat (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinichiro Ota, Hiroshi Onimaru, Kamon Iigaya, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: 第43回日本神経科学会
• [学会発表] Responses to hypercapnia and hypoxia of neurons in the cardio-respiratory center of the ventral medulla of newborn rats (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Keiko Ikeda, Hiroyuki Igarashi, Hiromu Yawo, Kazuto Kobayashi, Satoru Arata, Kiyoshi Kawakami, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: 10th IBRO
  • 国際学会
• [学会発表] Responses to hypercapnia and hypoxia of Phox2b-positive cells in the ventral medulla of newborn rats (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Keiko Ikeda, Hiroyuki Igarashi, Hiromu Yawo, Kazuto Kobayashi, Satoru Arata, Kiyoshi Kawakami, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: FAOPS
  • 国際学会
• [学会発表] Optogenetic analysis of the respiratory center neuron networks of transgenic neonatal rats that produce channelrhodopsin in Phox2b-positive cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onimaru, Keiko Ikeda, Hiroyuki Igarashi, Hiromu Yawo, Kazuto Kobayashi, Satoru Arata, Kiyoshi Kawakami, Masahiko Izumizaki
  • 学会等名: 第42回日本神経科学会
• [図書] 動物の事典 第６章 動物の生理 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鬼丸 洋
  • 総ページ数: 3
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254171662