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2018 年度 実績報告書

神経行動形質を決定付ける遺伝子―環境相互作用の細胞機構

研究課題

研究課題/領域番号 16H06371
研究機関国立研究開発法人情報通信研究機構

研究代表者

山元 大輔  国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所, 上席研究員 (50318812)

研究分担者 木村 賢一  北海道教育大学, 教育学部, 教授 (80214873)
研究期間 (年度) 2016-05-31 – 2021-03-31
キーワード神経可塑性
研究実績の概要

脳のlateral protocerebrumと呼ばれる領域を支配する20個の雄特異的介在ニューロンからなるP1クラスターが雄の求愛行動を開始させることは、我々や他の研究グループによって繰り返し確認されている。しかし、P1ニューロンが求愛解発刺激を統合し、求愛の意志決定を実行する細胞機構については、ほとんど不明であった。その解明には、P1ニューロンでの情報演算の過程を電気現象としてとらえることが不可欠である。しかし、ショウジョウバエ中枢ニューロンからの細胞内電位記録は技術的に難しいため報告はわずかしかなく、特にP1ニューロンからは、成功例がこれまでなかった。我々は、被験個体の頭部背側のクチクラを一部切り取って脳を露出させ、露出部のみを人工液で灌流しつつ、GFP標識したP1ニューロンに顕微鏡下で電極を誘導する手法を確立した。このようにin vivo whole cell patch clamp下に置かれた被験個体は脚を自由に動かして“行動”し、1時間程度にわたって単一細胞からの電気活動記録が可能であった。これによりP1ニューロンの電気生理学的特性を定量的に解析することが可能となり、単独飼育個体と集団飼育個体の複数個体から記録を得て、飼育条件(社会経験剥奪の有無)がもたらす特性変化を発見した。P1ニューロンからのwhole-cell patch-clamp記録により、膜電位固定下で記録されるのは主に3種の外向きK+電流であった。重要な点は、集団生活個体と隔離個体とを比較するとそれぞれのK+電流成分が占める割合(電流密度)は明確に異なっていたことである。興味深いことに、野生型とfruitless変異体とでは、異なるK+成分が経験依存的に変化した。これらの結果から、P1ニューロンに集団経験を記録する一つの機構は、K+電流の修飾であると考えられる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

運動視感覚情報の処理に関わるニューロンのCa2+イメージングによる活動記録を光遺伝学的による行動の強制誘導実験と合わせて実施し、大きな成果が上がった。さらに活動中のニューロンのシナプス後細胞を標識するtrans-Tango法(Talay et al., 2017, Neuron 96, 783-795)が新たに利用可能となったため、この解析はさらに加速される。また、in vivo whole cell patch-clampによる電気活動記録は、P1という小型で非スパイク発生型の介在ニューロンという不利な条件にも拘らず十分に安定した記録が取れており、さらには社会経験の有無に依存した非シナプス性電流に明確な変化を見出している。したがって、実験計画のうちの最も予測困難なハードルは超えたといえる。こうした理由から、特に細胞レベルの研究が順調に進んだと考えている。

今後の研究の推進方策

コアプロモータ因子として知られるTRF2(正の転写因子)が、FruM標的遺伝子のrobo1のプロモータ中の TCT-DREAM配列(FruM結合配列に隣接)に結合することを見出した。結合の結果、FruMの転写抑制作用が強められ、性差のある神経突起の形成が起こる(及び末端部構造が変化する)ことを発見した。もう一つの発見は、FruMが転写因子としてではない別の作用を持つことである。すなわち、同じBTB-zinc finger familyに属するLolaタンパク質のアイソフォームの一つ、LolaQが、雄では完全長で発現してニューロン突起を誘導する(雄化因子として機能)のに対し、雌ではN末端263残基がユビキチンプロテアソーム系によって取り除かれて雌化因子となり、突起形成が抑制される。加えて、雄では雄特異的タンパク質であるFruMがLolaQのN末にBTBドメインを介して結合し、LolaQを分解から守っていること(FruMの新規の機能)が判明した。全長型LolaQがFruM標的遺伝子であるrobo1のプロモータに結合して転写を抑制するが、このLolaQ結合サイトはFruM結合サイトのすぐ隣にあることを明らかにした。このようなFruM結合サイトを挟んで存在する二つの協力因子の標的配列は、行動変容に伴って転写レベルの変化する遺伝子群のうちのどれが本命なのかを知る上で極めて有益な特徴であろう。現在、経験依存的な行動変化をもたらす転写レベルの変化をPolII結合プロファイル解析によって捉えるべく実験を進めており、そこで浮上してくる候補遺伝子を“3種のコンセンサス配列の有無”という踏み絵によって分別することで、遺伝子候補の絞り込みは効率的に実行できると考えている。

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 5件、 招待講演 7件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] The desaturase1 gene affects reproduction before, during and after copulation in Drosophila melanogaster.2019

    • 著者名/発表者名
      Nojima T, Chauvel I, Houot B, Bousquet F, Farine JP, Everaerts C, Yamamoto D, Ferveur JF.
    • 雑誌名

      J. Neurogenet.

      巻: - ページ: -

    • DOI

      doi: 10.1080/01677063.2018.1559843.

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Partial proteasomal degradation of Lola triggers the male-to-female switch of a dimorphic courtship circuit.2019

    • 著者名/発表者名
      Sato K, Ito H, Yokoyama A, Toba G, Yamamoto D.
    • 雑誌名

      Nature Commun.

      巻: 10 ページ: 166

    • DOI

      doi: 10.1038/s41467-018-08146-1.

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A novel sex difference in Drosophila contact chemosensory neurons unveiled using single cell labeling.2018

    • 著者名/発表者名
      Kimura KI, Urushizaki A, Sato C, Yamamoto D.
    • 雑誌名

      J. Neurogenet.

      巻: - ページ: -

    • DOI

      doi: 10.1080/01677063.2018.1531858.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Antennae sense heat stress to inhibit mating and promote escaping in Drosophila females.2018

    • 著者名/発表者名
      Miwa Y, Koganezawa M, Yamamoto D.
    • 雑誌名

      J. Neurogenet.

      巻: 32 ページ: 353-363

    • DOI

      doi: 10.1080/01677063.2018.1513507.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Genetic dissection of stress-induced reproductive arrest in Drosophila melanogaster females.2018

    • 著者名/発表者名
      Ojima N, Hara Y, Ito H, Yamamoto D.
    • 雑誌名

      PLoS Genet.

      巻: 14 ページ: e1007434

    • DOI

      doi: 10.1371/journal.pgen.1007434.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The Wolbachia protein TomO interacts with a host RNA to induce polarization defects in Drosophila oocytes.2018

    • 著者名/発表者名
      Ote M, Yamamoto D.
    • 雑誌名

      Arch Insect Biochem Physiol.

      巻: 99 ページ: e21475

    • DOI

      doi: 10.1002/arch.21475.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancing Nanos expression via the bacterial TomO protein is a conserved strategy used by the symbiont Wolbachia to fuel germ stem cell maintenance in infected Drosophila females.2018

    • 著者名/発表者名
      Ote M, Yamamoto D.
    • 雑誌名

      Arch Insect Biochem Physiol.

      巻: 98 ページ: e21471

    • DOI

      doi: 10.1002/arch.21471.

    • 査読あり
  • [学会発表] ショウジョウバエの性行動進化解明に向けたEvo-Devo-Neuroアプローチの提唱2019

    • 著者名/発表者名
      山元大輔
    • 学会等名
      第66回日本生態学会大会、シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] The fruitless-labelled courtship circuit: conserved and diversified.2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, D.
    • 学会等名
      The 2nd Asia-Pacific Drosophila Neuroscience Conference. Academia Sinica, Taipei, Taiwan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasticity of innate courtship behavior and its neural substrate in flies.2018

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, D.
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] ショウジョウバエ非モデル種を用いた求愛行動の進化をもたらす分子・神経メカニズム2018

    • 著者名/発表者名
      田中良弥、樋口智大、古波津創、佐藤耕世、粟崎健、山元大輔
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会、シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] ショウジョウバエ雄の同性愛行動を抑制するDE細胞2018

    • 著者名/発表者名
      山田芳、田中陵暉、山元大輔、中越秀樹
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] キイロショウジョウバエ運動神経の活動抑制は雄特異的筋の形成を阻害する2018

    • 著者名/発表者名
      木村賢一、熊野梨美、山元大輔
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] Identification of visual interneurons that mediate courtship following in Drosophila.2018

    • 著者名/発表者名
      Kohatsu, S. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      Cold Spring Harbor Asia Conference: Latest Advances in Development & Function of Neuronal Circuits,
    • 国際学会
  • [学会発表] Searching for neurons regulating sexual receptivity in Drosophila females.2018

    • 著者名/発表者名
      Miwa, Y., Koganezawa, M. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      International Symposium on individuality
    • 国際学会
  • [学会発表] Studying a mini-brain of insects for the understanding of mechanisms underlying perceptual decision-making.2018

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, D.
    • 学会等名
      MOST-NICT Joint Workshop on AI for ICT, GIS NTU Convention Center, Taipei, Taiwan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 環境ストレスによって雌の性的受容性が変化する機構2018

    • 著者名/発表者名
      三輪祐輔、小金澤雅之、山元大輔
    • 学会等名
      次世代脳プロジェクト第3回シンポジウム、東京
  • [学会発表] A brain interneuron shaping the species-specific courtship pattern in Drosophila.2018

    • 著者名/発表者名
      Koganezawa, M., Suzuki, T. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      第40回日本比較生理生化学会大会、神戸
  • [学会発表] Identification of interneuron subsets that mediate vision-dependent courtship following in Drosophila2018

    • 著者名/発表者名
      Kohatsu, S. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      第40回日本比較生理生化学会大会、神戸
  • [学会発表] Acclimatization to cold temperature of brain insulin neurons drives reproductive dormancy2018

    • 著者名/発表者名
      Hara, Y., Ojima, N., Ito, H. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      第13回日本ショウジョウバエ研究会、京都
  • [学会発表] The neural mechanism underlying evolution of mating preference2018

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa, Y., Maeda, N., Mochizuki, K., Nomura, G., Kamikouchi, A. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      The 46th Naito Conference: Mechanisms of Evolution and Biodiversity
    • 国際学会
  • [学会発表] An attempt to identify the neurons that are responsible for species-specific behavior using the flip-out mosaicism in Drosophila subobscura.2018

    • 著者名/発表者名
      Tanaka, R., Higuchi, T., Kohatsu, S., Sato, K., Awasaki, T. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      第13回日本ショウジョウバエ研究会、京都
  • [学会発表] 行動の種特異性を規定する神経メカニズム-ショウジョウバエの求愛行動を用いた取り組み2018

    • 著者名/発表者名
      田中良弥、樋口智大、古波津創、佐藤耕世、粟崎健、山元大輔
    • 学会等名
      日本進化学会第20回大会、東京
  • [学会発表] Experience-Dependent Nonsynaptic Plasticity in Drosophila Central Brain Neurons.2018

    • 著者名/発表者名
      Rindner, D., Hara, Y. and Yamamoto, D.
    • 学会等名
      第41回日本神経科学大会、神戸
  • [学会発表] ショウジョウバエ性行動を制御する神経回路と進化2018

    • 著者名/発表者名
      山元大輔
    • 学会等名
      第26回日本ステロイドホルモン学会学術集会、幕張
    • 招待講演
  • [学会発表] ショウジョウバエで解き明かす性行動の脳内回路と遺伝子制御2018

    • 著者名/発表者名
      山元大輔
    • 学会等名
      プロゲストーゲン研究会、台場
    • 招待講演
  • [備考] 山元研究室

    • URL

      http://www2.nict.go.jp/frontier/evoneuro/index.html

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公開日: 2019-12-27  

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