...

前頭前野セロトニン・ドーパミン系と グルタミン酸神経伝達系

by user

on
Category: Documents
1

views

Report

Comments

Transcript

前頭前野セロトニン・ドーパミン系と グルタミン酸神経伝達系
2.疲労及び疲労感の分子・神経メカニズムの解明
2.1.疲労感の脳担当部位とその役割の解明
2.1.2.前頭前野セロトニン・ドーパミン系とグルタミン酸神経伝達系の関連
筑波大学・基礎医学系
(1)要
岡 戸 信 男
約
セロトニン関連遺伝子の慢性疲労症候群患者(CFS)に於ける多型性分布は、
対照群に比較してセロトニントランスポーター遺伝子のプロモーターのみに統
計学的な差異が見いだされた。一方、哺乳類新規神経ペプチドの候補としてヒ
ドラペプチド Hym176 として明らかにされているペプチドの相同物質が同定さ
れた。陽性細胞は視床下部弓状核にあり陽性線維は視床下部や坐座核などに分
布していた。Hym176 をラット脳室に投与するとセロトニンとドーパミン脳内動
態が変化した。
(2)研究目的
CFS の発症機構のなかで前頭前野のセロトニン・ドーパミン神経系は、グル
タミン酸神経伝達との関連で詳細に検討を要する重要な研究課題である。セロ
トニン・ドーパミン神経系はこれまでに担当研究者による研究でグルタミン酸
神経伝達をはじめとする点対点型神経回路のシナプス数を調節する機能をもつ
広範投射系神経系として位置づけられてきた(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)。100
0億もの神経細胞によってできているヒトの脳には広範投射系とされる神経細
胞は数万しかないが、それら少数の神経細胞からでた線維は脳全体に広く分布
している。コンピューター型の点対点回路とは異なり広範投射系型回路は動物
の脳にしかない。
セロトニン・ドーパミンなどの生体アミン系は精神分裂病、うつ病、知的障
害など精神機能やこころの病と深くかかわることが知られていた。しかし、生
体アミン神経系のもつ新しい調節機構を明らかにしなければ CFS の発症機構の
解明には迫れない。数多くの機構のうち現在最も重要と考えられる二つの課題
に関して解析を加えることを目的とした。
第一には、従来のリガンドと受容体との機構で作用機序を理解してきたが、
その他にセロトニンの作用機序を調節する新しい物質、セロトニントランスポ
ーター(5-HTT)の登場である。セロトニン線維から細胞外に放出されたセロト
ニンが受容体に作用して機能を発揮している状態のセロトニンを再利用するた
149
めに、再びセロトニン線維内に運び込み役目をしている。即ち、5-HTT はセロ
トニンの働きを中断することによりセロトニン機能の調節を行っている。
5-HTT の遺伝子に塩基配列の異なるものが何種類かあることが、1996年
にドイツのレッシュらの研究で明らかになった(8)。5-HTT 蛋白を作るための
遺伝子のプロモーターに塩基の繰り返しがあり、それが14回繰り返す S
(short)と16回の L(long)タイプである。ヒトでは S と L が多い。さらに S と
L に比べれば頻度は少ないが、18回または20回繰り返す XL (extra long)
タイプがある。こうしたことを一般に遺伝子多型性とよんでいる。
5-HTT の多型遺伝子のそれぞれのタイプは、機能を異にしている可能性が示
されている。核内の染色体上の DNA 情報はメッセンジャーRNA に読みとられる。
そしてメッセンジャーRNA は核を出て細胞質 に移動して、メッセンジャーRNA
に書き移された遺伝情報に基づき、アミノ酸が組み合わさって、それぞれ個別
の蛋白質が作られる。プロモーターは DNA からメッセンジャーRNA に情報が読
みとられる効率を調節する部位である。L 型をもつプロモーターでは S 型に比
べ、読みとり効率が高く、メッセンジャーRNA が多くなり、最終産物の 5-HTT
蛋白が L 型では多量に生産される。従って L 型を持つヒトの脳内では、5-HTT
蛋白が多く、細胞外のセロトニンがセロトニン線維内に向かってより多く運ば
れ、結果的に細胞外でのセロトニン量が減少して、セロトニンが受容体に作用
してセロトニンが機能を果たしづらくなる。XL ではどうかというと、現在研究
中であり結果はまだ分からないけれども、XL 保有者の血液中のセロトニン濃度
が低いので、恐らくは脳内濃度も低下していると考えている。慢性疲労症候群
でもその発症メカニズムにセロトニンが関わることが示唆される研究がある
(9)。そのため本研究の第一の目的は CFS に罹患した患者のセロトニン関連遺
伝子の多型性として、5-HTT プロモーター遺伝子の他に 5-HTTintron(11/11、
11/9、9/9)と 2A 受容体(A/A、A/G、G/G)の多型性に関しても検討を加えた。
慢性疲労症候群に関わる発症機構の解明の第2の課題として本研究では次の
課題の解明を目的とした。セロトニンとドーパミン線維を送り出す起始核はそ
れぞれ中脳の縫線核と前被蓋野にある。その両者の起始核の調節機構として未
知のペプチドが機能している可能性が考えられる。ペピチドは生体アミンの数
千分の1の濃度、グルタメイトに比べれば数十万分の1の濃度しかない極めて
少ない濃度でしか存在しない物質である。現在では少量しかない哺乳類新規神
経ペプチドの発見には新しい研究戦略が必要とされる。本研究ではその為にヒ
150
ドラペプチドの抗体を利用して哺乳類新規神経ペプチドの探索を試みた。ヒド
ラは神経系をもつ動物の中で最も原始的な腔腸動物である。このヒドラから網
羅的にペプチドを単離する研究が始まり、最終的にヒドラには1300種類の
ペプチドが存在することが考えられている(10)。本研究ではヒドラペプチドの
研究で発見されたペプチドの抗体をマウス脳に免疫組織化学法を施し、その組
織学的反応パターンから新規ペプチドの存在を予想し、新規ペプチドの単離を
試みた。
(3)研究方法
1)疲労症候群患者と対照群でのセロトニン関連遺伝子多型性の分析
血液から genomicDNA を採取して 5-HTT プロモーター、5-HTTintron 2、セロ
トニン 2A 受容体蛋白をコードする遺伝子を PCR で増やした。この産物を2%
アーガロースゲル電気泳動を行い、多型性を解析した。
2)新規哺乳類神経ペプチドの探索
抗ヒドラペプチド抗体をマウス脳に用いた免疫組織化学的検索
C 末 が PKVamide と な っ て い る ヒ ド ラ ペ プ チ ド の ア ミ ノ 酸 配 列 は 、
Ala-Pro-Phe-Ile-Phe-Pro-Gly-Pro-Lys-Val-amide である。PKVamide を認識す
るポリクローナル抗体を福岡女子大学小泉修教授より供与された。成体マウス
を深麻酔下でザンボニ液により灌流固定して脳を取り出し、数時間の後固定を
行う。凍結ミクロトームで30—40μm 厚の前額断連続切片を作成した。第
一次抗体を5000—10000倍の希釈で浮遊切片に作用させ、ABC 法で反
応した。反応後、切片をゲラチン処理スライドグラスに張り付け脱水してカバ
ーグラスをかぶせて検鏡した。
新規哺乳類新規神経ペプチドの単離
抗 PKVamide ヒドラペプチド抗体で認識される神経ペプチドを抽出する為に、
熱酢酸法により粗ペプチド分画を抽出した。その後、逆相カラム PepMapC18 を
用いた高速液体クロマトグラフィー(HPLC)と、抗 PKVamide 抗体を用いた競合
的 ELISA を組み合わせて精製を行った。HPLC で得られた全ての分画について競
合的 ELISA を行い、陽性を示した分画を次の HPLC に使用した。このスクリー
ニングを三段階行い、強く反応する1分画を得て、アミノ酸配列分析を行った。
ウ)ヒドラペプチド PKVamide の哺乳類での生理機能
生理機能を調べる為に PKVamide を尾静脈または側脳室に投与して、15分
151
—1時間後に血中脳下垂体前葉ホルモンの定量を行った。またモノアミン代謝
への影響を調べる為に、電気検出器付き HPLC でモノアミンと代謝物の定量を
行った。
(4)研究成果
1)
CFS のセロトニン関連遺伝子多型性
セロトニン関連遺伝子の多型性は 5-HTT のみに CFS と対照群との間に統計学
的差異が認められた。CFS57人、対照群115人の血液サンプルから DNA を抽
出して、PCR で対象遺伝子部位を増幅して電気泳動で多型性を調べた。CFS の
5-HTT では S と L がそれぞれ 21.9 %、78.1 %であった。
対照群では S と L が
それぞれ 13.5 %、85.7 %であり、統計学的に有意差が認められた(p < 0.05)。
2)新規哺乳類神経ペプチドの探索
抗ヒドラペプチド抗体をマウス脳に用いた免疫組織化学的検索
こ れ ま で の 研 究 で は PKVamide に 関 す る 解 析 が 進 ん で い る の で 、 こ こ で は
PKVamide について述べる。以下のスキームはマウス脳前額断切片で陽性細胞の
出現した部位を三角で、陽性線維の観察される部位を丸で表している。切片の
スキームは吻側から尾側方向に向かって並べられている。各脳部位を表す略字
は以下の部位を表す。
Acb:坐座核、AH:視床下部前部、Arc:弓状核、BMA:扁桃体基底内側核、BST:
基底核、Ce:扁桃体中心核、DM:背内側核、DMPAG:中心灰白質背内側部、LDTg:
背外側被蓋核、LPAG:中心灰白質外側部、LS:外側中殻核、MeA:内側扁桃体核、
MPO:内側前視索核、Pa:視床下部室傍核、Pe:視床下部脳室周囲核、PV:視床
室傍核、VTA:腹側被蓋野
152
153
154
155
156
157
新規哺乳類新規神経ペプチドの単離
第1段階目の精製:粗ペプチド分画を逆相カラムで分画した。各分画の競合
ELISA による免疫活性の測定し、陽性分画を同定した。第一段階の25—31
番分画を逆相カラムで分画した結果、競合的 ELISA により9—13分画に免疫
活性が認められた。第二段階の9—13分画を逆相カラムで精製した結果、1
3番分画のアミノ酸配列を決定した。
アミノ酸配列は現在まで N 末から38残基まで決定した。その結果、既知の
蛋白の一部が塩基性アミノ酸が二つ続く部分からプロッセッシングされて生じ
た40残基のペプチドと考えられる。
ウ)ヒドラペプチド PKVamide の哺乳類での生理機能
ヒドラペプチドをラットに投与すると、脳下垂体ホルモンでは成長ホルモン
の血中濃度が50%増加した。脳室内への投与では脳内セロトニン濃度が
20%低下し、ドーパミン代謝率が2倍に増加した。
(5)考
察
1)CFS の 5-HTT 遺伝子多型性のパターンは対照群と有意に異なることが
明らかとなった。その結果、CFS の発症にセロトニン神経系が何らかのかたち
で関与していることが示唆された。運動後の疲労状態で脳内セロトニン濃度が
上昇することから、これまでに CFS へのセロトニンの関与が指摘されてきた。
これまで原因が不明であった乳幼児突然死症候群(SIDS)でも、5-HTT の遺
伝子に特徴的な分布があり、セロトニンがその発症機序に重要な役割を果たし
ていることが、最近発表された我々の研究で明らかにされた(11)。しかし、
SIDS では 5-HTT の遺伝的要因に加えて、危険因子とされる環境要因や時期的要
因が相加的になって、呼吸中枢での最大の興奮性入力であるセロトニンの機能
を低下させることが、発症の要因となると考えられている。CFS でも 5-HTT の
遺伝的要因に加えて環境要因と時期的要因が発症の基盤をなすと推測される。
CFS では各種のウイルス感染を示す抗体が患者血清中に検出され、ウイルス感
染が病態の発症機序の一部であることが指摘されてきた。ウイルス感染が脳内
セロトニン濃度を上昇させる要素となっていることを考え合わせると CFS の発
症機序を考える上で興味深い。
158
2) ヒドラペプチドに対する抗体で免疫陽性反応を示した細胞体と線維の分
布は、これまでの報告のある proopiomelanocortin(POMC)とほとんど一致し
ている。しかし、POMC と PKVamide では抗体が認識する C 末の2—3アミノ酸
の組成が全く異なることから POMC 以外のペプチドである可能性が高い。事実、
HPLC で分離したペプチドの配列は POMC とは全く異なることから40アミノ酸
からなる新しい哺乳類神経ペプチドであると考えられる。
PKVamide の 脳 室 内 注 入 に よ り セ ロ ト ニ ン と ド ー パ ミ ン の 脳 内 濃 度 が 変 化 し
たことから、当初目的としたモノアミン系の調節機能を有する新規ペプチドが
存在する可能性がある。
ペプチドの脳内濃度はモノアミンの数千分の1、グルタメイトの数十万分の1
と極めて微量である。その為に新しいペプチドの発見にはこれまで時として数
万頭の動物を使用してきた。しかし、そうした従来の研究戦略では脳の広い部
位に比較的多くあるペプチドのみしか発見できなかった。限られた系や少ない
部位にある少量のペプチドを見いだすには従来とは異なる新しい戦略が必要に
なっている。本研究で試みた方法は神経系を持つ動物のうちで最も原始的であ
るヒドラのペプチドに対する抗体を利用する全く新しい戦略と言える。ヒドラ
には推定で1300種類のペプチドがあり、現在も進んでいる網羅的なヒドラ
ペプチドの単離により、多くの哺乳類神経ペプチドの発見につながる可能性が
ある。
(6)引用文献
(1) Okado, N., Cheng, L., Tanatsugu, Y., Hamada, S., and Hmaguchi, K.
Synapse loss following removal of serotoninergic fibers in newly
hatched and adult chickens. J. Neurobiol., 24: 687-698, (1993)
(2) Chen, L., Hamaguchi, K., Ogawa, M., Hamada, S., and Okado, N., PCPA
reduces both
monoaminergic afferents and nonmonoaminergic snapses in
the cerebral (cortex. Neurosci. Res., 19: 111-115, (1994)
(3) Niitsu, Y., Hamada, S., Hamaguchi, K., Mikuni, M., and Okado, N.,
Regulation of synapse density by 5-HHT2A receptor agonist and
antagonist in the spinal cord of chickn embryo. Neurosci. Lett., 195:
159-162, 1995
(4) Chen, L., Hamaguchi, K., Hamada, S., and Okado, N., Regional
159
differences of serotonin-mediated synaptic plasticity in the chicken
spinal cord with development and aging. J. Transplant. Plast., 6: 41-48,
(1997)
(5) Matsukawa, M., Ogawa, M., Nakadate, K., Maeshima ,T., Ichitani,
Y.,
Kawai, N., and Okado, N., Serotonin and acetylcholine are crucial
to maintain hippocampal synapses and memory acquisition. Neurosci.
Lett., 230:13-16, (1997)
(6) Hayashi, A., Nagaoka, M., Yamada, K., Ichitani, Y., Miake, Y., and
Okado,N., Maternal stress induces synaptic loss and developmental
disabilities of offspring. Int. J. Dev. Neuroscience, 16:209-216,
(1998)
(7) Shutoh, F., Hamada, S., Shibata, M., Narita, M., Shiga, T., Azmitia
and Okado, N., Long term depletion of serotonin leads to selective
changes in glutamate receptor subunits. Neurosci. Res., 38:365-371,
(2000)
(8) Lesch K-P , Mosser R Genetically driven variation in serotonin
uptake: Is there a link to affective spectrum, neurodevelopmental, and
neurodegenerative disorders ? Biol Psychiatry 44 :179-192 (1998)
(9) Cleare AJ, Bearn J, Allain T, McGregor A, Wessely S, Murray RM,
O'Keane V. Contrasting neuroendocrine responses in depression and
chronic fatigue syndrome. J Affect Disord 34:283-289 (1995)
(10)Takahashi T, Muneoka Y, Lohmann J, Lopez de Haro MS, Solleder G,
Bosch TC, David CN, Bode HR, Koizumi O, Shimizu H, Hatta M, Fujisawa
T, Sugiyama T. Systematic isolation of peptide signal molecules
regulating development in hydra: LWamide and PW families. Proc Natl
Acad Sci U S A 94:1241-1246 (1997)
(11)Narita N, Narita M, Takashima S, Nakayama M, Nagai T, Okado N
Serotonin transporter gene variation is a risk factor for sudden infant
death syndrome in Japanese population. Pediatrics
107 :690-692 (2000)
(7)成果の発表
1)原著論文による発表
160
ア)国内誌(国内英文誌を含む)
Okado N, Narita M, Narita N
(2001) A biogenic amine-synapse mechanism
for mental retardation and developmental disabilities. Brain Devel,
23:S11-S15
イ)国外誌
(1) Okado N, Narita M, Nartita N
by finding clear mutual
(2001) A serotonin malfunction hypothesis
relationships
between several risk factors
and symptoms associated with sudden infant death syndrome. Med Hypoth, (in
press)
(2)Yamaguchi M, Suzuki T, Abe S, Baba A, Hori T, Okado N. (2002)
Repeatedcocaine administration increases BAGAB(1) subunit m RNA rat brain.
Synapse (in press)
(3) Naka, F., Shiga, T., Yaguchi, M., and Okado, N. (2002) Enriched
environments increase noradrenaline contents in the mouse brain.
Brain
Res. 924:124-126
(4)
Abe S, Suzuki T, Ito T, Yamaguchi M, Baba A, Hori T, Kurita H,
Shiraishi H, Okado N.
(2001) Effects of single and repeated phencyclidine
administration on the expression of metabotropic glutamate receptor
subtype mRNAs in rat brain. Neuropsychopharmacology. 25(2):173-184.
(5) Sakata-Haga H, Kanemoto M, Maruyama D, Hoshi K, Mogi K, Narita M, Okado
N, Ikeda Y, Nogami H, Fukui Y, Kojima I, Takeda J, Hisano S. (2001)
Differential localization and colocalization of two neuron-types of
sodium-dependent inorganic phosphate cotransporters in rat forebrain.
Brain Res. 902(2):143-55.
(6) Narita N, Narita M, Takashima S, Nakayama M, Nagai T, Okado N. (2001)
Serotonin transporter gene variation is a risk factor for sudden infant
death syndrome in the Japanese population.
Pediatrics. 107(4):690-2.
(7) Maxishima M, Shiga T, Shutoh F, Hamada S, Maeshima T, Okado N. (2001)
Serotonin 2A receptor-like immunoreactivity is detected in astrocytes but
not in oligodendrocytes of rat spinal cord.
Brain Res. 889(1-2):270-3.
(8) Shutoh F, Hamada S, Shibata M, Narita M, Shiga T, Azmitia EC, Okado
N
(2000) Long term depletion of serotonin leads to selective changes in
161
glutamate receptor subunits. Neurosci Res.
38(4):365-71.
(9) Yamaguchi M, Suzuki T, Abe S, Baba A, Ito T, Okado N. (2000) Time-course
effects of a single administration of cocaine on receptor binding and
subunit
mRNAs
of
GABA(A)
receptors.
Brain
Res
Mol
Brain
Res.
81(1-2):155-63.
(10) Masuda T, Okado N, Shiga T. (2000) The involvement of axonin-1/SC2
in mediating notochord-derived chemorepulsive activities for dorsal root
ganglion neurites. Dev Biol. 224(2):112-21.
(11) Ikemoto K, Nishimura A, Okado N, Mikuni M, Nishi K, Nagatsu I. (2000)
Human midbrain
dopamine neurons express serotonin 2A receptor: an
immunohistochemical demonstration.
Brain Res. 853(2):377-80.
(12) Maeshima, T., Ito, R., Matsukawa, M., Usuba, M., and Okado, N., (1999)
The central distribution pattern of primary afferent fibers innervating
the thigh muscle posterior iliotibialis in the chicken. J. Brain Res.,
3:389-390
2)原著論文以外による発表(レビュー等)
ア)国内誌(国内英文誌を含む)
発表者名:「発表題名」、発表誌名等〔誌名、掲載号、(掲載年)〕
イ)国外誌
発表者名:「発表題名」、発表誌名等〔誌名、掲載号、(掲載年)〕
3)口頭発表
ア)招待講演
岡戸信男:Synaptic Plasticity by Biogenic Amines 、Experimental Biology
99,
1999年4月17日
Washington DC, Symposium on Regulatory
mechanisms underlying adult rat and human brain dynamics
岡戸信男:生体アミンによるシナプスの形成維持機能動物学会、平成11年 9
月26日、山形大学
岡戸信男:情動とセロトニン、平成11年度
JST 異分野研究者交流促進事業
ワークショップ 「脳のこころ」、平成11年 9 月22日
湘南国際村センター
162
岡戸信男:生体アミンによるシナプスの形成維持、平成11年度
研究者交流促進事業
ワークショップ
「情と意」
JST 異分野
平成11年10月10日
大磯プリンスホテル
岡 戸 信 男 : Synaptic Mechanism for Mental Retardation and Developmental
Disabilities、 Science Frontier Tsukuba 999、平成
11年11月18日
筑
波国際会議場
岡戸信男:The Early Lesions of the Aminergic Neurons and Behavior、レッ
ト症候群
2000国際会議サテライトシンポジウム、平成12年7月24
日、軽井沢プリンスホテル
岡戸信男:The Synaptic Mechanism for Developmental Disabilities、平成1
2年度
JST 異分野研究者交流促進事業
ワークショップ、
「脳を育む、学習の
科学、平成11年度11月24日、大磯プリンスホテル
岡戸信男:生体アミン神経系の機能障害から子供の脳を守る:精神遅滞・発達
障害と乳幼児突然死症候群の発症機構、第1回日本赤ちゃん学会、シンポジウ
ム:3歳児神話を検証する、基礎医学の立場から、平成13年4月10日、早
稲田大学国際会議場
イ)応募・主催講演等
Hamada S, Narita M, Okado N. (1999) Identification of rat cerebellar subtype of
serotonin 2A receptor. Abst Soc Neurosci 484.6
Masuda T, Okado N, Shiga T. (1999) Involvement of axonin-1/SC2 in mediating the
notochord-derived chemorepulsive activities for dorsal root ganglion axons. Abst Soc
Neurosci, 511.3
163
Shutoh F, Hamada S, Narita M, Okado N (1999) Ketanserin modulates GluR2/3
receptor expression in the rat cerebral cortex. Abst Soc Neurosci 710.3
Yaguchi M, Narita M, Maeshima T, Shutoh F, Okado N. (2000) Evaluation of
5-hydroxytryptamine metabolism in the brain of apolipoprotein E-deficient mice.
Abst Soc Neurosci, 665.13
Yaguchi M, Ishihara I, Shiga T, Okado N. (2001) Spacial Working memory was
maintained in mature rats by noradrenaline removal. Abst Soc Neurosci, 77.13
4)特許等出願等
出願年月日、「出願名称」、出願者氏名、特許等番号
5)受賞等
受賞者名:「件名」、受賞年月日等
164
Fly UP