研究室・教員

研究室紹介

生物機能開発利用研究センター Bioscience and Biotechnology Center
動物器官機能学グループ Group of Animal Organ Functions

教授
日比 正彦脳の高次構造形成機構の解析
准教授
清水 貴史小脳神経回路の機能解析
助教
橋本 寿史神経堤細胞の分化制御機構の解析
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English
日比 正彦教授
研究室のメンバー

脊椎動物において、受精卵から複雑な構造と機能を有する器官が形成する過程は、正確に制御されています。私達の研究室では、ゼブラフィッシュやメダカ等の小型魚類を用いて、大きく二つの研究テーマで、脊椎動物の器官形成および機能を制御する分子メカニズムの解析を行っています。一つは、動物の複雑な行動を制御する神経回路に関する研究です。発生過程において、神経組織では前後軸に沿って個々の神経領域が決定され、その領域で神経幹細胞または神経前駆細胞が産生されます。ニューロンは、これらの細胞から産生され、細胞移動しながら神経突起を伸長し神経回路を形成します。本研究室では、神経回路のモデルとして、小脳に焦点を当て研究を進めています。小脳神経回路形成の分子メカニズムを理解するとともに、運動学習や恐怖応答学習等の高次機能における小脳神経回路の役割の解明を目指しています。もう一つのテーマとして、神経堤細胞の分化機構の解析を行っています。神経堤細胞は、脊椎動物初期胚の背側に形成される幹細胞ですが、色素細胞を含む種々の細胞種に分化します。神経堤細胞から多様な細胞へ分化過程を制御する遺伝子カスケードの解明を行っています。

神経発生―小脳発生

脊椎動物の小脳は後脳の前端背側部に由来しますが、小脳および小脳神経回路の構想は、魚類から哺乳類まで比較的保存されています。発生過程において、小脳の主要ニューロンである顆粒細胞とプルキンエ細胞は、異なる神経前駆細胞から産生されます。グルタミン作動性ニューロンである顆粒細胞は小脳原基背側に位置する上菱脳唇から、GABA作動性ニューロンであるプルキンエ細胞は小脳原基腹側の脳室帯から産生されます。顆粒細胞とプルキンエ細胞は小脳外から異なる二つの入力線維(苔状線維と登上線維)を受けます。顆粒細胞が受けた情報はプルキンエ細胞に伝達され、二つの情報はプルキンエ細胞で統合され、最終的に小脳外に出力されます。この単純な図式は、脳の神経回路の形成機構を理解する良いモデルだと考えています。私達は、トランスジェニックゼブラフィッシュを用いて小脳神経回路を可視化し、ゲノム編集技術を用いて変異体を作製することによって、小脳ニューロンおよび小脳に入力するニューロンの分化、および小脳神経回路形成の分子機構を明らかにしようと考えています。

神経回路機能―恐怖応答学習

小脳は、円滑な運動制御や運動学習に関係していると考えられてきました。近年の研究から、小脳は不安・恐怖などの情動や、認知といった高次脳機能にも関与していることが知られています。また、小脳神経回路の異常は、自閉症などヒトの精神疾患にも関係していると考えられています。私達は、ゼブラフィッシュを用いて、運動学習および恐怖応答学習における小脳神経回路の役割を解析しています。学習過程における小脳神経回路の機能イメージングを行い、さらに神経毒素や光遺伝子学素子を小脳神経回路に発現させ、神経回路の活動を操作することにより、小脳神経回路の高次機能を明らかにしたいと考えています。

神経堤細胞分化―色素細胞分化

当研究室の前身である淡水魚類型等保存実験施設の時代から、故富田英夫教授によって80以上のメダカ突然変異体(富田コレクション)が単離されてきました。その中には、体色異常を示す変異体が多く含まれています。メダカは、黒・虹・黄・白の四つの色素細胞(色素胞)を持っており、これらは神経堤細胞から分化します。私達は、富田コレクションの色素変異体解析を起点として、神経堤細胞から色素細胞が分化する分子機構を解析してきました。さらに、メダカとゼブラフィッシュを用いたゲノム編集、および他の魚種との比較を行うことで、色素細胞分化機構の進化学的解析も行っています。

図1 ゼブラフィッシュの小脳神経回路

(A)顆粒細胞の軸索を抗Vglut1抗体で、プルキンエ細胞を抗parvalbumin抗体で染色(受精後5日目仔魚)。

(B)顆粒細胞にVenusをプルキンエ細胞にmCherryを発現するトランスジェニックゼブラフィッシュ仔魚。

(C)小脳神経回路の模式図および小脳神経回路に特異的にGFPを発現するトランスジェニックゼブラフィッシュ仔魚。

(D)プルキンエ細胞に発現する遺伝子。

図2 ゼブラフィッシュの恐怖応答学習

(A)恐怖応答学習のパラダイム。条件刺激(CS:LEDの消灯)と無条件刺激(US:電気ショック)を繰り返し与えると、CS誘発性の徐脈が観察される。

(B)学習によって活性化される小脳ニューロン。GCaMP7a発現トランスジェニックフィッシュを用いた解析から、CS依存的な活動パターンには2種類あることが分かった。これら古典的恐怖応答学習において活動ニューロンは、小脳体と呼ばれる領域に存在し、顆粒細胞であることが示唆された。

  
図3 神経堤細胞から色素細胞への分化

(A)メダカ初期胚における色素細胞の発生。メダカは四種類の色素細胞(黒色素胞、虹色素胞、黄色素胞、白色素胞)を持っており、これらは神経堤細胞から中間段階の色素芽細胞を経て分化する。

(B)メダカ変異体を用いた解析。

(C)運命決定モデル。

References

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