細胞器官研究系

概要

細胞器官研究系は生体膜研究部門，機能協関研究部門，神経細胞構築研究部門（客員研究部門：公募中）および，細胞生理研究部門（岡崎統合バイオサイエンスセンターとの兼任研究部門）の４部門からなり，分子・細胞レベルから組織・器官レベルへの統合を目指した研究を活発に進めている。特に，チャネル，トランスポーター，レセプター，分子センサー（TRPチャネルを中心とした温度, 痛み刺激, 味覚、容積センサー），酵素などの機能タンパク質と，それらの分子複合体（超分子）の構造と機能及びその動作・制御メカニズムの解明を目指している。また，それらの異常・破綻による病態や細胞死メカニズムの解明に向けて研究を進めている。さらに，網膜における視覚情報処理機構や睡眠覚醒調節機構の解明に向けた研究も幅広く展開している。

各部門においては専門性の高い世界最先端の研究技術（分子細胞生物学，生化学・プロテオミクス，電気生理学，神経解剖学，分子遺伝学）が駆使されている。これら技術を互いに共有し発展させることにより，人体の生命活動の統合的理解を目指す。

生体膜研究部門

本研究部門では膜蛋白質とりわけ脳のシナプス膜に局在する機能蛋白質（神経伝達物質受容体，イオンチャンネル，接着分子など）に焦点をあて研究をおこなっている。シナプス膜蛋白質は単独で機能するのではなく，足場蛋白質，シグナル蛋白質などと複合体（機能ユニット）を形成して，その機能を遂行する。これらの多くのシナプス蛋白質はパルミトイル化脂質修飾を受け，そのシナプス膜における局在が動的に制御されている。私たちは最近発見したパルミトイル化酵素を手がかりとしてシナプス蛋白質の局在，動態制御機構の解明を目指している。一方，独自に開発してきた特異性の高い生化学的技術を駆使して脳組織からシナプス蛋白質複合体（とりわけ疾患候補蛋白質に着目して）を精製，同定し，シナプス伝達効率を制御する機構を統合的に解明することを目指している。

図１　パルミトイル化は多くのシナプス蛋白質の局在を制御する
(A)足場蛋白質PSD-95はポストシナプスに濃縮しクラスターを形成するが，3番目と5番目の2つのシステインをセリンに置換(XX)してパルミトイル化修飾を受けないようにしたパルミトイル化欠損型PSD-95は樹状突起，軸索，細胞体全体に無秩序に拡散している。(B)パルミトイル化酵素と脱パルミトイル化酵素のバランスによりPSD-95はダイナミックに局在が変化し，様々な膜蛋白質のシナプス局在を制御する。例えばTTXによる神経活動の抑制により，パルミトイル化酵素の一種(DHHC2)がシナプスに移動し，PSD-95のパルミトイル化を促進する。ついでPSD-95がアンカリングするAMPA型グルタミン酸受容体のシナプス発現が増加する。図はTTX添加後のAMPA型受容体のシナプス局在の時系列変化を示している。神経活動（外界シグナル）によりパルミトイル化酵素がどのように制御されているかは重要な課題である。

図２　てんかん関連蛋白質ネットワーク
ヒトのてんかん関連蛋白質であるLGI1を中心とする蛋白質複合体をマウス脳から精製し，主要蛋白質としてADAM22およびADAM23を同定した（A, B）。ADAM22とADAM23はいずれもてんかん発症に関連した蛋白質であった。我々が作成したLGI1ノックアウトマウスはてんかん症状を示し(C)，海馬におけるAMPA型グルタミン酸受容体の機能が低下していた。このように特異性高く蛋白質複合体を精製，同定し，個体を用いた実験と組み合わせることで，シナプス伝達機構等の様々な生理機能を明らかにしていく。

職　　員

機能協関研究部門

脳神経系など生体機能のもととなる細胞機能のすべては，細胞膜におけるチャネル（イオンチャネル，水チャネル）やトランスポータ（キャリア，ポンプ），バイオ分子センサーの働きによって担われ，支えられている。私達は容積調節や吸収・分泌機能や環境情報受容，網膜における光受容と視覚情報処理など最も一般的で基本的な細胞活動のメカニズムを，チャネル，トランスポータ，レセプター，センサー，メッセンジャーなどの機能分子の働きとして細胞生理学的に解明し，それらの異常と疾病や細胞死との関係についても明らかにしようとしている。主たる研究課題は次の通りである。

（１）「網膜における視覚情報処理のメカニズム解明」：網膜には，光感受性センサーなど様々な種類のバイオ分子センサーが発現し，初期の視覚の形成を担っている。とくに網膜神経節細胞での視覚情報の統合処理について，網膜組織培養法（図１）を活用したバイオ分子センサーの遺伝子操作および電気生理学的手法を用いて明らかとする。

（２）「細胞容積調節の分子メカニズムとその生理学的役割」：細胞は（異常浸透圧環境下においても）その容積を正常に維持する能力を持ち，このメカニズムには各種チャネルやトランスポータやレセプターの働きが関与している（図２）。これらの容積調節性膜機能分子，特に外向整流性容積感受性クロライドチャネル(VSOR)やそのシグナルの分子同定を行い，その活性メカニズムと生理学的役割を解明する。

（３）「アポトーシス，ネクローシス及び虚血性細胞死の誘導メカニズム」：容積調節能の破綻は持続性の容積変化をもたらして細胞死を誘導する（図３）。多くの細胞のアポトーシス，ネクローシス，更には脳神経細胞や心筋細胞の虚血性細胞死の分子メカニズムを解明する。特に，イオンチャネルの関与とそのメカニズムを明らかにし，「細胞死の生理学」という分野を切り開く。

（４）「バイオ分子センサーチャネルの分子メカニズムの解明」：イオンチャネルはイオン輸送や電気信号発生のみならず，環境因子に対するバイオ分子センサーとしての機能を果たし，他のチャネルやトランスポータ制御にも関与する多機能性蛋白質である。特に，アニオンチャネルやATPチャネルやTRPカチオンチャネルの容積センサー機能，メカノセンサー機能およびストレスセンサー機能の分子メカニズムを解明する。

図１：網膜組織培養系（遺伝子導入）システム

図２：低浸透圧環境下での細胞容積調節（RVD：調節性容積減少）のメカニズムとVSOR Clチャネルの容積センサー機能

図３：細胞容積調節破綻とアポトーシス性及びネクローシス性細胞死（RVI：調節性容積増加，AVD:アポトーシス性容積減少，NVI：ネクローシス性容積増加，VSOR：容積感受性Cl^-チャネル）

図４：心筋細胞におけるストレスセンサーATPチャネル

職　　員

神経細胞構築研究部門

現在選考中

細胞生理研究部門

岡崎統合バイオサイエンスセンター
生命環境研究領域
兼務

分子細胞生物学的，生化学的，発生工学的，電気生理学的手法を用いてTRPチャネルを中心とした温度受容・痛み刺激受容・味覚受容・Ca²⁺吸収の分子機構の解明，オレキシン神経に焦点をあてた睡眠・覚醒の分子機構の解明を目指して研究を行っている。

1. 温度受容の分子機構の解明に関する研究：既知の温度受容体の異所性発現系を用いた解析，変異体等を用いた構造機能解析，感覚神経細胞等を用いた電気生理学的な機能解析，組織での発現解析，遺伝子欠損マウスを用いた行動解析を通して温度受容機構の全容解明を目指している。また，体温近傍の温度でのイオンチャネル活性化の生理学的意義の検討も進めている。さらに，新規温度受容体の探索も進めている。
2. 痛み刺激受容の分子機構の解明に関する研究：主に感覚神経細胞，異所性発現系を用いて感覚神経終末における侵害刺激受容の分子機構を明らかにする。この研究には，遺伝子欠損マウスの行動薬理学的解析も行う。
3. 体温調節，摂食行動や睡眠覚醒調節などの生体恒常性維持に重要な視床下部神経細胞を中心に解析を行なっている。様々な遺伝子改変動物を作成し，それらを用いてスライスパッチクランプをはじめとする電気生理学的解析や，インビボ細胞外記録，免疫組織化学，睡眠解析などの多岐にわたる手技を組み合わせた解析を行なっている。生命活動の基本を司る神経機構の動作原理を分子レベル，細胞レベル，個体レベルのすべてにおいて明らかにすることを試みている。

［Mammalian thermosensitive TRP channels （upper）and their properties （lower）］

［Studying the regulatory mechanisms involved in feeding and sleep/wakefulness at multi levels: molecular, cellular and whole animal levels］

職　　員