2015年8月26日-27日

植物に脳はあるか

遠藤 求 [京都大学 生命科学研究科 分子代謝制御学]

　概日時計は地球の自転による約24時間の明暗周期や季節変化に対応するためのメカニズムであり、多くの生物種でその存在が知られている。概日時計によって生み出される概日リズムはほぼ全ての細胞で見られる一方で、動物（哺乳類など）では、基本的には脳に存在する中枢時計が末梢臓器に存在する末梢時計を制御することで個体としての概日リズム制御が行われている。しかし、植物には脳に相当するような明確な機能中枢は存在せず、植物細胞には分化全能性が見られることや、動物細胞ほど組織間で明確な機能分化が見られないことから、これまで植物における概日時計の機能は細胞自律的であると漠然と考えられてきた。そのため、これまでの概日時計研究は個体レベルでの解析が主流であり、組織・細胞レベルの解析はほとんど行われてこなかった。
　動物と植物の概日時計の構成要素に相同性は無いものの、（１）動植物の概日時計は転写を介したフィードバック制御という共通した分子機構を持っていること、（２）花成や就眠運動の実現には、個々の細胞が持つリズムを個体レベルで統合する必要があること、などから、植物にも動物で見られるような概日時計の組織特異的な機能分担があると考えられた。
　私たちは植物の概日時計システムにも明確な中枢が見られるのかどうかを明らかにするために、モデル植物シロイヌナズナにおいて組織レベルでの概日リズムの解析を可能にするいくつかの技術を開発してきた。これらを用いた解析から、植物の概日時計には脳のような一つのコアがあるわけではなく、複数のコアがそれぞれ独立の環境刺激を処理しつつ協調する、組織を単位とした分散型のネットワーク構造を持っていることが明らかになりつつある。今回は、こうした植物の概日時計における組織特異的な役割について紹介したい。

Reference
Tissue-specific clocks in Arabidopsis show asymmetric coupling
Endo, M.^†, Shimizu, H., Nohales, A.M., Araki, T. & Kay, S.A. ^†Corresponding author
Nature 515, 419-422 (2014).

動物の体に模様ができる原理

近藤 滋 [大阪大学大学院　生命機能研究科 パターン形成研究室]

　Turingモデルは、動物の自律的形態形成を説明する理論としては、はじめて数学的に定式化されたものである。一般的は、「反応拡散理論」と呼ばれるように、２種類の化学物質の反応、拡散のパラメータを操作するだけで、様々な空間パターンを作ることができ、その考え方は、Turingによる論文の発表後５０年を経て、漸く、生命科学者の間に浸透してきた。それと同時に、現実の生物系に於いては、オリジナルのTuringモデルの想定とは異なる素過程が機能していることも解ってきている。近藤は、動物の模様形成が、Turingの原理に従って起きる、と言う作業仮説を建てて、約２０年間研究を行ってきた結果、ゼブラフィッシュの模様形成原理を細胞の相互作用のレベルでほぼ理解することに成功した。
　ゼブラフィッシュの模様形成は２種類の色素細胞（メラノフォア、ザンソフォア）の相互作用によってつくられる。それぞれの細胞の挙動を詳しく解析したところ、全体としてTuringの理論から導かれる縞模様形成の必要条件を満たすことが解った。しかし、オリジナルのTuringのモデルとは重要な点で違いが有った。遠距離のシグナル伝達は、モデルで想定されていたリガンドの拡散では無く、細胞から伸びる突起を介して起きる。それらを数式化すると、確かにTuring Patternの形成条件（近距離の活性化＋長距離の抑制）を満たしていたため、Turingモデルの変形、と解釈することは可能であるが、拡散を使った定式化がそのままでは当てはまらない。
　現在、多くの実験研究者が、反応拡散モデルを作業仮説に研究を進めているが、皮膚模様の場合と同様、細胞が拡散以外のシグナル伝達法を採用することで、オリジナルのTuringモデルが当てはまらない状況が多数あるはずである。反応拡散にこだわると、存在しない「拡散リガンド」を探し続けることになる可能性もあり、モデルの方の手直しが求められている。
　講演では、実験サイドからの要請を入れて、より一般化したTuringモデルを提案し、会場の皆さんと一緒に議論したい。モデルから実験系への一方通行でなく、実験事実に基づいたモデルの進化が起こることが、生命科学と数学の融合につながると考えている。

ショウジョウバエを用いた聴覚神経回路の理解

上川内 あづさ [名古屋大学 大学院理学研究科 生命理学専攻 脳回路構造学]

　音は、私たちの日常生活において非常に重要な意味を持ちます。例えば、近づいてくる危険や仲間を、私たちは音によって察知できます。また、言葉や歌という手段を使って、仲間どうしで情報をやりとりしますし、音楽によって心を癒します。では、脳はどのようにして単なる物理的な空気振動である音から、その意味を読み解くのでしょうか？この例からもわかるように、聴覚の神経科学分野においては、未解明の謎がまだ沢山残されています。このような謎を解明するために、私たちはショウジョウバエ聴覚系をモデルとして研究を進めています。ショウジョウバエは、「求愛歌」と呼ばれる種に固有の羽音を使って、オスがメスに求愛します。では、ハエの脳は、求愛歌の音パターンといった時系列情報を、どのような神経回路でどのように処理した結果、その意味を理解するのでしょうか。私たちは、ショウジョウバエにおいて音情報処理を担う神経回路の全貌を解明することで、聴覚情報処理システムの動作原理を理解したいと考えています。これまでに、ショウジョウバエの聴覚器から脳へ至る神経回路網の全貌を、単一細胞レベルで解明しました。これにより、脳内の一次聴覚中枢の内部構造が解明され、シンプルな周波数地図があることが明らかになりました。また、一次聴覚中枢からさらに高次脳へ投射する神経回路の構造も分かりつつあり、哺乳類の聴覚神経回路との類似性も発見されてきています。本シンポジウムでは、聴覚系を研究するためのモデルとしてのショウジョウバエの魅力を紹介しつつ、その構造と機能に迫る私たちの研究成果を紹介することで、聴覚システム一般の動作原理について考察し、みなさんと議論したいと思います。

References
1. Matsuo et al (2014). Identification of novel vibration- and deflection-sensitive neuronal subgroups in Johnston’s organ of the fruit fly. Front Physiol. 5:179. doi: 10.3389/fphys.2014.00179
2. Yoon et al (2013). Selectivity and plasticity in a sound-evoked male-male interaction in Drosophila. PLoS ONE 8(9): e74289. doi:10.1371/journal.pone.0074289
3. Kamikouchi (2013). Auditory neuroscience in fruit flies. Neurosci Res. 76(3):113-8.
4. Kamikouchi et al (2010). Mechanical feedback amplification in Drosophila hearing is independent of synaptic transmission. Eur J Neurosci 31, 697-703.
5. Kamikouchi et al (2009). The neural basis of Drosophila gravity sensing and hearing. Nature (Article) 458, 165-171.

世界の野生動物をフィールドワークする

幸島 司郎 [京都大学野生動物研究センター]

　京都大学野生動物研究センターは、絶滅が危惧されている大型動物の保全研究を主な目的として２００８年に設立された新しい研究センターです。現在、４０名以上の大学院生や若手研究者が在籍し、アジアやアフリカ、南米など世界各地で、ゾウやバク、イルカ、アザラシなど、中−大型哺乳類を中心に様々な野生動物を研究しています。同時に、多くの動物園や水族館と連携して、飼育されている貴重な野生動物に関する共同研究も進めています。ヒトと野生動物との共存にとって最も必要なことは、それぞれの動物のことをよく理解することです。イルカのことを理解しないで彼らと共存することなどできません。また、イルカとゴリラでは生き方や都合が全く異なります。だから、それぞれの種をよく理解することこそが「保全生物学」だと考えています。日本には、お金や就職で苦労してでも、動物のことを知りたい、守りたい、という高い志を持ち、海外での困難な野生動物研究にチャレンジする若者がまだ多くいます。彼らが日本独自の国際貢献を可能にしてくれると信じて、アマゾンやボルネオ、アフリカなどで様々な国際的野生動物保全プロジェクトを進めています。ヒマラヤの氷河に住む昆虫の発見から始まり、氷河生態系と地球環境変動のかかわり、ヒトの白目、イルカの眠り方、そしてボルネオやアマゾン、インドでの野生動物研究にかかわることになった、私の研究遍歴のお話を交えながら、「自分の目で見て自分の頭で考える」フィールドワークの重要性と楽しさについてお話します。

皮膚ライブイメージングから捉える皮膚免疫

椛島 健治 [京都大学大学院医学研究科 皮膚生命科学講座]

　皮膚は外界と体内とを隔てる単なるバリアではなく、絶えず外来抗原の侵入に曝される最前線の免疫臓器である。そこでは接触過敏反応、細菌・ウイルス感染防御、自己免疫反応など、多彩な免疫応答が誘導されている。また皮膚では、侵襲を与えずに詳細な観察が可能であること、様々な種類の免疫細胞が存在していること、種々の免疫反応を誘導するマウス実験モデルが既に多数確立されていることから、免疫細胞のライブイメージングに最適な研究モデルが提供されうる。
　従来、皮膚免疫細胞の動態や局在は皮膚生検をもとにある一時期における二次元の世界から類推せざるを得なかったが、近年の二光子励起顕微鏡システムや光転換タンパクを遺伝子導入したマウスシステムの開発により、時空間的に免疫細胞の動態を捉えることが出来るようになった。これらの技術導入により明らかとなった接触皮膚炎時のリンパ球や樹状細胞の相互作用、表皮ランゲルハンス細胞の動態などのライブイメージングを介した皮膚免疫における新たな世界を提示させていただきたい。

References
1. Natsuaki Y., et al. 2014. Nat Immunol 15:1064-9
2. Otsuka A., et al. 2013. Nat Commun 4:1739
3. Nakajima S., et al. 2012. J Allergy Clin Immunol 129(4):1048-55
4. Tomura M., et al. 2010. J Clin Invest 120(3):883-93
5. Nagamachi M., & Kabashima K., et al. 2007. J Exp Med 204(12):2865-74.
6. Kabashima K., et al. 2006. J Exp Med 203:2683-2690.
7. Kabashima K., et al. 2005. Immunity 22:439-450.
8. Kabashima K., et al. 2003. Nat Med 9:744-749.
9. Kabashima K., et al. 2003. Nat Immunol 4:694-701.

びまん型胃癌（スキルス胃癌）のドライバー遺伝子

石川 俊平 [東京医科歯科大学 難治疾患研究所 ゲノム病理学分野]

　びまん型胃癌は単一〜小塊状の低分化癌が豊富な間質を伴って浸潤する特異な性質を持ちしばしばスキルス胃癌とも呼ばれる。難治癌であるびまん型胃癌に特徴的ながんゲノムプロファイルを解明し治療標的を探索する目的でびまん型胃癌組織の全エクソームシークエンスを行った。腸型胃癌には認められない塩基置換のパターン（変異シグネチャー）が認められ、びまん型胃癌に特異的な内的・外的環境要因を反映していると考えられた。
　遺伝子レベルの解析ではびまん型胃癌に特異的に約1/4の症例でRHOA遺伝子変異を認め、アミノ酸置換部位が3か所（Y42C,G17E,R5Q/W）のホットスポットを形成しているため機能獲得性変異である可能性が示唆される。特にY42Cはcore effector regionと呼ばれエフェクター分子等他のタンパクとの相互作用に重要な部分に含まれていた。実験的な検証では腫瘍細胞株では変異型RHOA依存的に増殖・生存していることが示され、変異型RHOAがドライバー遺伝子として働くことが考えられた。
　RHOA変異を持つ胃癌の大部分はBorrmann3型の肉眼形態をとり、典型的なびまん型胃癌としての組織像に加えて粘膜部に分化した成分を伴っている。ダイセクションを行って解析することにより粘膜分化部にも変異が入っていることがわかり、胃癌の発生の比較的初期から変異が入っていることが示唆された。
　RHOA変異型胃癌はHER2陽性の割合が極めて低く、既存の分子標的治療薬の適応になりにくい群であると考えられた。難治性で有効な治療法がないびまん型胃癌にとって変異型RHOAは新規治療標的分子候補となるとともに、胃癌の分子病理学的分類における重要な指標となると考えられる。

Reference
Kakiuchi M, Nishizawa T, Ueda H, Gotoh K, Tanaka A, Hayashi A, Yamamoto S, Tatsuno K, Katoh H, Watanabe Y, Ichimura T, Ushiku T, Funahashi S, Tateishi K, Wada I, Shimizu N, Nomura S, Koike K, Seto Y, Fukayama M, Aburatani H, Ishikawa S^*. Recurrent gain-of-function mutations of RHOA in diffuse-type gastric carcinoma. Nat Genet. 2014 Jun;46(6):583-7. doi: 10.1038/ng.2984. PubMed PMID: 24816255.

がん免疫療法における制御性T細胞

西川 博嘉 [国立がん研究センター 先端医療開発センター 免疫TR分野]

　免疫系は免疫自己寛容を保ち、外来抗原に対して過剰な免疫応答の誘導を防ぐことで恒常性を維持している。この免疫恒常性の維持には、免疫抑制活性を有する制御性T細胞（Tregs）などが関わっている。生体内に出現したがん細胞は免疫監視機構により排除されるが、やがて生体に備わっている様々な免疫抑制機構を用いて、免疫系から逃避する。臨床的に診断される「がん」は、多様な免疫逃避機構を持つ免疫学的に選択（edit）されたがん細胞の集団となっている。また免疫原性の高い変異抗原は限られており、多くのがん抗原が自己抗原分子である。よって自己に対する免疫応答を制御しているTregsが、がん抗原に対する免疫応答を抑制しているが、その免疫抑制機構は十分に明らかにされていない。我々は、Tregsによるがん抗原（自己抗原）特異的CD8⁺T細胞の抑制メカニズムを詳細に解析し、Tregsが抗原提示細胞の共刺激シグナルを制御することで、CD8⁺T細胞をナイーブフェノタイプとCTLA-4などの免疫抑制分子をともに発現する特徴的なフェノタイプに陥れることを示した。これらのTregsにより抑制されたCD8⁺T細胞は抗原再刺激に対して抵抗性で免疫不応答（アネルギー）状態となることから、Tregsの免疫抑制の克服が効果的ながん免疫療法には極めて重要であると考えられた。
　悪性黒色腫局所には免疫抑制活性の強い活性化型Tregsが多数浸潤している。これらのTregsはケモカインレセプター4（CCR4）を選択的に強発現しており、抗CCR4抗体により活性化型Tregsを除去することで、がん抗原特異的T細胞を活性化できることを報告した。しかし、必ずしも全てのがん腫でCCR4を強発現するTregsは認められず、腫瘍局所に浸潤する活性化型Tregsに特異的な分子を標的とした治療の開発が必要である。活性化型Tregsに特異的な分子シグナルを検討したところ、活性化型Tregsは、他のT細胞に比較してT細胞レセプターシグナルに介在するチロシンキナーゼに強く依存していた。このキナーゼ分子はチロシンキナーゼ阻害剤（TKI）により阻害されるため、TKI治療によりTregsが選択的に除去されることが示され、TKIによる活性化型Tregsを標的とした新たながん免疫療法の可能性が示唆された。

References (*Corresponding author)
1. Maeda Y, *Nishikawa H, Sugiyama D, Ha D, Hamaguchi M, Saito T, Nishioka M, Wing JB, Adeegbe D, Katayama I and Shakaguchi S; Regulatory T cells drive autoimmune T cells into a distinct T-cell subpopulation functionally anergic and expressing CTLA-4. Science. 346(6216):1536-1540 2014.
2. Nishikawa H, Sakaguchi S; Regulatory T cells in cancer immunotherapy. Curr Opin Immunol. Jan 9;27:1-7 2014.
3. Sugiyama D, *Nishikawa H, Maeda Y, Nishioka M, Tanemura A, Katayama I, Ezoe S, Kanakura Y, Sato E, Fukumori Y, Karbach J, Jager E and Shakaguchi S; Anti-CCR4 mAb selectively depletes effector-type FoxP3CD4⁺ regulatory T cells, evoking anti-tumor immune responses in humans. Proc. Natl. Acad Sci USA. 110(44):17945-17950 2013.

ホスホリパーゼA₂分子ファミリーを起点とした脂質代謝の新しいパラダイム

村上 誠 [東京都医学総合研究所 脂質代謝プロジェクト/AMED CREST]

　脂質は生体にとってエネルギー源であり、生体膜の構成成分であり、また生理活性物質でもある。脂質は摂取もしくは産生された後、一定部位に安定に局在せず常に輸送・代謝・分解等を受け、その作用部位、機能は時空間的に変化する。それ故、様々な生理的条件下における脂質の本質的役割を理解するためには、時空間的な脂質のフローを捉える事が重要である。ホスホリパーゼA₂ (PLA₂) はリン脂質から不飽和脂肪酸とリゾリン脂質を遊離する酵素群の総称であり、脂質メディエーター産生の初発酵素であると同時に、エネルギー代謝や脂質クオリティの調節、生体膜再構成にも関わる。このことから、PLA₂分子群の機能の全体像を把握し制御することは、脂質の関わる生命応答の総合理解、更には創薬展開につながり得る。哺乳動物のゲノム上には30種類以上のPLA₂もしくは類縁酵素の遺伝子がコードされており、大きく細胞内に存在するcPLA₂ (cytosolic PLA₂; 6種)とiPLA₂ (Ca²⁺-independent PLA₂; 9種)、細胞外に分泌されるsPLA₂ (secreted PLA₂; 11種)、およびこれ以外のサブタイプに分類される。我々はこの数年間にPLA₂分子群の遺伝子改変マウスを網羅的に導入解析し、これに脂質メタボローム（リピドミクス）解析を応用展開することで、各種PLA₂に依存的な新しい脂質パスウェイを複数同定した。一般的な考え方として、cPLA₂群の代表格であるcPLA₂αがアラキドン酸代謝を動員するのに対し、iPLA₂群は生体膜リン脂質の再構成やエネルギー代謝などの生命に必須の脂質代謝に関わり、sPLA₂群は細胞外リン脂質に作用することで脂質メディエーター依存的または非依存的に組織固有の応答を制御する。本講演では、各PLA₂分子に固有の脂質ネットワークとその生命応答との関わりについて、最新の話題をいくつか紹介したい。

References
1. Sato H et al. The adipocyte-inducible secreted phospholipases PLA2G5 and PLA2G2E play distinct roles in obesity. Cell Metab. 20, 119-132 (2014)
2. Taketomi Y et al. Mast cell maturation is driven via a group III phospholipase A₂-prostaglandin D₂-DP1 receptor paracrine axis. Nat. Immunol. 14, 554-563 (2013)
3. Miki Y et al. Lymphoid tissue phospholipase A₂ group IID resolves contact hypersensitivity by driving anti-inflammatory lipid mediators. J. Exp. Med. 210, 1217-1234 (2013)
4. Sato H et al. Group III secreted phospholipase A₂ regulates epididymal sperm maturation and fertility in mice. J. Clin. Invest. 120, 1400-1414 (2010)