1

山形大学集中講義

1)生体情報システムとしての神経系と内分泌系．2）開口放出． 2-1 エクソサイトーシス 2-2 エンドサイトーシス3)神経細胞，内分泌細胞におけるカルシウムイオンの動態．4)ホルモン作用の細胞生物学ー神経系との共通性

（細胞内情報伝達系）．5)ホルモンの分類・作用と内分泌器官．6)中枢神経系の生物学．7)行動と脳における性差．8)雌雄の性行動．9)生体リズム．（時間がない場合省略）10) GnRHの神経生物学．11)学習と記憶． （時間がない場合省略）

• 担当 岡 良隆• 生体情報学研究室

• ２階２４８号室

• 電話： ２４４３８

• e-mail: okay@biol.s.u-tokyo.ac.jp• http://www.biol.s.u-tokyo.ac.jp/

授業の資料• “Molecular Biology of the Cell” 4th Ed. Alberts

et al., Garland Science, 2002（細胞生物学の教科

書として標準的）• “Ion Channels of Excitable Membranes” 3rd Ed.

Hille, B. Sinauer Associates, 2001 (ISBN 0-87893-321-2)（生物物理的な解説が詳しい,イオ

ンチャネル研究のバイブル的存在）• "Neuroscience" 3rd Ed., Editors: Dale Purves et

al., Sinauer, 2004• “An Introduction to Behavioral Endocrinology”

2nd Ed., Nelson, Sinauer, 1999• 生体情報学研究室ホームページの中で講義資

料PDF版（カラー）が閲覧できる。

「研究室のメンバー」－「岡」－「講義資料」

日本語の参考書• 「動物のホルモン」 川島 誠一郎著，

１９９５年，裳華房• 「脳と生殖」 市川眞澄他編，１９９８年，

学会出版センター

山形大学集中講義

環境変化に適応した応答をする「生体情報システム」として環境変化に適応した応答をする「生体情報システム」としての神経系・内分泌系の神経系・内分泌系

睡眠

摂食

生殖

細胞間の生体シグナル

“ligand”

fast and precise

slow

Hydrophilic Hydrophobic(=lipophilic)

2

内分泌シグナルと神経シグナル神経伝達物質放出とホルモン放出（神経系と内分泌系）

－共通点と相違点－

• 化学的なシグナルに依存している

• いずれも細胞から開口放出により放出される（ステロイドホルモンは除く）

• いずれも受容体に結合することで作用を持つ

• 列車と車にたとえられる

• デジタル信号とアナログ信号

• All-or-noneで生じる早い信号

と段階的で遅い信号

• 随意に変更できる信号と変更できない信号

共通点 相違点

中間的な性質を持つものもある神経修飾

化学シナプスにおける神経

伝達

神経伝達物質が合成されシナプス小胞に貯蔵される

カルシウムによってシナプス小胞とシナプス前膜の融合が起こる

細胞膜からシナプス小胞の膜が回収されて再利用される（エンドサイトーシス）

カルシウムチャネルを通じてカルシウムが流入する

シナプス前終末の脱分極が膜電位依存性カルシウムチャネルを開く

活動電位がシナプス前終末に到達する

ミエリン鞘

シナプス小胞

神経伝達物質

受容体

シナプス後膜を流れる電流

樹状突起

クラスリン被覆小胞

イオン 受容体イオンチャネルの開閉

シナプス後膜を流れるシナプス電流が興奮性または抑制性シナプス電位を生じ、シナプス後細胞の興奮性を変化させる

7

神経伝達物質がシナプス後膜の受容体分子に結合する

神経伝達物質が開口放出によってシナプス間隙に放出される

このイオンチャネルは，膜電位依存性イオンチャネルに比べると選択性が低く，異なる受容体イオンチャネル複合体によって各種の異なる陽イオンまたは陰イオンが透過できる。しかしながら，神経伝達物質は実際にはイオンに比べると大きいので，イオンチャネルを通ることはできない。

ペプチドと低分子量伝達物質の放出ペプチドホルモンの開口放出

3

開口放出（Exocytosis）に関

連するタンパク質Ca2+

開口放出のプロセス

Specific paring of t- and v-SNARE

Core complexSNAREcomplex

Ca2+ and cell function カルシウムイオンを細胞質に動員する主な２つの経路

4

膜電

位(m

V)

膜電

位(m

V)

閉開 開

閉

単一

チャ

ンネ

ルを

流れ

るN

a+ 電流

単一

チャ

ンネ

ルを

流れ

るK

+ 電流

複数

のチ

ャン

ネル

を流

れる

Na+ 電

流(n

A)

多数

のチ

ャン

ネル

を流

れる

Na+ 電

流(n

A)

複数

のチ

ャン

ネル

を流

れる

K+ 電

流(n

A)

多数

のチ

ャン

ネル

を流

れる

K+ 電

流(m

A/c

m2 )

Na+チャネル（左図）およびK+チャネル（右図）を流れるイオン電流 Voltage-dependent Ca2+ channels

（Ｂ）ピペット溶液：CsCl, TEA, EGTA灌流液：TTX，5mM Ca2+ （A）灌流液：TTX，115mM Ba2+

保持電位とコマンド電位を変化させる（B)保持電位-80mVの時と-30mVの時の電流の差分が低閾値型電流成分（C)電流－電圧曲線：保持電位-30mVの時の電流が高閾値型電流成分

保持電位-80mVの時にはHVA, LVA ともに不活性化されていないが，保持電位-30mVの時にはLVAは完全

に不活性化されている。つまりEH(-80)=HVA+LVAEH(-30)=HVA

コマンド電位はHVAを活性化するほど強くないのでLVAのみが活性化されている。

コマンド電位はHVAとLVAの両方を活性化さ

せている。

-30mVの保持電位の間にLVAは不活性化されている。一方，HVAはあまり不活

性化されていない。

Types of Ca2+ channels in vertebrates

tiny conductance, transient current large conductance, long-lasting current

Ca2+ 感受性色素を用いたCa2+ イメージング

Ca2+ 感受性色素：Rhod-2（左）Fura-2（右）など

5

神経伝達物質の放出におけるカルシウムの役割

ElectroporationによるCalcium Greenの

細胞内導入とカルシウムイメージング

0 20 40 60 80-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (s)

DF/

F0

#0#1#2

80400Time (s)

0

0.2

-60

-40

-20

0

20

40

60

神経伝達物質の放出におけるカルシウムの役割

シナプス前細胞

シナプス後電位

シナプス後細胞

シナプス前膜電位(mV)

シナプス前細胞のCa電流（μA/cm2）

シナプス後膜電位(mV)

対照 Ｃｄ投与

時間 （ミリ秒）

時間 （ミリ秒）

EPSP

の振

幅（m

V）

ニト

ロフ

ェン

に対

する

膜電

位応

答（

(mV

）

BAPTA EGTA

ヒトデ卵の受精時のカルシウムイオン濃度変化

肝細胞においてバソプレッシンによって引き起こされるCa2+振動

Vh=-50mV

ゴナドトロフにおいてGnRHにより引き起こされるCa2+振動

GnRHによってゴナドトロフに生じる細胞内Ca2+オシレーションは、

膜電位に依存しない細胞外のCa2+を必要としない

ピペットにヘパリンを入れておくとブロックされるピペットにIP3を入れるとGnRH作用が模倣できるThapsigardinによってオシレーションがブロックされる

Exocytosis of GtH; blocked by EGTA/BAPTA in pipette

Channels and transporters for Ca2+

Ca2+放出チャネル（リアノジン受容体，IP3受容体）の構造

ThapsigarginX

RyR

IP3R

6

イノシトールリン脂質シグナルと小胞体Ca2+放出チャネル

細胞膜のイノシトールリン脂質

Phospholipase C-β による PI(4,5)P2の加水分解

イノシトールリン脂質経路の２つの枝分かれ－Phospholipase C-β による PI(4,5)P2の加水分解からは２つの枝分かれしたシグナル経路が生じる－

ペプチドホルモン受容体の構造

チロシンキナーゼ型受容体の構造

二次メッセンジャーによるシグナルの増幅

ペプチドホルモン受容体の活性化機構ー神経系との共通性：細胞内情報伝達系

Second Messengers ｃAMP産生を伴うGタンパク質共役受容体の

シグナル伝達経路

Adenylyl cyclase

G-Protein-coupled (linked) receptors

The structure of an inactive G Protein 活性化Ｇたんぱく質の２つのシグナル分子への分解

7

神経系における細胞内情報伝達の例

NGF（神経成長因子）の作用機構

小脳平行線維シナプスにおけるシナプス可塑性

タンパク質リン酸化によるチロシンヒドロキシラーゼ

調節

ステロイドホルモン受容体の活性化機構-内分泌系におけるNuclear Signaling-

cAMP濃度上昇によって遺伝子転写活性が調節される例-内分泌系･神経系におけるNuclear Signaling-

記憶学習とシナプス可塑性

(1) アメフラシにおけるえら引き込め反射の「慣れ」と「脱感作」

(2) 海馬における記憶学習とシナプス可塑性

陳述記憶 Declarative memory

(2)小脳におけるシナプス可塑性と学習

手続き記憶 Procedual memory

8

Kandelの業績

神経伝達物質を含むシナ

プス小胞

シナプスアクティブゾーン

セロトニン受容体

神経修飾ニューロン（セロトニンを含む）

感覚ニューロン（シナプス前要素）

伝達物質放出の促進

ジアシルグリセロール

cAMP

カルシウム

カルシウムチャネル

カルモジュリン

アデニル酸シクラーゼ

カリウムチャネル

運動ニューロン（シナプス後要素）

cAMP蛋白

質キナーゼ

蛋白質キナーゼC

カルシウムチャネル

アメフラシ

えら

外套膜サイフォン

アメフラシ

学習と記憶アメフラシのえら引き込め反射

海馬LTP

学習と記憶海馬におけるLTPとその機構

The hippocampus

Long-term potentiation (LTP)

Paring presynaptic and postsynaptic activity causes LTP.

9

LTP（長期増強）のメカニズム

Two synaptic delivery pathways for AMPARs.Both pathways depend on the subunit compositionof AMPA-Rs. To establish plasticity,GluR1/GluR2 heteromers are delivered tosynapses to potentiate synaptic transmission. Tomaintain synaptic transmission, GluR2/GluR3heteromers replace existing synaptic AMPA-Rsindependent of neuronal activity.

Science, 1999

Science, 2001

The endocrine glands

SONPVN

Hypophysiotropic hormones

下垂体前葉・後葉と視床下部の関係

下垂体前葉 下垂体後葉

ラトケ嚢から発生 神経分泌細胞軸索末端の集合

正中隆起と下垂体の血管系

10

神経分泌細胞の電気生理学的研究

Antidromic activation の条件

1. 一定の潜時（図１は５トレースの重ね描き）2. 活動電位の衝突（自発放電と，それでトリガーさ

れた活動電位が衝突して消える）3. 高頻度刺激に追従

VPニューロンの特徴

OXニューロンの特徴

A,BはPVNニューロン

CはSONニューロン

ラットの後葉ニューロン

キンギョの後葉ニューロン1,2は嗅索刺激に対する応答

3,4は下垂体刺激に対する応答

８トレース重ね描き

５トレース重ね描き

ニューロン活動の電気生理学的記録法

細胞内記録（上図）：神経細胞内に電極を刺入して膜電位の変化を記録する方法細胞外記録（下図）：神経細胞に電極を接触させて活動電位や集合電位を記録する方法

Naチャンネルが刺激に応じて局所的

に開き、この地点で活動電位を生じる1

局所的な脱分極が隣り合うNaチャンネルを開き、

この地点においても活動電位を生じる3

脱分極性電流の一部が軸索内を受動的に流れる

2刺激

上流側のNaチャンネルは不活性化しKチャンネ

ルが開く。膜電位は再分極し、この地点において軸索は不応期にある。

4

同じ過程が繰り返され、軸索に沿って活動電位が伝播していく。

5

活動電位の閾値

静止膜電位

活動電位の閾値

活動電位の閾値

静止膜電位

静止膜電位

活動電位の伝導と順行性－逆行性活動電位の衝突

不応期不応期

細胞体 軸索終末

順行性

逆行性

衝突

中枢神経系の生物学動物の脳とヒトの脳

11

中枢神経系の生物学脳の各部の名称と個体発生

中枢神経系の生物学脳の構造；マクロからミクロ

Klüber&Barrera染色 電顕準超薄切片（運動ニューロンがCo-lysで標識されている）

ゴナドトロピンのパルス状分泌GnRHパルスジェネレーター

低次脳機能研究会 ゴナドトロピンのパルス状分泌GnRHパルスジェネレーター

•GnRHのサージジェネレーターとパル

スジェネレーターは独立した機構•さまざまな環境要因は最終的にGnRHパルス頻度に変換され,生殖腺機能に

影響を与える

ヒツジの発情周期に伴うLHパルス

頻度とゴナドトロピン濃度の変化

12

GnRHニューロンの細胞内Ca2+濃度のオシレーション GnRHニューロンの細胞内Ca2+

濃度のオシレーションとGnRHのパルス状分泌

アカゲザル嗅プラコードの培養ニューロンからはGnRHがパルス状に

分泌される

Kato, et al., 2003

GFP-tagged GnRH neurons in the transgenic rats and mice

intron poly AeGFP-3446

mouse GnRH 5'Suter et al., 2000

Rat Mouse

A

BC D

A: POA-GnRH neurons (frontal)

B: POA-GnRH neurons (sagittal)

C: Axon bundle

D: Axon terminals in pituitary

POA-GnRH system ofthe dwarf gourami

Axon bundle

GnRH neurons

Axon terminals in Pituitary

13

前額断脳スライス（厚さ 250μm）を作成

ホールセルパッチクランプ・電流固定法により視索前野領域のニューロンから電位応答を記録

Slice preparation for recording from POA-GnRH neurons

0.5mm

視索前野(POA)

<前額断脳スライス>

記録電極

1mm

50μm

視索前野GnRH ニューロン(αsbGnRH抗体)

Yoshiko Okano

20µm

20µm

Green : 記録細胞（biocytin）Red : GnRH抗体陽性細胞（αsbGnRH抗体）

GnRHニューロン nonGnRHニューロン

記録細胞

GnRH抗体陽性細胞

Materials and Methods

1sec

20mV-40mV

(1) 活動期

-53mV

(2) 静止期

自発的電気活動の経時的変動が見られた

7.5min

15 min

22.5min

30 min

POA-GnRHニューロンの基本的膜特性

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

-0.06nA

+0.04nA

500msec

電流注入した際のニューロンの電位応答

ニューロンに注入した電流

(mV)

14

Physiological properties of neuroendocrine and Physiological properties of neuroendocrine and neuromodulatory GnRH peptidergic neuronsneuromodulatory GnRH peptidergic neurons

Yoshitaka OkaDepartment of Biological Sciences, Graduate

School of Science, the University of Tokyo

I love GnRH!

GnRH1

GnRH2

GnRH3

Terminal Nerve GnRH System (sGnRH)

Midbrain GnRH System (cGnRH-II)

Hypophysiotrophic Preoptic GnRH System (sbGnRH)

Tel

TeO

ON

OB

Med

Pit

Cb

Multiple GnRH peptidergic systems in vertebrate brains

Tel

Hormone

Neuromodulator

Neuromodulator

Gonadotropin-releasing hormone

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Trp-Leu-Pro-Gly-NH2ｓＧｎＲＨ

pGlu-His-Trp-Ser-Hisr -Gly-Trp-Tyr -Pro-Gly-NH2cＧｎＲＨ-II

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Ser -Pro-Gly-NH2seabreamＧｎＲＨ

GnRH3

GnRH2

GnRH1

IR-DIC image of TN-GnRH neurons (GnRH3)

20μm

TN-GnRH neurons

3030μμmm

Immunohistochemistry of TN-GnRH neurons

100μmelectrode

ドワーフグーラミーのTN-GnRH ニューロンは生きたまま顕微鏡で容易に同定できる;他の脊椎動物では不可能

TN-GnRH

TN-GnRHニューロンのペース

メーカー活動の細胞内記録

TN-GnRH neurons

50μm

Telencephalon

Olfactory Bulb

15

100μm

単一終神経GnRH ニューロンの細胞内染色像

TN

単一終神経GnRH ニューロンの細胞内染色像; 連続切片から単一ニューロンの全体像を再構成

単一のGnRHニューロンが脳の極めて広い範囲に投射している；

下垂体にはまったく投射がない

終神経GｎRHニューロンのペースメーカー活動

A

B

C

Oka and Matsushima, ‘93

終神経GnRHニューロンは内因性のイオ

ンチャネルの働きによりペースメーカー活動をしている•ペースメーカー頻度が膜電位依存性である（下左）•リズムのリセットが起こせる（下）•シナプス入力をなくしてもペースメーカーが残る（下右）

終神経GnRHニューロンのペースメーカー

活動の頻度は動物の生理的状態を反映しているのかもしれない（左図）；同一の動物の脳から記録した２つのニューロンからの記録を見ると，頻度は大変似通っているが，動物間で比べると違いがある。

Ringer

+20 nM sGnRH

+20 nM sGnRHc

washout

Time (s)

d

Vol

tage

(mV

)

a

b

+20 nM sGnRHA

Vol

tage

(mV

)

a b c d

0 1 2 3 4 5 6 7 8Time (min.)

+20 nM sGnRH

Freq

uenc

y

0

2

4

6

CB

Effects of sGnRH'98 11/11 No.4

終神経GnRHニューロンのペースメーカー頻度の調節終神経GnRHニューロンのペースメーカー頻度はGnRH自身によってauto-/paracrine的に修飾を受ける

0 1 2 3 4 5 6 7

Time(min.)

6

4

2

0

+20 nM sGnRH

Freq

uenc

y

8

+20 nM sGnRH

a b c d

A

40 45

50

25

-25

-50

Ringer

50

a

180 185 190

+20 nM sGnRH50

25

0

-25

-50

c120 125 130

+20 nM sGnRH50

25

0

b

-25

-50

420 425 430

washout50

25

0

-25

-50

Time(s)

d

Vol

tage

(mV

)

B C

Vol

tage

(mV

)

Time (min.)

Effects of sGnRH(Pipette sol. contains

1mM GDP-

b

-S.)

'98 12/8 No.4a

Olfactory bulb

TN-GnRH neurons

GnRH受容体遺伝子プローブを用いたin situ hybridization

終神経GnRHニューロンのペースメーカー頻度は灌流液に加えたGnRHに

よって，２相性に修飾を受ける

パッチピペットにGDPβSを入れておくと終神経GnRHニューロンの

ペースメーカー頻度の修飾が抑制される→この神経修飾にはGタンパク質共役型のGｎRH受容体がかかわって

いる

1μm

16

終神経GnRHニューロンの神経修飾作用に関するモデル

BO

reticular formation

DpVs/Vv

LC

Nucleus

tegmento-terminalis

VM

nVs

somatosensory

visual

olfactory

TN-GnRH neurons(modified from Yamamoto et al.,2000)

pretectal nuclei

0

5

10

15

Control 20 40 60 100

♂

♀

[K+]o (mM)

††

*†

†

*†

*†

G

ENVIRONMENTAL/PHYSIOLOGICAL CONDITIONS

Hormones

INa(slow)

終神経GnRHニューロン

Na+

INa(fast)

Na+IK(V) K+

TargetNeurons

TargetNeurons

GnRH

Ca2+

ICa(N)

Ca2+

K+

Ca2+

TargetNeurons

K+

IK(Ca) apamin-sensitive

GnRHGnRH-R

?

Neuromodulator functions of TNNeuromodulator functions of TN--GnRH neuronsGnRH neurons

ICa(N, P/Q)

IK(M)Excitability

TransmitterRelease

OlfactorySomatosensoryVisual

iGluR/mGluR

ICa(R)

終神経GnRHニューロンは各種の感覚情報中継

核からのシナプス入力を受ける

終神経GnRH神経系を含む脳スライスを脱分極刺激するとGnRHが放出される（RIA）

各種感覚情報中継核であるNucleus tegmentoterminalisから終神経GnRHニューロンには強力なシナプス入力がある

Single cell electroporation enables efficient and specific loading of [Ca2+]i indicators to TN-GnRH neurons

Before AfterElectroporation

(30V, 1ms, 5ms interval, 200 pulses)Rei Ozaki

0 20 40 60 80-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (s)

DF/

F0

#0#1#2

80400Time (s)

0

0.2

-60

-40

-20

0

20

40

60

ΔF／

F0

Simultaneous electrical recording and [Ca2+]i imaging

Transgenic GFPTransgenic GFP--GnRH medakaGnRH medaka

Pacemaker activity of transgenic GFP-midbrain GnRH (GnRH2) neurons (left)

Transgenic GFP-GnRH3 (left) and -GnRH1 (right) neurons

ShinjiMatsumoto

Dr. KataakiOhkubo,

NIBB

17

Metastin neuronsMetastin neurons

Neuromodulator functions of TNNeuromodulator functions of TN--GnRH neuronsGnRH neurons

G

ENVIRONMENTAL FACTORS

INa(slow)

TN-GnRH neuron cluster

Na+

INa(fast)

Na+IK(V) K+

TargetNeurons

TargetNeurons

GnRH

Ca2+

ICa(N)

Ca2+

K+

Ca2+

TargetNeurons

K+

IK(Ca)

GnRH

GnRH-R

ICa(N, P/Q)

IK(M)Excitability

TransmitterRelease

GluR/mGluR, GABAR

ICa(R)

GnRH-R

Auto/paracrine control

Electrical coupling

Control of motivation

NTT

GPR54

SENSORY SYSTEM

MetastinNeurons

MetastinMetastin

Hormones

MidbrainGnRH

Neurons

POAGnRH

Neurons

Reproduction

Wide Projection

20151050Time (s)

-100

0

100

200

AD

C v

alue

(mV

)

Underwater radio-telemetry system for extracellular recording

Laboratory of Biological Signaling,Graduate School of Science,

The Univ. of Tokyo

Transmitter circuit

Pacemaker potentials of single TN-GnRH neuronextracellularly recorded by the radio-telemetry system

0 10 20 30 40-50

0

50

100

150

200

Time (ms)

ADC

val

ue (m

V)

Tx

Rx

神経核の情報処理機構とその修飾RE

PS

IM TO

CG

RE

PS

IMTO

CH

CH

LI

ON ON

CR CR

LC

SC

RLTD

G

BACHCH

CHCH

TOTO

CGCG

ILIL

GL SCLFL PC

C

**** ****

** **** **** **

1mm 1mm 50μm

CR cells

time

CR

cel

l act

ivitｙ timePo

stsy

napt

icre

spon

se

膜電位感受性色素を用いた神経核電気活動の可視化

18

Time (s)

Mem

bran

e po

tent

ial (

mV

)

Sperm

200 400 600

-10

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80

0

Phase I

Phase II

Phase III

卵・精子のイオンチャネル・レセプターと情報伝達

1 2 3

4 5 6

7 8 9受精電位

受精時の細胞内 Ca2+濃度変化