ニューロンにおけるゲノム DNA の倍数化
Polyploidy in neuron（日本動物学会推薦）

代表研究者 福岡女子大学

松尾 亮太

Fukuoka Women’s University

Ryota MATSUO

Neuronal polyploidization is one of the conspicuous characteristics of gastropod mollusks. Many brain neurons ingastropods contain large amount of genomic DNAs in their nuclei as a result of repeated whole genome replication
without cell division. The polyploidization is thought to occur to meet the increasing demand for macromolecules during
the body growth of an animal. That is, by increasing their sizes, neurons will enhance the efficiency to innervate andregulate peripheral organs. However, it has been unknown how the neurons sense the requirement for enhancing
macromolecule synthesis. Here I demonstrated using the “whole brain transplantation technique” that the brain neuron
replicates its genomic DNAs in response to some retrograde signals derived from the peripheral organs that areinnervated by that neuron. Nerve dissection experiment further supported this idea. I also recently obtained apreliminary observation that polyploidization does not necessarily enhance the amount of all of the transcripts evenly,
but rather the level of transcripts increases differentially, indicating some additional regulatory mechanisms are imposedon the macromolecular synthesis following DNA polyploidization.

研究目的
ヒトを含め、ほとんどの動物は父母由来ゲノムをノムを増幅し、物質合成能を高めて巨大化することで、対応している」といった解釈を与えている 1。

一対持ち、二倍体の体細胞から成る。また、ヒトに私は、この解釈の妥当性を実験的に裏付けるべく、おいて脳を構成するニューロンは、そのほとんどがナメクジを用い、①体を大きく成長させると脳のニ分裂能を持たず、その核には終生同じ量の DNA がューロンが大きくなること、②DNA の増幅頻度が亢格納された状態である。

進すること、③DNA の増幅は転写産物の増加も伴う

しかしながら、ナメクジやカタツムリ、アメフラこと、そして④DNA の増幅はゲノム全体の一様な増シといった軟体動物門腹側綱に属する動物は、その幅（つまり倍数化）であること、の 4 点を明らかに脳の中に巨大なニューロンを多く持ち、その核 DNAしてきた 2-4。さらに、ニューロンによっては一万倍は二倍体から大幅に増えていることが知られている。

体（おそらく 16,384 = 214 倍体）に及ぶ倍数化を示す

これは、コムギやある種の両生類のように、全身のものもいた 4。つまり、Gillette が提唱するように、細胞が一様に倍数化しているという訳ではない。

脳のニューロンは自身の体の成長、巨大化に応じて、DNA を増幅しているのが脳のニューロンのみであ支配領域の拡大を可能にすべく、DNA を繰り返し倍るかどうかは、今後の詳細な解析を待たねばならな数化させることで対応している、との説が実験的、

いが、少なくとも腹足類の脳には様々な程度に DNA定量的に裏付けられた。

を増幅させたニューロンが混在しているのである。

しかしながら、脳のニューロンが、自身の体が成イリノイ大学の Gillette（1991）は、こういった軟長、巨大化していることを如何にして知り、ゲノム体動物腹足類の脳の特殊性について、「体が大きく成DNA の倍数化に結び付けているのか、依然として不長し続ける腹足類において、運動ニューロン等は、明であった。また、ゲノム DNA の一様な増幅（倍巨大化する末梢臓器をうまく支配できるよう、核ゲ数化）が、そこにコードされている全ての転写産物の量も一様に増加させるのか、といったことが不明が見られない、というものであった。つまり、ニュであった。そこで本研究では、この 2 点の問題を明ーロンが DNA 増幅を亢進するためには末梢臓器へらかにすることを目的とした。の神経支配が必要である、という仮説②が示唆された。

研究経過

ニューロンは、自身の体が成長、巨大化している

そこでこの仮説②を検証するため、ナメクジの内在性の脳から出力する主要な神経束を片側だけ切断ことをどのように感知しているのか？

した際、切断を受けた側の神経節に存在するニューニューロンが自身の体が大きくなりつつあることをロンで DNA 増幅頻度が低下するか否かを調べた。

感知する機構として、筆者らは次の２つの可能性をその結果、予想通り切断を受けた側の神経節におけ想定した。

る DNA 増幅の頻度が有意に低下したことが明らか① 人為的に太らされているナメクジは、常時体液になった。すなわち、末梢臓器との神経連絡がニュ中に含まれる血糖などの栄養分子の濃度が高いーロンの DNA 増幅に重要な役割を果たしているこ状態にある。そのため、脳のニューロンは、体とが示された。

液中に含まれる栄養（グルコースやアミノ酸等）や栄養状態を反映する因子（インシュリン様分DNA 倍数化に伴い、転写産物も等しく増加するの子など）に直接反応してゲノムの倍数化に結びか？

付けている。

ニューロンでの DNA 増幅が、ゲノムの局所的な増② 腹側類の脳には、末梢臓器と直接シナプス結合幅（＝polyteny や polysomy など）ではなく、全体がする運動ニューロンや感覚ニューロンが多く含一様に増幅する倍数化（polyploidy）であることは、まれている。これらのニューロンが投射先の臓筆者らが既に示している 4。しかしながら、倍数化し器から何らかのフィードバックシグナルを受けた結果、全ての転写産物が等しく増加するのかどうることで、その臓器の成長が促進されているこかは不明であった。とを感知し、倍数化へとつながる。

筆者らは、人為的に太らせたナメクジの脳でどのよという２つのモデルである。

うな遺伝子の発現が変化しているかを調べている過これら２つの可能性を検証するため、筆者らはま程で、偶然にも、倍数化した同一のニューロン群でず、『脳まるごと移植』技術を用い、①の可能性の是発現しているにもかかわらず、ひとつの遺伝子は発非を検討した。この『脳まるごと移植』技術は、摘現量が増え、他方の遺伝子は発現量が減少する、と出した他個体の脳を、他の個体の体腔内へと移植する、というシンプルな移植を意味する。すなわち、ホスト（レシピエント）のナメクジには、体内に脳が２つある状態になる。ナメクジの体液循環システ
ムは、人間などと異なり、体液が心臓ポンプによってゆっくりと循環し、その中にあらゆる臓器が存在している、という単純な開放血管システムである。
従って、移植された脳も、ホストの脳も、同じ体液環境に曝されることになる。それ故、もし①の仮説のように、栄養状態を反映する体液中の因子によりニューロンが DNA 増幅を起こすのであれば、栄養状態の良いホスト脳のニューロンと、移植脳のニューロンは、ともに DNA 増幅が亢進することが予想される。しかし、もし②の可能性が正しいのであれ
ば、移植脳はホストの臓器に対する神経支配を欠く

図：投射先の臓器が大きくなることで何らかのシグナルを受けたため、DNA 増幅の亢進が見られないことが予想されニューロンは、ゲノムを倍数化させる。しかし、そこから転写さる。果たして結果は、移植脳では DNA 増幅の亢進れてできる産物は、一様に増えている訳ではなさそうである。

いう現象を見出した。両方ともニューロペプチドをンパクも同じように 2 倍になる、という単純なものコードする遺伝子なのであるが、体の成長によりニではないらしい。倍数化に伴って、DNA 上のエピジューロンが倍数化したことに伴う量的変化の方向が、ェネティックな痕跡（シトシンメチル化やヒストン

真逆なのである。つまりこのことは、倍数化に伴っ修飾の状態等）が果たして正確に継承されるのかどて発現量が増える遺伝子ばかりでなく、減少する遺うかも含め、転写活性、転写後制御の変化をつぶさ伝子も存在する、ということを意味している。従っに調べていくという作業が、今後求められる。てニューロンは、体が大きくなることに伴って、ゲノムを倍数化させて転写産物量を増やすだけでなく、

参考文献

遺伝子の転写レベルを個別に制御しているか、ある1.

in gastropods. Biol Bull 180, 234-240 (1991).

いは転写後調節などの機構により、mRNA 種ごとの量を巧妙に調節しているということが推察された

2.

Yamagishi M, Ito E, and Matsuo R. DNA
endoreplication in the brain neurons during body（前頁の図）。

growth of an adult slug. J Neurosci 31, 5596-5604現在、同じ単一の巨大ニューロンで発現している(2011).

のに、倍数化が進んだ際に、あるものは増え、あるものは減る、といった事例をさらに集めるため、

Gillette R. On the significance of neuronal giantism

3.

Matsuo R, Yamagishi M, and Ito E. Analysis of DNA

RNAseq を利用した網羅的なスクリーニングを実施

endoreplication in the brain neurons in the terrestrial

しているところである。

slug Limax valentianus. Acta Biol Hung 63 (suppl2), 171-178 (2012).

考察

4.

Yamagishi M, Ito E, and Matsuo R. Whole genome
amplification in large neurons of the terrestrial slug

本研究によりまず、腹足類のニューロンでは、そLimax. J Neurochem 122, 727-737 (2012).

れらが支配している末梢臓器から来る何らかのシグナルに応答してゲノム DNA を倍数化させていることが示された。しかし、そのシグナルの実体が何で研究の発表あるのかはまだ分からない。筆者らは哺乳類で言う口頭発表

ところの BDNF のような神経栄養因子様の分子を、

1.

今のところイメージしているのであるが、ひょっとゲノム DNA 増幅」（日本動物学会第 84 回大会、したら物質的な実体を伴わない信号（例えば臓器からアンチドロミックに伝わる膜電位変化の信号のようなもの？）である可能性も否定できない。いずれ*松尾亮太.「ナメクジの脳におけるニューロンの2013 年 9 月、岡山、招待講演）2.

*松尾亮太、魚住奈々、松尾優子.「ナメクジ大脳にせよ、ニューロンが倍数化の必要性を感じるため神経節の交連部を介した光情報の左右比較」（第には、それが支配する臓器に起こる変化（巨大化）

4 回九州地区動物談話会、島原市、2014 年 8 月が必要であることが強く推察される。今後、そのシ22 日）

グナルの実体を明らかにしていくことが必要である。

3.

また、ニューロンが周囲の液性環境の状態ではな

Matsuo R. “Photo-tropotaxis based on projection*

through the cerebral commissure in the terrestrial

く、実際に神経支配している臓器等の状態をモニタ

slug Limax.” International Workshop -Neuronal

ーしているらしいことについては、ある意味非常にprinciples of learning and memory and its

理にかなった戦略であると言える。投射先の臓器が大きくなって初めて、運動ニューロンは自身を大きperspectives for designing autonomic distributed

くする必要が生じるからである。何も栄養状態だけ

systems-, Honolulu, October 3, 2014.に敏感に反応して、体の成長に先んじてニューロンを大きくする必要は、確かに無さそうである。
さらに、後半で述べた転写産物の個別的な制御に

誌上発表
1.

*Matsuo R, Yamagishi M, Wakiya K, Tanaka Y, andついては、その精緻な物質合成制御機構に驚かざる

Ito E. Target innervation is necessary for neuronalを得ない。鋳型の DNA を 2 倍にしたから RNA、タ

polyploidization in the terrestrial slug Limax. Dev

2.

Neurobiol 73, 609-620 (2013).

olfactory center of the terrestrial slug Limax. J Comp

*松尾亮太 「ニューロンにおける DNA の増幅」

Neurol 522, 2951-2966 (2014).

ブレインサイエンス・レビュー2014 pp. 251-266
3.

4.

Matsuo Y, Uozumi N, and *Matsuo R.

(2014).

Photo-tropotaxis based on projection through the*Matsuo R, Kobayashi S, Wakiya K, Yamagishi M,

cerebral commissure in the terrestrial slug Limax. J

Fukuoka M, and Ito E. The cholinergic system in theComp Physiol A 200, 1023-1032 (2014).