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2013年03月29日
体液Na濃度センサーの調節機構の解明 〜脳内エンドセリン-3の役割が明らかに〜

 動物の生存にとって体液(細胞外液)の塩濃度を一定に保つことが必須です(体液恒常性)。このため、動物は体液のナトリウム(Na+)濃度と浸透圧を常時モニターする仕組みを獲得したと考えられています。体液のNa+と水のバランスが崩れた時、例えば、長時間の脱水は体液中のNa+濃度を上昇させます。この時私たちは、のどの渇きを覚え、ただちに水分の補給を行うとともに、塩分摂取を抑制します。また、尿中への排泄/再吸収の制御を行っています。基礎生物学研究所の野田昌晴教授、檜山武史助教らの研究グループは、この体液中のNa+濃度上昇を検出するセンサーがNaxチャンネルであり、その検出中枢が脳内の感覚性脳室周囲器官であることを一連の以下のような研究を通して示してきました。

 

 Naxは、脳において感覚性脳室周囲器官(脳弓下器官(SFO)や終板脈管器官(OVLT))のグリア細胞に分布していました。これらの神経核は第三脳室の前壁に位置し、血液-脳関門が欠損している部位であり、以前から体液状態のモニタリングへの関与が疑われていたところです。SFOのNaxを発現している細胞を電気生理学的に解析した結果、Naxは細胞外のNa+濃度上昇を感知して開口するチャンネルであることがわかりました。研究グループが作成したNax遺伝子ノックアウトマウス(Nax-KO)は、脱水条件下において体液中のNa+濃度が上昇していてもこれを感知できず、塩分の摂取を抑制しませんでした。このNax-KO行動異常は、SFOに局所的に正常遺伝子を戻すことによって、野生型に回復させることができました。

 

 このように研究グループのこれまでの研究からNaxが中枢のNa+濃度センサーであると推定されましたが、大きな謎が残されていました。それはNaxが体外ではNa+濃度が約150 mMを超えて初めて活性化するという性質を示したことでした。体液のNa+濃度は通常、135~145 mMに厳密に維持されています。Naxが真に脳のNa+濃度センサーであるとすれば生理的範囲のNa+濃度変化を感知できるはずです。今回、研究グループは、この残されていた課題を解決することに成功しました。Naxの活性化閾値は体内では生理的範囲のNa+濃度の上昇に応答できるようになっていました。それは固定されたものではなく、脱水状態に応じて調節されることも判りました。この研究成果は、2013年4月2日に米国科学専門誌Cell Metabolismに掲載されます。

 

[研究の成果]

 研究グループは、生体内のNaxの活性化閾値が何等かの因子によって調節を受けていると考えました。SFOには、血圧調節ホルモンであるアンジオテンシンIIやエンドセリンの受容体が多く発現しています。そこで、これらのホルモンの中でNaxの細胞外Na+濃度感受性に影響を与えるものを探索したところ、エンドセリン-3 (ET-3)が用量依存的にこれを高めることが明らかになりました。Naxは、ET-3が存在しない場合には、細胞外Na+濃度が約150 mMを超えると開口し始めます。ところが、ET-3が1 nMあると135~145 mMでも開口し始めました。通常状態でもSFOにはET-3が一定量発現しており、Naxの体内での活性化閾値はこの範囲にあると考えられます。また、エンドセリン受容体のETBRが、Naxと同じくSFOのグリア細胞において共発現していることも明らかになりました。

 

 さらに薬理学的解析から、ET-3によるNaxの活性化はETBRを介しており、その下流のタンパク質キナーゼC(PKC)及びextracellular signal-regulated kinase1/2(ERK1/2)の活性化が必要であることがわかりました。研究グループの以前の研究から、SFOにおいてNaxが活性化すると、Naxを発現するグリア細胞から乳酸が放出され、隣接するニューロンに伝達されて、その発火頻度が上昇することがわかっています。今回、SFOの急性スライスにET-3やETBRの活性化剤を投与するとニューロンの発火頻度が上昇することが確認されました。

 

 さらに、SFOにおけるET-3の発現は、脱水に伴って上昇することが明らかになりました。脱水状態の動物に水と食塩水を自由に摂取させると、水を大量に摂取すると同時に食塩水を回避する行動を示しますが、Nax-KOマウスはこれを回避しません。あらかじめETBRの阻害剤を脳室内に投与したマウスについて、同様の行動を解析したところ、野生型マウスに比べて有意に塩分摂取を回避せず、Nax-KOに近い行動を示します。このように、脱水時には我々の脳のSFOではET-3の発現が誘導され、Naxの細胞外Na+濃度に対する感受性を高め、鋭敏に塩分摂取を回避するように行動を制御していることが明らかとなりました(図)。

 

[本研究の意義と今後の展開]

 動物個体が乾燥(水欠乏)という体外環境の変動に曝された時に、体液中のNa+濃度の恒常性という体内環境を維持するために、水分摂取を促進し、塩分摂取を抑制するとともに、尿量を減少させます。これは環境に適応する巧妙な仕組みの一つです。本研究によって、Na+濃度センサーNaxの活性化閾値が血圧調節ホルモンであるエンドセリンによって調節されていることが初めて明らかになりました。これは、体液Na+恒常性の調節機構の理解を一歩前進させる成果です。また、血中Na+濃度と血圧との間には従来から強い繋がりがあるとされてきましたが、今回の発見は今後その仕組みを明らかにする端緒になると考えられます。今後、Nax-KOマウスに血圧異常がないか調べる予定です。

 

 一方、脱水時のSFOにおけるET-3の発現誘導はNax-KOマウスでも起こることから、Nax以外のセンサーがこれを感知していると考えられます。今回の成果により、どのようなセンサーが脱水状態を感知してET-3の発現を誘導しているのかという新しい「謎」が出現することとなりました。

 

 また、感覚性脳室周囲器官以外の場所に発現するNaxについては、これまで生理機能が不明でしたが、今回の研究成果により、それらの活性化が生理的Na+濃度でエンドセリンによって行われている可能性が出てきました。Naxは脳室周囲器官以外にも、肺、子宮筋、脊髄後根神経節等にも発現しており、今後、エンドセリン遺伝子の発現と分泌調節機構が明らかになれば、体内の様々な部位におけるNaxの生理機能の解明が一気に進むものと期待されます。

 

 

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[論文情報]

Cell Metabolism 4月2日号掲載(報道解禁日時:日本時間3月29日(金)午前1時)

論文タイトル:Endothelin-3 Expression in the Subfornical Organ Enhances the Sensitivity of Nax, the Brain Sodium-Level Sensor, to Suppress Salt Intake

著者:Takeshi Y. Hiyama, Masahide Yoshida, Masahito Matsumoto, Ryoko Suzuki, Takashi Matsuda, Eiji Watanabe, Masaharu Noda

 

研究者向けの解説(ライフサイエンス新着論文レビューに掲載)はこちら

 

[研究グループ]

本研究は、基礎生物学研究所 統合神経生物学研究部門の野田昌晴教授と檜山武史助教が中心となって実施されました。

 

[研究サポート]

本研究は文部科学省科学研究費補助金のサポートを受けて行われました。

 

[本件に関するお問い合わせ先]

基礎生物学研究所 統合神経生物学研究部門

教授: 野田 昌晴 (ノダ マサハル)

TEL: 0564-59-5846(研究室)

E-mail: madon@nibb.ac.jp

URL: http://niwww3.nibb.ac.jp/

 

[報道担当]

基礎生物学研究所 広報室

Tel: 0564-55-7628

Fax: 0564-55-7597

E-mail: press@nibb.ac.jp