大阪大学大学院理学研究科の長谷部政治助教と志賀向子教授は、昆虫脳を用いて、神経伝達物質であるグルタミン酸の脳内レベルが、概日時計遺伝子に基づいて日長変化を示し、季節応答に寄与することを世界で初めて明らかにしました。

多くの動物は季節の移り変わりを1日の日の長さ（日長）の変化から感じ取り、体内の生理状態や行動を季節に応じて調節しています。これまでの長年の研究から、約24時間周期のリズムを作る体内時計（概日時計）が、日長情報の読み取りに重要であることが示唆されてきました。一方、概日時計に基づいて日長情報を伝える脳内の神経伝達機構についてはほとんどわかっていませんでした。

今回、長谷部助教と志賀教授は、生殖機能に明瞭な光周性を示すカメムシを用いて、脳内の神経伝達物質であるグルタミン酸のレベルが、概日時計遺伝子依存的に日長条件に応じて顕著に変化することを明らかにしました（図1）。また、グルタミン酸は抑制性受容体を介して産卵促進に寄与するニューロン（神経細胞）の活動性を制御することで、日長に応じた産卵の制御に関与していることもわかりました（図1）。グルタミン酸は昆虫だけでなく、幅広い動物種の脳内情報伝達に用いられているため、グルタミン酸シグナルに着目した研究が今後発展していくことで、動物種全般における概日時計に基づいた季節情報の伝達機構の理解が進むことが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「PLOS Biology」に、9月7日（水）午前3時（日本時間）に公開されました。

図1. 脳内のグルタミン酸レベルは概日時計遺伝子に基づいて日長変化を示し、産卵促進ニューロンの活動性を制御している

温帯地域の生物は、四季による環境変化に適切に対応するために、季節を正確に知る必要があります。動物、植物は季節を読みとるために年によって変わらない1日の明るい時間の長さ（日長）を用いており、日長により生理機能や行動が変化する性質を光周性と呼びます。時間生物学者のエルビン・ビュニングは、体内の約２４時間のリズム（概日リズム）をもとに日長を読み取るモデルを１９３６年に提唱しました。近年、概日リズムを作りだす概日時計の分子機構が、生殖や温度耐性などの生理機能に見られる光周性にも重要な役割を果たしていることが示されてきました。しかし、光周性において、概日時計に基づいた日長情報を、生理機能を制御する脳細胞群へと伝達する神経機構についてはわかっていないのが課題でした。

長谷部助教と志賀教授は、生殖機能に明瞭な光周性を示すホソヘリカメムシを用いて、脳内の日長情報を伝達する神経機構を解析しました。カメムシの全脳（脳丸ごと）を培養し、培養液中に放出される神経伝達物質の量を測定する実験系を確立し、神経伝達物質の一つであるグルタミン酸の放出量が長日条件よりも生殖が抑制される短日条件で顕著に高いことを発見しました（図2）。さらに、概日時計と脳グルタミン酸量の変化の関係を調べるため、RNA干渉法を用いて概日時計遺伝子の発現を抑制したところ、図２で示したグルタミン酸量の日長による変化が消失することが明らかになりました。この結果は、概日時計が脳グルタミン酸レベルの日長変化を制御していることを示唆しています。続いて、グルタミン酸代謝酵素の遺伝子発現をRNA干渉で抑制し、人為的にグルタミン酸レベルを操作したところ、生殖機能の光周性が消失することを発見しました。最後に、以前の長谷部助教らの研究により神経活動レベルで日長に応答することが明らかになった、産卵を促進する脳ニューロンへのグルタミン酸の影響を電気生理学的手法により解析しました。その結果、グルタミン酸は抑制性受容体：グルタミン酸作動性塩化物イオンチャネル（GluCl）を介して産卵促進ニューロンの神経活動を顕著に抑制することがわかりました。次にGluClの光周性への影響を調べるため、GluClの遺伝子発現を抑制した結果、産卵促進ニューロンの神経活動および生殖機能の光周性が見られなくなりました。これらの研究結果は、グルタミン酸は概日時計に基づいた日長情報を産卵促進ニューロンへと伝達し、生殖機能の光周性に重要な役割を果たしていることを示しています。

図2. 脳から放出されるグルタミン酸量が長日個体よりも短日個体で顕著に高い

本研究成果により、季節適応の一つである光周性に重要な脳内の日長情報処理の仕組みの理解が進むことが期待されます。今回カメムシで日長情報伝達に関与していることが分かったグルタミン酸は、私たちの栄養素であるタンパク質を構成するアミノ酸の一種であり、昆虫から我々ヒトが属する哺乳類まで幅広い動物の神経伝達物質として働いています。そのため、本研究成果をもとに、このグルタミン酸シグナルに着目した研究が進むことにより、幅広い動物種に共通した脳内の概日時計に基づいた日長情報伝達のメカニズムの全貌が明らかになっていくことを期待しています。

本研究成果は、2022年9月7日（水）午前3時（日本時間）に米国科学誌「PLOS Biology」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Clock-gene-dependent glutamate dynamics in the bean bug brain regulate photoperiodic reproduction”
著者名： Masaharu Hasebe and Sakiko Shiga
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001734

なお、本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業の一環として行われました。

長谷部 政治助教
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/1cd9e2f64a248160.html