ショウジョウバエのメスは交尾後、夜にアミノ酸を多く摂取する

九州大学大学院システム生命科学府4年生の内園駿と大学院理学研究院の谷村禎一教授および伊藤太一助教らの研究グループは、ショウジョウバエのメスは交尾後の夜間にアミノ酸を多く摂取するようになることを行動実験によって明らかにしました。

　生物は地球の自転による環境の変化に対応するために「体内時計」を備えています。体内時計によって生物は睡眠などの行動を決まった時間に行うことができます。一方で、生物は生命活動に必要な栄養素を摂取するために、適切な食事をする必要があります。これら2つのバランスが崩れると、ヒトでは生活習慣病やその他の疾患を引き起こすことがわかってきました。本研究グループは、生命活動に必須なアミノ酸の摂食行動が体内時計によって調節されているのかをショウジョウバエを用いて調べました。

　アミノ酸の摂取は、交尾後のメスのハエが卵を産生する上で必要不可欠であることが知られています。そこで、オスのハエ、未交尾のメス、交尾したメスのハエで、昼間と夜間のアミノ酸の摂取量を比較しました。その結果、交尾したメスのハエでだけ、夜間のアミノ酸の摂取量が劇的に上昇することがわかりました。しかし、この変化は交尾後にメスが卵を産生することで引き起こされるわけではありませんでした。また、体内時計を持たない突然変異体のメスのハエでは、アミノ酸摂取量の昼夜の変化が起こりませんでした。つまり、交尾を経験することが引き金となって、体内時計によるアミノ酸の摂取量の昼夜変化が生み出されるのです。

　ヒトでも妊娠中には味覚が変化するなどの様々な変化が起きることが知られていますが、そのメカニズムはよくわかっていません。今後、私たちは、交尾後にだけ現れるアミノ酸の摂取量の昼夜変化がどのように体内時計によって制御されているのかを解明したいと考えています。

　本研究成果は、2017年2月27日（月）午後2時（米国東部時間）に米国オンライン科学誌 「PLOS ONE」に掲載されました。

九州大学プレスリリース

ショウジョウバエは美味しい食べ物の種類を匂いと味で区別して覚えることができる

Learning the specific quality of taste reinforcement in larval Drosophila

Michael Schleyer, Daisuke Miura, Teiichi Tanimura, Bertram Gerber


概要
ドイツ共和国のライプニッツ研究所のGerber教授との共同研究によって、昆虫の学習能力がこれまで考えられていたように単純でなく、報酬の「質」を区別して学習できるほど高度であることを明らかにした。昆虫には、人間と同様、学習能力があることがわかっている。しかし、覚えることができるのは「良い・悪い」だけであるとされてきた。今回の研究によってショウジョウバエの幼虫は良い悪いの「種類」を区別して学習し行動できることがわかった。この研究成果は電子ジャーナルeLifeで発表された。


背景
学習能力は動物が適切な行動をするのに重要である。食物を例にあげると、甘い糖溶液に匂いがついていることを何回か経験すると、その匂いを嗅いだだけで甘いものを期待して行動するようになる。逆に匂いと苦い溶液を経験させると、その匂いを避けるようになる。このような学習能力によって、昆虫は「よいもの」と「危険なもの」に対して適切な行動できる。


内容
ショウジョウバエの幼虫に、糖と匂いの組み合わせを学習させた後に、匂いだけを与えると、糖と組み合わせた匂いに寄るという行動を示す。ところが、糖がある状態でその匂いがあると匂いには集まらない。糖があるところでは、匂いの方に行く行動は意味がないからである。つまり状況に応じて行動を選択できる。
ショウジョウバエの幼虫はアミノ酸の味がわかる。そこで、糖で学習させたハエをアミノ酸のひとつであるアスパラギン酸の元で匂いのテストをすると匂いに集まった。つまり、ショウジョウバエの幼虫はアミノ酸と糖の味を区別して記憶していたことがわかる。
嫌いな苦味物質キニーネと高濃度の食塩を用いて同様の実験を行った。この場合は、匂いのテストの時に学習した物質があるときだけ、覚えた匂いを避ける行動をする。するとショウジョウバエの幼虫は、苦味物質キニーネと高濃度の食塩を区別して行動できることがわかった。


今後の展開
ショウジョウバエの幼虫の脳細胞の数は１万個ほどでしかないが、このような高度の行動選択ができるのである。昆虫の「こころ」は意外と複雑であり、虫には高度な学習能力があるかもしれない。


補足：今年度は大学内で責任ある務めを仰せつかったため、これまで更新する時間がありませんでした。まだ、多忙な日々が続いていますが、務めの中で人間や組織について多くのことを学んでいます。

「満腹」のシグナルは浸透圧

論文にはそれぞれの物語があります。今回の論文は、私が頻繁にドイツに行くきっかけとなった仕事で、2007年頃に共同研究が本格的に始まりました。tanlabからは３名がデータを供給しています。この研究の過程で、栄養価学習の論文が 生まれました。最初の論文が仕上がってから発表までに３年も要した理由は、筆頭著者がこの仕事でPhDを取得してから研究の場を離れたので、投稿、改訂作業に手間取ったからです。昨年の夏に私が２週間MPIを訪問したときに連日改訂作業を行いようやく再投稿できました。2010年に投稿したときには厳しいコメントがついたのですが、時代の流れが変化したおかげで今回はす んなりとアクセプトになったのです。「時代の流れが変化した」効果とは査読者の評価が流行に影響されていることを示しています。  
 
F. Gruber, S. Knapek, M. Fujita, K. Matsuo, L. Bracker, N. Shinzato, I. Siwanowicz, T. Tanimura and H. Tanimoto

Suppression of Conditioned Odor Approach by Feeding Is Independent of Taste and Nutritional Value in Drosophila. Current Biology 23, 1-8 (2013)

ショウジョウバエの味と匂いの連合学習の解除シグナルは、甘さでも栄養価でも食べた量でもなく、食物の浸透圧であることを発見

概　要
　 ショウジョウバエの匂いと報酬の連合記憶発現を制御する「満腹」のシグナルが意外なことに食物の味や栄養価に依存しないことを薬理・電気生理・行動実験を組み合わせることによって明らかにしました。本研究成果は、2013年3月7日正午(米国東部時間)にCurrent Biology誌オンライン版に掲載されます。  

背　景
　昆虫にとって、匂いと食物を関連づけて覚えておくことは重要な学習能力です。ショウジョウバエも、砂糖報酬によって形成された連合記憶を用いて特定の匂いに誘引されますが、そのためにはまずハエが空腹であることが必要です。空腹が記憶の行動発現の動機付けになっているからです。匂いと食物を関連づけて覚えたことは、満腹になることでその記憶を使う必要がなくなります。では、記憶発現を抑制するその「満腹感」の実体は何なのでしょうか。

これまでの考えによると、「満腹」のシグナルは食べた食物の栄養価や食べた量であると考えられてきました。しかし、今回の共同研究で学習実験と摂食定量実験などを行い、連合記憶の発現を抑制する「満腹」のシグナルが浸透圧であることを解明しました。  

内　容
　 多くの動物がそうであるように、ショウジョウバエの体液でも、主要なエネルギー源となる血糖はグルコースです。昆虫の場合、グルコースは二糖類であるトレハロースを分解して産生されます。そこで、トレハロースを食べても体内で分解できないようにトレハロース分解酵素の阻害剤を混ぜて食べさせました。しか し、記憶発現への抑制効果に変化はありませんでした。

　アラビノースという糖は、ショウジョウバエにとって甘くはありますが栄養価は全くありません。このアラビノースを与えても、同様に抑制効果に変化はありませんでした。これらの結果は、食べるものの栄養価が抑制効果には重要でないことを意味しています。さらに食べた量とも関連性がないことがわかりました。

　糖に塩やカリウム、アミノ酸のグリシンを混ぜると味が変わり甘みは抑制されますが、意外なことに、これらの混合物にはすべて記憶発現の抑制効果がありました。すなわち、甘さにも栄養価にも関係なく、食物の浸透圧が 高いことが「満腹感」を抑制する有効なシグナルであることがわかりました。

　さらに、遺伝的技術を用いて、人間のグルカゴンに相当するハエのホルモンであるAKHを人工的に放出させ、ショウジョウバエの血中浸透圧を上昇させました。すると、実際にはショウジョウバエは何も食べてい ないにもかかわらず、同様の「満腹感」の抑制効果が確認されました。  

効　果
　浸透圧は食べ物の「濃さ」の指標ととらえるこ ともできます。これが満腹感のシグナルの一部であることは、満腹感がカロリーなどの単一因子により制御されているという従来考えられていたメカニズムとは 大きく異なります。ハエの体内における空腹度に依存した摂食行動と記憶の行動発現を制御するメカニズムは単純ではないことを示しています。  

今後の展開
　ショウジョウバエが体内に持っていると考えられる浸透圧センサーが、どのような仕組みで働いて摂食行動を制御しているのかを知ることが次の課題です。

考えて食べるハエ

以下の論文が7月26日にオンラインでリリースされました。

Taste preference for amino acids is dependent on internal nutritional state in Drosophila melanogaster. J. Exp. Biol. 215, 2827-2832, 2012

ショウジョウバエは体内のアミノ酸不足を感知し、味覚感度を変化させることにより、アミノ酸をより多く摂取することを発見
 
背景
人間は、ビタミンが不足していると野菜を食べたくなったり、必須アミノ酸が不 足するとタンパク質を食べたくなったりするのでしょうか。このような能力が人間に備わっているのかは未だ不明です。むしろ、甘くて美味しいと感じるものば かり食べることによって肥満や糖尿病になることが先進国では問題になっており、何をどれだけ食べるかを知るために栄養学の知識が不可欠となっています。私たちは、生物が臨機応変に適切な食物を選ぶ能力があるかを調べるため、ショウジョウバエを用いて実験をしました。

内容 

ショウジョウバエにとっても体内で合成できない必須アミノ酸があり、それらを摂取しなければメスのハエは産卵できません。そこで、ハエの成虫をアミノ酸を含まない培地で６日間飼育した後、糖とアミノ酸の２種類の溶液のどちらを摂食するかを調べる2者 選択嗜好実験行いました。この結果、アミノ酸を含まない培地で飼育されたハエは、アミノ酸を欠乏していないハエと比べてアミノ酸をより好んで摂食するとい うことがわかりました。つまり、ショウジョウバエは体内のアミノ酸レベルをモニターするセンサーを持っており、アミノ酸欠乏状態になると、アミノ酸を選択 的に摂食するようになる仕組みが存在するということが明らかになりました。また、ハエの口器にアミノ酸溶液を触れさせて吻の伸展反射を調べることで、実際 に、唇弁の味覚器について、特定のアミノ酸に対する感度が欠乏状態で上昇していることがわかりました。また、アミノ酸を欠乏したハエは糖を食べて満腹状態 であってもアミノ酸を摂食することがわかりました。このことから、糖とアミノ酸の摂食はそれぞれ独立に制御されていると考えられます。

効果
ショウジョウバエは、体内でアミノ酸が欠乏していることがわかり、選択的に食 物を選ぶ能力を持っていることが判明しました。これは人間が思っている以上に昆虫が高度な意思決定を脳で行い、環境に適応して生活していることを示す結果 です。生物研究のモデルとしてショウジョウバエで昆虫生理学の研究を行うことは、人間が持つ隠された能力を知るための重要な知見を与えることになります。

今後の展開 
ショウジョウバエが体内に持っていると考えられるアミノ酸センサーが、どのような仕組みで働いて摂食行動を制御しているのかを今後研究していく予定です。

考えるハエ（谷崎美桜子）

アゲハチョウが植物を味で見分けて産卵する仕組みを解明

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10年越しの共同研究の成果がようやく論文になりました。この共同研究は、JT生命誌研究館(BRH)で吉川先生が立ち上げられたプロジェクトで、尾崎さんが研究を始められ、私とフランスのフレッドのラボのメンバーが協力させていただきました。日仏共同研究の成果でもあります。以下はプレスリリースした文面です。

JTと九大でのプレスリリースの結果、ほとんどの新聞社が朝刊の記事にしてくれました。これはめったにないことだと思いますが「アゲハ・産卵」ということが一般受けしたからでしょう。各社の取材とメールや電話での対応に4時間以上の時間をとられましたが、これも研究者の社会に対する責務と思います。

ただ、取材を受けていて「遺伝子とは何か」の基礎的な理解を記者の方に持っていただきたいと思いました。遺伝子とタンパク質の関係について以下のようなことです。

「すべての細胞には中央図書館である核があって、核のなかの染色体に含まれるDNAに遺伝情報が書き込まれています。それぞれの細胞で必要なタンパク質をつくるための情報を図書館でコピーします。それがmRNAです。mRNAにはタンパク質のアミノ酸の並べ方の情報があります。」

☆　概　要

　アゲハチョウ（ナミアゲハ）のメスは前脚で植物の葉の表面に触れて“味見”をすることで、幼虫が食べられる食草であることを見分けます。JT生命誌研究館の尾崎克久研究員、吉川 寛顧問らを中心とするグループとの共同研究によって、その味覚受容体タンパク質の分子的な実体を解明しました。本研究成果はNatureの姉妹紙のオンライン科学誌「Nature Communications」（11月16日付）に掲載されました。

☆　背　景

　アゲハチョウの幼虫は特定の植物だけを餌として発育するので、アゲハチョウのメスの成虫は植物種を正確に識別して適切な植物に産卵しなければいけません。そのためにアゲハチョウは前脚で葉の成分を“味見”していますが、そのためには葉に含まれる複数の化学物質の存在が必要であることがわかっていました。しかし、どのような味覚分子センサーが関わっているかは謎のままでした。

☆　内　容

　本研究では、アゲハチョウの前脚で働いている遺伝子を解析し味覚受容体の候補遺伝子を発見しました。その遺伝子を昆虫の培養細胞で強制的に発現させて、葉に含まれる産卵刺激物質の一つであるシネフリンに対して特異的に反応することを確認しました。さらに、”RNA干渉法”とよばれる手法を用いて受容体の遺伝子の発現を抑制したアゲハチョウでは、前脚跗節にある化学感覚子のシネフリンに対する感受性が低下していることを電気生理実験により確認し、同時に産卵行動が抑制されることを観察しました。

☆　効　果

　これまで、遺伝子レベルの研究が進んでいなかったチョウにおいて、産卵行動における味覚の役割を分子レベルで明らかにした成果はユニークです。今後、宿主と昆虫の関係を明らかにすることによって害虫の防除にも役立つ可能性があります。

☆　今後の展開

　昆虫の食草の認識機構に何らかの変化が生じた場合、食草の変更が起こり、それが、種分化・進化の出発点となる可能性が考えられます。行動と遺伝子の進化の研究が今後展開していくことが期待されます。

ショウジョウバエも「考えて」食べる

論文を出しました。

Drosophila Evaluates and Learns the Nutritional Value of Sugars. Current Biology (2011), doi:10.1016/j.cub.2011.03.058

以下はプレスリリースした紹介文です。出版社Cell Pressから大学の広報に連絡があり、広報の方から要請があったので、ちゃんと対応しました。新聞に掲載されることと論文内容の科学的な重要性は必ずしも正の相関があるわけでなく、また、新聞に出たこと自体を評価の対象とすることが好きでないので、これまでは、プレスリリースすることにまじめに対応していませんでした。でも、研究成果をこのような方式で一般市民に公開することも研究者の社会に対する責任かなと考え直しました。わたしは、高校生に対する啓蒙活動に長年、かなり時間を割いているのですが、こちらはあまり評価の対象とはならないかな。

「ショウジョウバエは糖の栄養価を判断し学習することができる」

■　概要

　ショウジョウバエを用いた実験によって、ハエは味にだまされることなく、栄養価を体内で判断してエネルギー源となる糖を学習できることを発見しました。本研究成果は、2011年４月21日正午（米国東部時間）に、米国の科学雑誌Current Biology誌オンライン版に掲載されます。

■　背景

動物が食物の栄養価をどのように判断して食べているのかはまだよくわかっていません。食行動には味覚による判断が重要ですが、美味しいものがすべて栄養になるわけではありません。

人間は、栄養学の知識無しで、自分にとって必要な栄養素を選んで食べることができるのでしょうか。これを解明する手がかりとして、ショウジョウバエをモデルにした実験を行いました。

■　内容

ソルビトールという糖はショウジョウバエにとって無味です。しかし、ハエにソルビトールだけを与えると生き延びることができます。アラビノースという糖は ショウジョウバエにとって甘いのですが、まったく栄養価がありません。ショウジョウバエにアラビノースだけを与えると最初は食べますが、その後はあまり食 べなくなります。このことより、ショウジョウバエは食べた後に体内でその栄養価を判断しているということが考えられます。

　ソルビトール寒天溶液に匂いＡ、水寒天溶液にに匂いＢをつけて、10分間食べさせてから１時間何もないビンにいれるという試行を4回繰り返した後に、2種類の匂いのどちらを選ぶかを調べたところソルビトールと組み合わせた匂いの方をより多く選んだ。この結果はショウジョウバエが栄養価を学習できることを示している。
　用いた匂いはショウジョウバエが本来、好きでも嫌いでもなく中立的な匂いです。糖と匂いの組み合わせは二通りで行っています。匂いは寒天溶液に混ぜなく、ビンの蓋につけました。

■　効果
　ショウジョウバエがこのような能力を持っているとはこれまで誰も考えていませんでした。また、人間とショウジョウバエは多くの遺伝子を共有しているため、ショウジョウバエは人間の食行動と栄養学研究のための良い実験モデルになるといえます。記者さんからは、この研究は人間にどのように応用できるのか、どのように役に立つのかと尋ねられます。しかし、この研究は直ちに応用に結びつくものではありません。

■　今後の展開 

今後は、ショウジョウバエの体内でどのように栄養価を判断しているかを解明します。また、糖以外の食物の選択にも同様なメカニズムがあるかを研究していきます。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　イラスト　谷崎 美桜子