ショウジョウバエにとって、飛ぶことがすべてです。これは、ハエが食物源や仲間に手を差し伸べ、捕食者から逃れ、安全な産卵場所を見つけるのに役立つ最も重要な先天的な行動です。しかし、ショウジョウバエが絶え間なく飛び、フルーツ ボウルに手を伸ばす能力を与えているのは何ですか? PLOS Genetics に掲載された Gaiti Hasan 教授の研究室からの最近の研究 は、この行動において重要な役割を果たす分子を特定しました。
多くの人が信じているように、飛行には途方もないエネルギーが必要です。しかし、飛行を開始して維持するための根本的な基盤は、ニューロンの活動に大きく依存していることをご存知ですか?ハエへの視覚的、匂い、または機械的な合図は、末梢感覚ニューロンによって認識され、この情報がより深い脳の中心に送信されます。ハエの中枢脳にある特定のニューロンがこれらの刺激に反応し、メッセージをさらに中枢パターン発生器に伝えます。これにより、飛行のための飛翔筋の協調動作が可能になります。
では、ハエはどのくらいの時間飛ぶことができますか?実験室の条件下で、著者らはつながれたハエが平均して約 10 分間途切れることなく飛ぶことができることを観察しました。このパラダイムは、このような長時間の飛行を維持するのに役立ち、野生でのハエの生存に有利であると証明できるニューロンと分子を特定するために使用されています。
著者らは、FMRFa 受容体 (FMRFaR) と呼ばれるタンパク質が、ハエのニューロンで重要な役割を果たし、長時間の飛行を可能にすることを発見しました。 FMRFaR は細胞の原形質膜に存在し、G タンパク質共役受容体 (GPCR) と呼ばれるタンパク質のグループに分類されます。 GPCR は、ペプチド、ホルモン、神経伝達物質などの分子からの細胞外メッセージを細胞内応答に変換します。ショウジョウバエがこのタンパク質 FMRFaR を欠いているとどうなりますか?著者らは、FMRFaR の変異体であるハエが長時間飛べないことを発見しました。実際、これらのハエは、野生型のハエの半分の時間しか飛行を維持できませんでした。問題は、これらのタンパク質が正確にどこに存在し、何をしているのかということです.
人間と同じように、ショウジョウバエの脳にはさまざまなニューロンがあり、互いに情報を伝達するためのさまざまな神経伝達物質を作り出しています。その中には、シグナル伝達のためにドーパミンを生成および使用するよく知られたクラスのニューロンがあります。ドーパミン作動性ニューロンと呼ばれるものは、哺乳類の学習、記憶、移動などの行動に影響を与えることが知られています。ショウジョウバエでは、遺伝子実験により、FMRFaR が成熟したドーパミン作動性ニューロンに存在することが明らかになり、成体で FMRFaR を欠くニューロンを持つハエは、3 分未満しか飛翔を維持できませんでした。
飛行中のドーパミン作動性ニューロンの FMRFaR は飛行の維持にどのように役立つのですか? FMRFaR は、活性化されると、ニューロンの興奮性の調節に必要なプロセスであるサイトゾル カルシウムを上昇させる細胞内のシグナル伝達カスケードを開始します。ニューロンの興奮性は、ナトリウム、カリウム、カルシウムなどのイオンの流入と流出によって発生するニューロンの膜電位の変化です。これらの変化は、ニューロンを脱分極させ、ニューロンからそのパートナー ニューロンにシグナルを伝達する神経伝達物質と呼ばれるシグナル伝達化学物質の放出を刺激します。
ラヴィ等。最適な興奮性を維持するためにドーパミン作動性ニューロンに FMRFaR 機能が必要であることを発見しました。成熟したドーパミン作動性ニューロンにおける FMRFaR の喪失は、膜電位の変化に応答するタンパク質の蛍光強度によって測定されるように、脱分極する能力を低下させました。逆に、FMRFaR を欠くドーパミン作動性ニューロンに、膜の興奮性を高めるタンパク質を遺伝的に補充すると、ハエは飛行発作の持続時間に有意な改善を示しました。これらの発見は、ドーパミン作動性ニューロンの FMRFaR が膜の興奮性の調節とそれによる飛行に必要であることを実証しました。
それに続く問題は、FMRFaR が神経細胞の興奮性をどのように変化させるかということです。 FMRFaR の刺激により、イノシトール三リン酸 (IP3 ）、イノシトール三リン酸受容体（IP3）と名付けられた、小胞体に存在するタンパク質に結合する小分子 R）。 IP3 R はイオン チャネルでもあり、結合すると IP3 、それは小胞体貯蔵庫からカルシウムを放出し、それによって細胞質カルシウムを増加させます。このカルシウムは、カルシウム感受性タンパク質を活性化することができます。そのようなタンパク質の 1 つは、カルシウム-カルモジュリン依存性プロテインキナーゼ (CaMKII) です。ドーパミン作動性ニューロンの CamKII 機能が低下したハエの飛行時間が短くなったことから、著者らは CaMKII がニューロンの FMRFaR 刺激に反応して活性化されると推測しました。実際、ドーパミン作動性ニューロンの FMRFaR 損失による飛行障害は、CamKII の過剰発現によってある程度改善されました。彼らは、FMRFaR の活性化に続くカルシウムの上昇が CamKII を刺激し、それがニューロンの興奮性を制御する原形質膜上のチャネルに直接的または間接的に影響を与えると考えています.
全体として、FMRFaR はドーパミン作動性ニューロンの細胞外および細胞内カルシウム シグナル伝達の境界面にあり、そのようなシグナルは持続的な飛行に必要な状態でドーパミン作動性ニューロンの膜電位を維持するのに役立つようです。 FMRFaR 活性化に敏感な膜チャネルのアイデンティティはまだ不明です。 FMRFaR は FMRF と呼ばれる神経ペプチドによって活性化されることが知られていますが、FMRF を放出するニューロンと FMRF 放出を刺激するシグナルもまだ特定されていません。
これらの調査結果は、PLOS Genetics誌に最近掲載された、キイロショウジョウバエの飛行調節中枢ドーパミン作動性ニューロンの活性を変化させるFMRFa受容体刺激Ca2+シグナルというタイトルの記事に記載されています。 この研究は、国立生物科学センター、タタ基礎研究所の Preethi Ravi、 Deepti Trivedi、および Gaiti Hasan によって実施されました。
