北海道大学 大学院 生命科学院北海道大学 大学院 生命科学院

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ノックアウトコオロギを用いて学習のしくみを解明

動物の連合学習において罰や報酬の情報を伝える仕組みは古くから研究者の関心の的となり,ヒトを含めた哺乳類ではドーパミンニューロンが報酬や罰の情報を伝えることが分かってきました。一方, 無脊椎動物では,私たちはフタホシコオロギを用いた薬理学的な研究から,報酬情報はオクトパミンニューロンが伝え,罰情報はドーパミンニューロンが伝えることを示唆してきました。ところが最近,遺伝子組換えショウジョウバエを用いた研究により,報酬情報と罰情報の両方を,ドーパミンニューロンがドーパミン受容体Dop1を介して伝えると報告されました。このような食い違いが,研究方法の違いによるのか,あるいは昆虫の種間で学習のメカニズムに違いがあるのかを明らかにすることが本研究の目的です。

[研究手法]
北海道大学の水波誠教授らのグループは,徳島大学の三戸太郎助教のグループとの共同研究により,クリスパー・キャス9という新規ゲノム編集技術を用いてドーパミン受容体Dop1が働かないノックアウトコオロギを作成しました。キャス9(Cas9)タンパク質はDNA切断能力をもつ酵素で,Cas9がガイドRNAと複合体をつくると,ガイドRNA中の特定の塩基配列に相補的に結合するゲノムの場所を切断します。この性質を利用し,ゲノム中の特定の遺伝子に変異を起こさせ,その遺伝子が働かないようにすることができます。私たちは,Dop1ドーパミン受容体遺伝子に変異が入るよう設計したガイドRNAをCas9のmRNAと一緒にコオロギの卵に注入しました。幼虫を育ててDop1遺伝子に変異のある個体を掛け合わせ,ホモ接合のDop1遺伝子変異コオロギの系統を得ました。

[研究成果]
ドーパミン受容体Dop1が働かないノックアウトコオロギは,匂いと報酬(水)との連合学習は正常でしたが,匂いと罰(塩水)との連合学習ができませんでした。コオロギではDop1が罰の情報を伝えますが,報酬の情報は伝えないと結論づけられました。これは,報酬情報と罰情報の両方がDop1を介して伝えるとされた遺伝子組換えショウジョウバエでの報告とは異なっており,コオロギとハエでは報酬情報を伝える伝達物質や受容体に違いがあることが分かりました。

従来,学習の基本メカニズムは昆虫の種を超えて保存されていると考えられてきましたので,コオロギとハエでは報酬情報を伝える神経伝達の仕組みが異なるという今回の発見は予想外のものです。その違いがどのような進化史により生じたのか,今後の研究が待たれます。

[今後への期待]
コオロギは高度な学習能力をもち,その学習の仕組みには哺乳類とも共通点があります。たとえばヒトなどの哺乳類では,学習が「予想外の出来事が起こり,驚いた時」に起こるという「予測誤差」理論が提案されていますが,この理論がコオロギにも当てはまることを私たちは最近報告しています。今後,さらに遺伝子改変コオロギを用いた研究を進めることで,動物の学習・記憶の基本メカニズムの解明を加速できると期待されます。

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研究論文名:Knockout crickets for the study of learning and memory: Dopamine receptor Dop1 mediates aversive but not appetitive reinforcement in crickets(ノックアウトコオロギを用いた学習・記憶研究:ドーパミン受容体Dop1は罰情報を伝えるが報酬情報は伝えない)

著者:粟田ひろ子1,渡辺崇人2,浜中良隆1,三戸太郎2,野地澄晴2,水波誠1(1北海道大学大学院理学研究院,2徳島大学大学院ソシオテクノサイエンス研究部)

公表雑誌:Scientific Reports(http://www.nature.com/articles/srep15885)
公表日:日本時間(現地時間)2015年11月2日(月)午後7時(英国時間2015年11月2日(月)午前10時)

20150610 プレスリリース ダウンロード

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