【研究分野】動物生理・行動

【研究領域課題番号】21570075 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

棘皮動物 / 結合組織 / 力学的性質 / ナマコ / 硬さ可変結合組織 / キャッチ結合組織 / 硬さ / ヒトデ / 酸素消費量 / 硬化因子 / ウニ

【研究成果の概要】

硬さ可変結合組織（CCT)の全側面について研究した。CCTは、軟S、標準M、硬Hの3つの力学的状態を示す。M→Hを起こすNSFと、M→Sを起こすソフニンという新規タンパク質をCCTから単離した。この結果と電子顕微鏡像とから、S→Mはテンシリンによるコラーゲン分子間の凝集（これはソフニンで解除される）、M→HはNSFによるコラーゲン微繊維間の橋掛けによって起こるという分子機構を提案した。
3状態の酸素消費量と硬さの測定から、CCTを用いて姿勢を維持すると、筋収縮による場合に比べ、1/70の消費エネルギーで済み、棘皮動物のきわめて低いエネルギー消費にCCTが大きく寄与していることが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】動物生理・行動

【研究領域課題番号】18570066 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 動物 / 棘皮動物 / キャッチ結合組織 / 神経支配 / ウニの歩行 / 硬さ / ナマコ / スティコピン / NGIWYamide / tensilin / 力学的性質

【研究成果の概要】

キャッチ結合組織を用いると、筋肉を用いるのに比べ、非常に少ない消費エネルギーで姿勢維持が可能なことを示した。キャッチ結合組織に特異的な神経を発見した。キャッチ結合組織の硬さ変化機構に関わるタンパク質を分離した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 660千円)

【研究分野】動物生理・代謝

【研究領域課題番号】11640676 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

棘皮動物 / 神経系 / キャッチ結合組織 / 神経ペプチド

【研究成果の概要】

1.ナマコより単離したペプチドNGIWYamideの抗体を作成し、ナマコを染色したところ、以下の神経が染まった。放射神経のhyponeuralとectoneuralの部分、環状神経、触手神経、腸の神経そう。NGIWYamideは神経ペプチドであると結論できる。NGIWYamide抗体陽性の染色は、体壁の真皮内にも見られた。抗体陽性反応の見られた部分を用いて、NGIWYamideの効果を調べた。NGIWYamideは真皮を硬くする効果をもった。触手では収縮を起こし、腸管では自発性収縮を抑制した。
2.この抗体でウニを染色したところ、放射神経と、棘の根元を取り巻いている神経環とそれから筋肉や結合組織にのびている神経、管足が染まった。NGIWYamideは、それ自身では管足の収縮を引き起こさなかった。しかしアセチルコリンによる収縮を増強した。NGIWYamideの抗体でヒトデを染色したところ、放射神経のectoneuralの部分とhyponeuralの部分のどちらもが染まった。また管足の先端に近い管足神経が染まり、NGIWYamideは管足の収縮を引き起こした。以上の結果から、NGIWYamideは、棘皮動物において筋肉とキャッチ結合組織を支配している普遍的神経ペプチドであると結論できた。
3.ウミユリの巻枝の神経系を光学顕微鏡と電子顕微鏡により観察し、BSO細胞(bullet-shaped organelleをもつ細胞)が巻枝骨片内で網目状のネットワークを形成し、結合組織の硬さを直接制御しているとされるjuxtaligamental cellに連絡していることが分かった。BSO細胞は結合組織を支配する神経系(もしくは神経分泌系)の可能性が高い。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】動物生理・代謝

【研究領域課題番号】09640804 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

棘皮動物 / 結合組織 / キャッチ結合組織 / 収縮 / 神経 / 神経伝達物質 / ウミユリ / ウミシダ / 筋収縮

【研究成果の概要】

ウミユリの巻枝と腕の靭帯を用い、結合組織性収縮の基本的な性質とその神経支配について調べた。
巻枝の電子顕微鏡観察では、巻枝内にはまったく筋細胞は存在しない。体腔上皮(神経)にはGABA(γ-アミノ酪酸)の抗体で染まる細胞があり、その細胞は靭帯方向に突起を出しており、その突起にもGABA抗体で染まるものが見られた。
靭帯に一定の曲げひずみを与え、応力を測定しながらGABAを与えたところ、急激な応力緩和が見られた。これは靭帯が軟らかくなったことを意味する。少数例ながら、応力が増加する例が見られた。これは靭帯が活動的に力を発生して収縮していることを意味する。同様な力学試験を行いアセチルコリンを与えたところ、すみやかに軟らかくなる反応が見られた。ニコチン様のコリン作動薬でも同様であったが、ムスカリン様のコリン作動薬の場合、高濃度では軟らかくなる反応が見られたのだが、低濃度では収縮が見られた。
ウミユリの腕には、関節をはさんで口側には筋肉と靭帯が、反口側には靭帯が存在する。反口側の靭帯のみを切り出し、硬さと収縮の同時測定を行った。高濃度にカリウムイオンを含む人工海水やアセチルコリンの刺激により、靭帯の収縮が見られた。収縮と同時に硬さの減少が見られることが多かったが、硬さの変化を伴わない収縮や、かえって硬くなって収縮する例も見られた。アドレナリンは靭帯を軟らかくし、カリウムやアセチルコリンによる収縮を抑制した。これらの事実から、反口側結合組織による収縮は、口側の筋肉によって引き伸ばされたバネのひずみをキャッチ結合組織を軟らかくすることによって起こるものではないし、また筋肉による収縮なら収縮中に軟らかくなることはないので、それらの機構とはまったく違う、結合組織による活動的な力の発生をともなう収縮であると結論できる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】2,700千円 (直接経費: 2,700千円)

【研究分野】動物生理・代謝

【研究領域課題番号】07640897 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

キャッチ結合組織 / 棘皮動物 / ウミユリ / ウニ / 歯

【研究成果の概要】

キャッチ結合組織がウミユリの巻枝靱帯およびウニの歯根膜に存在することを明らかにした。
ウミユリの巻枝の電子顕微鏡による観察の結果、巻枝靱帯はコラーゲン性の結合組織でできており、靱帯にもその他の部分にも、力を発生しそうな細胞は観察されなかった。靱帯の振動試験を行い、靱帯の硬さを測定した。硬さは電気刺激によって軟らかくなった。また高濃度にカリウムイオンを含む人工海水やアセチルコリンの投与によっても硬さは顕著に減少した。軟らかくなった靱帯は、しばらく海水中におくことにより、また硬さを回復した。これらの結果は、巻枝靱帯がキャッチ結合組織であることを示している。ウミユリは巻枝のキャッチ結合組織を硬くすることにより、体を海底の基盤上に保持していると考えられる。
ウニの歯は顎の骨に歯根膜と呼ばれる結合組織で結びつけられている。歯根膜の電子顕微鏡による観察の結果、歯根膜はコラーゲン性の結合組織でできており、歯根膜にもその近くの歯や顎の内部にも、力を発生しそうな細胞は観察されなかった。歯根膜のクリープ試験を行った結果、歯根膜は高濃度にカリウムイオンを含む人工海水やアセチルコリンの投与によって軟らかくなった。軟らかくなった靱帯は、しばらく海水で洗浄することにより、また硬さを回復した。これらの結果は、歯根膜がキャッチ結合組であることを示している。ウニの歯は先端部が磨耗する。歯には後端部で炭酸カルシウムが付け足される。そのため、歯は先端部に向かって移動する必要がある。この移動の際、歯根膜は軟らかくなって移動を可能にし、摂食時には歯根膜は硬くなって歯を骨にしっかりと繋いでいるものと思われる。
このようにキャッチ結合組織は棘皮動物の体全体の姿勢の保持のみならず、体の部分同士の可逆的な結合にも働いていることが明らかになった。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1995

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)

【研究分野】動物発生・生理学

【研究領域課題番号】03640610 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ウミユリ / 棘皮動物 / 結合組織 / キャッチ結合組織

【研究成果の概要】

東大三崎臨海実験所で、雨宮昭南氏がウミユリ(トリノアシMetacrinus rotundus)を水槽内で長時間(6か月以上)飼育することに成功した。その動物を用い、ウミユリの行動を世界で初めてビデオ撮影し解析した。
これまでの推測によると、ウミユリはほとんど動かないとされてきた。理由は、柄や巻枝には筋肉がないこと、また、腕には筋肉はあるが、関節の口側のみであり、反口側には筋肉はないので、腕を動かせたとしても、ぎこちない運動となって、とても這ったり泳いだりは難しいだろうということである。ところが実際に観察してみると、トリノアシは、かなり活発に動き回ることが分かった。海底に横たえておく、流れのより強い場所に這っていき、岩によじのぼり、柄を垂直に持ち上げて、腕をのばして摂食姿勢をとる。這う速度は、最大、30分で35cmであった。這うときには、腕を使った。腕の動きには2種類観察できた。一つは、ピンとのばした腕を進行方向に倒し、先端が地面に着いたら腕を反口側に曲げて体を引っ張るやり方。もう一つは、反口側に湾曲した腕の先端を地面に着け、腕をのばすことにより、体を押すやり方。腕の形態を調べたが、他の種で言われてきた通り、筋肉は腕の関節の口側にしか存在しなかった。そこで、反口側への運動は靭帯の弾性によるものと考え、力学試験を行った結果、靭帯は高いレジリアンスを示した。柄や巻枝の変形能は、状態により変わった。たとえば、垂直の金網に登った状態では、巻枝は金網にしっかり巻き付いているが、光刺激により、巻き枝の関節はやわらかくなり、自重を支えきれなくなり、金網から個体が落ちてしまう。柄や巻枝の関節は靭帯のみでできているので、この変形能の変化は、靭帯がかたさの変わる結合組織(キャッチ結合組織)でできていることを示唆する。腕の運動から、腕にもキャッチ結合組織が存在することが示唆された。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1991

【配分額】1,700千円 (直接経費: 1,700千円)

【研究分野】動物発生・生理学

【研究領域課題番号】01540603 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

キャッチ結合組織 / 棘皮動物 / カルシウム / ナマコ / ヒトデ

【研究成果の概要】

本研究の最大の成果は、カルシウムイオンがキャッチをひきおこすことを強く示唆する結果が、はじめて得られた事である。シカクナマコの体壁を、無刺激でキャッチしていない状態と、高濃度のカリウムイオンを含む人工海水でキャッチ状態にしたものとを、ピロアンチモン酸存在下で固定して、電子顕微鏡で観察した。キャッチしていない状態では、ピロアンチモン酸の沈澱は、2種類の細胞の中に観察された。大きなvacuoleを持った細胞のvacuole中と、0.2-0.6μmの楕円形で電子密度の高い顆粒をたくさん持つ細胞の顆粒の中とである。分析電子顕微鏡(EDAX)の分析により、これらの沈澱はカルシウムを含むことが分かった。一方、顆粒中の沈澱には変化がなかった。以上の結果は、vacuole中からカルシウムが放出されることによりキャッチが引き起こされることを強く示唆しており、キャッチ結合組織の機構を理解する上での、重要な発見といってよい。
もう一つの成果は、ヒトデの腕のかたさとその変化を、はじめて定量的に記載し、この変化が、キャッチ結合組織によることをほぼ確実にしたことである。腕のかたさは曲げ試験を行い、梁理論を適用することにより求めた。腕の形態学的研究から、腕の形と断面二次モ-メントを記載する関係式をつくり、これをもとに、たわみ量からかたさ(ヤング率)を産出する式をもとめた。アオヒトデのかたさは、刺激をくわえない状態では8MPaであった。機械刺激により、かたさは3倍に増加した。かたさはイオン環境により大きく変わった。これは、体壁の結合組織がキャッチ結合組織であり、これがかたさの変化を引き起こしていることを示唆する結果である。ヒトデにもキャッチ結合組織の存在することがほぼ確実になった。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1989

【配分額】1,500千円 (直接経費: 1,500千円)

【研究分野】動物発生・生理学

【研究領域課題番号】63540580 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

キャッチ結合組織 / ヒトデ / 棘皮動物 / バイオメカニクス / 結合組織

【研究成果の概要】

ヒトデは貝をこじあけて食べるとき、特有の姿勢をとり、体壁を非常にかたくしてそれを足場とし、管足により貝をこじ開ける。またヒトデは体壁をやわらかくして自由に体の形を変えることもできる。このかたさ変化はどのようなメカニズムによるかは、知られていなかった。本研究により、このかたさ変化は、体壁に存在するキャッチ結合組織によって引き起こされることが明らかになった。
ヒトデの腕の体壁の構造を、走査型電子顕微鏡と、光学顕微鏡とを用いて調べた。体壁は、1m程度の骨片が筋肉と結合組織とによりつなげられた編目状の骨格が、結合組織の中に埋まった構造をしていた。
ヒトデの腕の曲げ試験を行い、それより、腕の曲げかたさをもとめた。MS-222やメントールで麻酔したものの曲げかたさは、麻酔しないものより10倍も高い値を示した。麻酔した材料では腕の運動は見られず、体壁中の筋肉は弛緩していると思われる。だから、麻酔したもので見られる高い曲げかたさは、筋肉の作用ではないだろう。かたさ変化が筋肉によらないことは、いったん凍結して殺した材料を用いた実験によっても支持された。凍結して海水中で解凍したもの(筋肉は生きていない)は、生の未処理のものと代わらない曲げかたさだったが、これを蒸留水中に移すと、曲げかたさは10倍増加した。このようなイオン環境の変化による、大きな力学的性質の変化は、キャッチ結合組織の特色である。腕の曲げクリープ試験を行った結果、腕の粘性の変化は、弾性の変化にくらべて、10倍以上大きいことが分かった。これもキャッチ結合組織の示す性質である。ヒトデの腕のかたさ変化は、筋肉ではなく、キャッチ結合組織によって起きている可能性が高い。光学顕微鏡による組織像も、この結論を支持している。また、神経の切断実験等により、キャッチ結合組織のかたさは、放射神経の支配を受けていることが示唆された。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1988

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)