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ウニ幼生において、肠の入口である幽门と出口である肛门が、光に応答して开口する现象を発见しました。これらはそれぞれ异なる光波长に反応することも明らかになりました。幽门と肛门の精密な制御が、食物を适切に消化管内に留め、効率的な消化吸収を可能にする进化の键となっていると予想されます。
人间を含む左右相称动物の多くは、口から肛门まで贯通する消化管を持ち、食べたものを消化?吸収し、不要なものを排泄します。このような贯通型の消化管は、左右相称动物の进化で获得された新しい特徴であり、これが机能するためには、入口（口）と出口（肛门）を适切に制御する仕组みが必要です。本研究では、シンプルな消化管を持つウニの幼生をモデルに、この制御メカニズムの解明を目指しました。
その結果、ウニ幼生において、腸の入口である幽門と出口である肛門が、光に応答して開口する現象を発見しました。さらに、これらはそれぞれ異なる光波長に反応し、同時に開くことが極めて稀であることも明らかになりました。幽門が開くときは肛門が閉じ、肛門が開くときは幽門が闭じることで、食べたものを適切に消化管内に留め、効率的な消化吸収を可能にする仕組みが進化してきたと考えられます。特に、消化管が光によって制御されるという新たなメカニズムの発見は、外的環境の変化を利用した効率的な栄養吸収が、動物の繁栄に大きく寄与してきたことを示唆しています。
今后、消化管の入口と出口の开闭が脳や神経系により制御されるメカニズムを解明することにより、消化吸収が进化の过程でどのように脳の発达や神経系の进化と関係してきたかについて、新たな视点を提供します。
研究代表者
広島大学大学院统合生命科学研究科
山本 卓 教授
筑波大学生命环境系
谷口 俊介 准教授
京都大学大学院理学研究科
山下 高廣 講師
研究の背景
ヒトを含め、左右相称动物注１）の多くは、口から肛门まで贯通する消化管を备えていますが、クラゲやイソギンチャクなどの刺胞动物は、一つの开口部しか持たない袋状の消化管を有しています。刺胞动物と左右相称动物の共通祖先は、袋状の消化管を持っていたと考えられており、贯通した消化管は、左右相称动物の进化の过程で新たに获得された特徴と推测されています。このような消化管には、口と肛门の开闭を适切に制御する仕组みが不可欠ですが、その具体的なメカニズムは解明されていません。
本研究グループはこれまでに、食道、胃、肠というヒトと同じような３区画に分かれ、かつ単纯な消化管を持つウニの幼生について、肠の入口（幽门注２））が光に応答して开口する「光→脳内セロトニン注３）→一酸化窒素注４）→幽门开口」という神経経路が存在することを明らかにしています。そこで今回、ウニ幼生の肠の出口（肛门）の开闭についても、光による制御メカニズムが存在するのか、解析を行いました。
研究内容と成果
今回、バフンウニ（Hemicentrotus pulcherrimus）幼生に光を照射した際、偶然観察された「光応答による排泄」現象をきっかけに、光照射約2分後に腸の出口である肛門が開口するという現象を新たに発見しました（図１）。この現象についてさらに調べたところ、腸の出口である肛門は、以前に報告した幽門の光応答の経路とは異なり、ウニ幼生の脳近傍および腕先端に存在する光受容タンパク質Opsin2が、光を受容すると、神経伝達物質であるドーパミンおよびアセチルコリンの働きを抑制し、それによって開口するというメカニズムが明らかになりました。さらに、幽門と肛門はどちらも光に応答して開口するものの、これらが同時に開口することは極めて稀であることが分かりました。つまり、幽門と肛門の開閉は独立して行われているわけではなく、相互に抑制し合っていることが示唆されました。解析の結果、幽門を開口させるために必要な脳内のセロトニン神経が肛門の開口を抑制する働きを持つ一方、肛門を闭じる働きをしているドーパミンが幽門の開口を誘導しており、肛門の開閉の経路が相互作用する脳腸相関注５）があることが明らかになりました（図２）。
また、翱辫蝉颈苍の吸収波长による反応の违いについて観察したところ、幽门では翱辫蝉颈苍3.2が青色光に応答し、肛门では翱辫蝉颈苍2が青色光からより长波长の光に応答しました（図２）。すなわち、短波长の光により幽门が开き、长波长の光により肛门が开くという、光波长に依存した制御メカニズムが见いだされました。
これらの结果から、左右相称动物が贯通型の消化管を进化的に获得する际に、光を介した制御メカニズムが重要な役割を果たしていた可能性が提唱されました（図３）。幽门と肛门の开闭を适切に制御することは、消化管を通じて食物を効率的に保持し、必要な时に排泄するための基本的な仕组みです。门で制御された贯通型の消化管を持つことで、採饵から排泄まで内容物を一方向に运搬できるようになり、イソギンチャクやクラゲ型の闭じた消化管と比べて、消化吸収の効率が大幅に向上したと考えられます。この効率的な栄养吸収は、动物の繁栄に贡献したと考えられ、さらには门の开闭を正确に制御するために、脳や神経系がより発达した可能性もあります。
今后の展开
今回の研究により、光刺激が消化管の机能を制御することが明らかになりました。棘皮动物は我々ヒトを含む脊索动物と进化的に姉妹群をなすため、脊索动物でも光と消化管活动に関する同様の経路が発见されると考えられます。今后、このようなメカニズムが、他の动物种や环境条件下でどのように机能するのかを调べ、すべての动物に共通な仕组みとしての、光が消化管を动かす制御机构の解析を进め、动物の适応戦略や进化的な成功の键を解明していきます。
図１ （上段）ウニ幼生を侧面から见た模式図。食道、胃、肠と消化管が３区画に分かれている。肠の入口と出口にそれぞれ幽门と肛门が存在する。（下段）肛门（矢尻）が闭じている状态で光を当てると30秒から２分后に开口する。肛门の开口により肠の内容物が排泄されるため肠が収缩する。
図２ 光応答としての幽门?肛门开口経路。青色光は脳の横に存在する光受容タンパク质オプシン3.2と脳セロトニン神経を介して幽门开口を诱导する。一方、青色光＋长波长の光はオプシン2を介して、肛门を恒常的に闭じているドーパミン神経とアセチルコリン神経の働きを抑制し、肛门开口を诱导する。
図３ 本研究から予想される消化管の进化过程の系统树。ヒトを含む左右相称动物の多くは、口を入口、肛门を出口とする贯通型の消化管を持つ。一方、刺胞动物は口と肛门の区别がなく一つの出入口のみを持つ袋状の闭じた消化管を备えている。刺胞动物と左右相称动物の共通祖先も同様に闭じた消化管を持っていたとされており、左右相称动物の祖先が贯通型の消化管を获得した际、口から入った栄养素が消化されずに通り抜けてしまうことを避けるため、同时に门の适切な管理机构も进化したと考えられる。
用语解説
注１）&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;左右相称动物
体の前后轴に対し左右を见た场合に外见上対象に见える动物のグループ。普段目にする生き物の多くはこのグループに含まれる。
注２）&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;幽门
胃の出口。括约筋の収缩弛缓によって开口し、胃の内容物を肠へ流す制御をする场所。
注３）&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;セロトニン
神経伝达物质の一つ。ヒトの脳にも存在しており、精神安定など、さまざまな机能を果たしている。ウニでは、脳を构成する神経の中で最も早く形成される。
注４）&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;一酸化窒素（狈翱）
体内で产生される一酸化窒素は、多くの动物种において、血管拡张など平滑筋の制御を行う。
注５）&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;脳肠相関
独立した组织で脳と肠が、お互いにシグナルを送り、密接に影响を及ぼし合うこと。例えば、精神状态の変化により消化机能に変化が起きたり、反対に、肠内细菌の组成や活性の変化が精神状态の変化をもたらしたりする。
研究资金
本研究は、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「多細胞システムにおける細胞間相互作用とそのダイナミクス」研究領域（JPMJPR194C；2019-2022年度）、科学技術振興機構（JST） 研究成果展開事業が助成するA-STEP（JPMJTR204E; 2019-2024年度）、日本学術振興会が助成する科学研究費基盤研究（B）（23K23933; 2022-2025年度）、日本医療研究開発機構（AMED） 革新的先端研究開発支援事業 CREST「マルチセンシングネットワークの統合的理解と制御機構の解明による革新的医療技術開発」研究領域（22gm1510007; 2022-2027年度）、東レ科学振興会が助成する東レ科学技術研究助成（2018-2020年度）、武田科学振興財団が助成するライフサイエンス研究奨励（2015年度）と光科学技術研究振興財団が助成する研究助成（2022-2023年度）による助成によって実施されました。
掲载论文
【題 名】 Light-modulated neural control of sphincter regulation in the evolution of through-gut
&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;（光と神経で制御される消化管の门からその进化を考える）
【著者名】 Junko Yaguchi, Kazumi Sakai, Atsushi Horiuchi, Takashi Yamamoto, Takahiro Yamashita, *Shunsuke Yaguchi (*責任著者)
【掲載誌】 Nature Communications
【掲载日】&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;2024年10月18日
【顿翱滨】&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;10.1038/蝉41467-024-53203-7
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