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2019年4月 4日 (木)

やぶにらみ生物論124: ドーパミン

ドーパミンは前記事「アドレナリンとノルアドレナリン」でも示したように、生体内ではチロシンからドーパ(L-ドーパ)を経て合成されますが(1、図1)、これ以外のマイナーな別経路も発見されています(2)。いずれにしてもアドレナリン生合成のための中間生成物という位置づけであって、ドーパミン自体が生理的に重要な作用をもっているとは、20世紀半ばまでは考えられていませんでした。

 

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モンタギュー(図2)は人を含む数種の生物の脳などの組織にドーパミンが存在し、これはアドレナリンやノルアドレナリンのように季節によって変動することはないと報告しました(3)。この1957年の論文がドーパミン自体の意義に関する最初の報告とされています(4)。カールソン(図2)らもモンタギューに遅れて報告していますが、彼らの報告にはモンタギューの論文は引用されていません(5、6)。データもきちんと示されておらず、おそらく慌てふためいて学会アブストラクトのような論文を書いたものと思われます。これはフェアーな態度ではありませんが、その後カールソンはドーパミンなど神経伝達物質の機能に関して詳細な研究を行ない、2000年にノーベル生理学医学賞を受賞しました(7)。彼が1994年に日本国際賞を受賞した際の講演要旨が日本語で読めます(8)。

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ファルクとヒラープはファルク・ヒラープ蛍光法というモノアミンを高精度で検出する方法を開発し(9、図2)、モノアミンが神経伝達物質であることの証明に絶大な貢献をしました。ノーベル委員会もカールソンにノーベル賞を授与する際に「It was not Arvid Carlsson who had discovered that dopamine is a signal substance in the central nervous system」と述べているそうです(10)。ファルク・ヒラープ法による研究の実例をひとつ引用しておきます。この論文では、ジュウシマツの膵臓に3種のモノアミン含有細胞が存在することが示されています(11)。

ホーニケヴィツはパーキンソン病の原因が、脳におけるドーパミンの欠乏によるものであることを証明しました(12、13、図2)。またL-ドーパの投与によって症状が改善されることを示しました(14)。ドーパミンは脳-血液関門を通過できませんが、L-ドーパは通過できるので、脳にドーパミンを与えたいときには前駆体であるL-ドーパを投与します。

ドーパミンもアドレナリンやノルアドレナリンと同様、その受容体は7回膜貫通型3量体Gタンパク質共役型受容体(GPCR=GTP-binding protein-coupled receptor )です(15、16、図3)。なので何が起こるかという引き金はGタンパク質のαサブユニットで、ドーパミン受容体の場合、αサブユニットがs型の場合アデニル酸シクラーゼの活性を上昇しさせることによってcAMP 濃度が上昇し、i型の場合アデニル酸シクラーゼの活性を抑制し、フォスフォジエステラーゼの活性を上昇させることなどによって cAMPが分解されるなどの反応で、その濃度は低下します。

なおドーパミンのトランスポーターは特異性の低いモノアミントランスポーターとされているので、これについては別項で取り扱うことにします。

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ドーパミンの受容体にはD1型~D5型があり、このうちD1・D5型にはGαsが結合しており、D2~D4型にはGαiが結合しています。ドーパミンが受容体に結合することによって、これらのGタンパク質が細胞質にリリースされて機能を発揮します。すなわちドーパミン自体がどのような生化学反応のカスケードがおこるべきかを指定するわけではなく、受容体が指定するのです。ですからどの部域の細胞がどんなGPCRを持っているかというタイプの分布の問題が大きな意味をもつことになります(図4、図5)。

これはドーパミン、ノルアドレナリン、アドレナリンの合成経路が直接繋がっていることを考えれば当然とも言えます。つまりアドレナリンを大量に合成すると、必然的にドーパミンとノルアドレナリンも大量に合成することになってしまうからです。

Gαsは受容体タンパク質のC末に、Gαiは5番目と6番目の膜貫通部位の間で細胞質に露出しているループの部分に結合していることがわかっています(図4)。ドーパミンが受容体に結合するとGαは結合しているGDPをGTPに変換し、Gβ・Gγから遊離してフリーとなり、細胞質内を移動して機能を行使します。

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GPCRはヒトゲノムのなかに800種類以上の遺伝子が存在し、中には機能がまだわかっていないものもあります(16)。Gタンパク質の中でGαだけが機能を果たしているのではなく、Gβ・Gγもそれぞれ機能を果たしていると思われますが、αタイプと比べるとまだ未知の部分が多いようです。

脳のドーパミン受容体がそれぞれどんな役割を果たしているかのリストを Anmol Bhatia と Abdolreza Saadabadi が表にまとめているので(17)、そのまま図5に示しますが、どんな手順で、どんな経路を経てこのような機能に繋がっているのかは脳科学の中心課題のひとつでしょう。

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Gαsの機能として最もよく知られているのは、アデニル酸シクラーゼを活性化してcAMPの濃度を上昇させることです(図6)。cAMPが細胞外からの情報伝達物質のメッセージによって細胞内の生化学的プロセスを変動させる、いわゆるセカンドメッセンジャーの役割を果たしていることを明らかにしたエール・サザランドは1971年にノーベル生理学医学賞を受賞しました。彼は貧しい農家の出身で出身大学も無名ですが、運良くセントルイスのワシントン大学の大学院でカール・コリ教授の薫陶をうけることによって未来が開けました(18)。第二次世界大戦では軍医を務めましたが、終戦後も医師にはならず研究の道に進み、cAMPの発見と機能の解明に成功しました。彼はノーベル賞受賞講演の中で「Cori convinced me, not so much by anything he said so much as by his example, that research was the right direction for me to take」と述べています(18)。

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アデニル酸シクラーゼ(またはアデニリルシクラーゼ)は12回膜貫通タンパク質で、N末・C末ともに細胞質側に出ています。アデニル酸シクラーゼには多くのアイソフォームがあり、それぞれGαsで活性化されたり、Gαiで抑制されたりするようです(19)。

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cAMPの作用で最もよく知られているのはプロテインキナーゼAの活性化です。Gタンパク質の影響でアデニル酸シクラーゼの活性が高まり、cAMPの濃度が上昇すると、不活性複合体を形成しているプロテインキナーゼAの制御タンパク質にcAMPが結合して、活性化されたプロテインキナーゼAが複合体から分離してさまざまなタンパク質のリン酸化をおこないます(20、図8)。ただ複合体が解体されるほどcAMPの濃度が高くない場合でも、ある程度の濃度に達すると複合体を形成したまま活性を発揮するとされています(21)。

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さて私達はドーパミンという部屋の扉を開いたばかりですが、ドーパミン研究の歴史とは切っても切れない関係にあるパーキンソン病について、最後にもう少し触れておきます。パーキンソン病は19世紀の初頭にジェームズ・パーキンソンによって報告された病気で、ふるえ、動作や姿勢の異常、筋固縮などがその症状です。20世紀の半ば以降になって、前記したホーニケヴィッツやその他の研究者の努力により、その原因が中脳黒質のドーパミン産生細胞の減少によることが明らかとなってきました(22)。実際L-ドーパの投与により症状は改善されます(23)。ただ長期にわたって投与すると、効かなくなったり逆に悪化する恐れもあります(23)。ドーパミンD1受容体を介する情報伝達の消失が、パーキンソン病の症状の一つである「無動」を引き起すという報告があります(24)。

パーキンソン病の存在によって、ドーパミンの機能が明らかになったという側面はあります。ただそれは入口と出口がわかったというだけで、途中のメカニズムはまだまだわからない点が多いと思います。判明した部分についてはこのあとまた取り上げる機会があると思います。このほか昔からドーパミンが統合失調症にかかわっているという説(ドーパミン仮説)がありますが、この関係についてもまだまだわからない点が多く残されています(25)。このブログでも宿題として残しておきましょう。

参照

1)やぶにらみ生物論123: アドレナリンとノルアドレナリン
http://morph.way-nifty.com/grey/2019/03/post-3143.html

2)ドーパミン:
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%89%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%9F%E3%83%B3

3)K.A. Montagu, Catechol Compounds in Rat Tissues and in Brains of Different Animals. Nature vol.180, pp.244-245 (1957) 
https://www.nature.com/articles/180244a0

4)Kathleen Montagu: 
https://en.wikipedia.org/wiki/Kathleen_Montagu

5)A. Carlsson, M. Lindqvist, T. Magnusson., 3,4-Dihydroxyphenylalanine and 5-Hydroxytryptophan as Reserpine Antagonists., Nature, vol. 180, p.1200 (1957)

6)A. Carlsson et al., On the presence of 3-hydroxytyramine in brain. Science vol. 127, p. 471 (1958)
http://science.sciencemag.org/content/127/3296/471.1.long

7)The novel prize. Avid Carlsson Biographical. 
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2000/carlsson/biographical/

8)1994年 日本国際賞受賞記念講演会 脳におけるドパミンの研究: 過去、現在及び将来
アーヴィド・カールソン博士
http://www.japanprize.jp/data/prize/summary/1994_j.pdf

9)Falck B, Hillarp N-Å, Thieme G, Torp A.,  "Fluorescence of catechol amines and related compounds condensed with formaldehyde" .   J. Histochem. Cytochem. vol. 10 (3): pp. 348–354. doi:10.1177/10.3.348 (1962)

10)Nils-Åke Hillarp
https://en.wikipedia.org/wiki/Nils-%C3%85ke_Hillarp

11)Katsuko KATAOKA, Keisuke SHIMIZU and Junzo OCHI., Fluorescence Histochemical Demonstration of Monoamine-Containing Cells in the Pancreas of the Finch, Uroloncha striatavar. domestica. A Preliminary Study., Arch. histol. jap., Vol. 40, No. 5, pp. 431-433 (1977)
https://www.jstage.jst.go.jp/article/aohc1950/40/5/40_5_431/_pdf

12)Hornykiewicz O. Topography and behaviour of noradrenaline and dopamine (3-hydroxytyramine) in the substantia nigra of normal and Parkinsonian patients.(In German) Wien Klin Wochenschr 1963;75:309-312.

13)Hornykiewicz O. Dopamine (3-hydroxytyramine) and brain function. Pharmacol Rev vol. 18: pp. 925-964. (1966)

14)Oleh Hornykiewicz., Some Thoughts on Memories., The History of Neuroscience in Autobiography. Vol. 4, Ed. L. R. Squire, Academic Press (2004)

15)Missale C, Nash SR, Robinson SW,  Jaber M, Caron MG., Dopamine receptors: from structure to function., Physiol Rev. vol. 78(1): pp. 189-225. (1998)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9457173

16)足立 直子、齋藤 尚亮:  脳科学辞典 Gタンパク質共役型受容体
こちら

17)https://www.statpearls.com/kb/viewarticle/20660/

18)Earl W. Sutherland., Hormon Action (Nobel Lecture), December 11, 1971
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/sutherland-lecture.pdf

19)https://en.wikipedia.org/wiki/Adenylyl_cyclase

20)https://courses.washington.edu/conj/gprotein/cyclicamp.htm

21)https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_kinase_A

22)こちら

23)Neuroinfo Japan  脳神経外科疾患情報ページ
https://square.umin.ac.jp/neuroinf/medical/502.html

24)南部篤、知見聡美: ドーパミン神経伝達は、大脳基底核における運動情報伝達と、運動発現に不可欠
-ドーパミンD1受容体を介する情報伝達の消失が、パーキンソン病の「無動」を引き起す-
https://www.nips.ac.jp/release/2015/10/_d1.html

25)有波忠雄 脳科学辞典 ドーパミン仮説(統合失調症)
こちら

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