1.性行動を制御する脳の性差

ヒトを含む動物の脳の構造には性差がある。例えば、ヒトの脳では前視床下部間質核（註1）の第３神経核と呼ばれる細胞群のサイズは、男性の方が大きく細胞の数も多い。この細胞群を含む領域は、マウスからヒトにいたるまで、オスの性行動にとって重要な部位である。このような脳の性差がオスとメスの性行動の違いを生みだしているのだが、その背景にある遺伝子の制御機構はほとんど明らかになっていない。私はこの解明のために、遺伝学の代表的な実験動物であり、性行動を定量化できるキイロショウジョウバエに注目した。
 

2.キイロショウジョウバエの脳をオス化するFruタンパク質

キイロショウジョウバエのオスは、メスに対して決まったパターンの性行動をとる（図1）。幼虫期から単独で飼育したオスでも、メスと出会えばその性行動を示す。つまり、キイロショウジョウバエの性行動パターンは遺伝的に決まっているのだ。

このようなオスの性行動を制御する神経回路の主要部分は、fruitless (fru)遺伝子から発現するFruタンパク質のはたらきによって作られる（タンパク質は頭文字を大文字で表記する）。Fruは脳をオス化する因子であり、メスの脳では作られない。そして、fru遺伝子が発現しない変異体のオスは、オスに対して求愛をするようになる。

オスの脳を作る約10万個のニューロン（註2）のうち、約2000個にfru遺伝子は発現している。2005年、北海道教育大学の木村らは、fru遺伝子発現ニューロンのうち、フェロモンの情報処理に関わるmALニューロン（註3）群に、以下の３つの特徴的な性差が見られることを報告した（図2） *1。

1. 細胞の数はオスが30個、メスは5個。
2. オスでは細胞体と同じ脳半球に神経突起（同側の突起）を持つが、メスのニューロンには同側の突起を持つものはない。
3. オスの神経突起は房状の短い分枝があるのに対し、メスでは逆Y字型にわかれている。

なお、Fruが作られない変異体のオスではmALニューロンの細胞数も形も完全にメス型に変化していた。

（図1） mALニューロン群の性差

3.性行動の制御に関わる2つのFruタンパク質複合体

Fruは特定のDNA配列と結合するジンクフィンガーという部位を持つ。このようなタンパク質は、クロマチン（註4）構造を調節する因子と複合体を作り、標的となる遺伝子付近のクロマチン構造を凝集、またはほどくことによって発現調節をしていることが多い。そこで私はFruと複合体を作る因子を探し出し、それらが標的遺伝子の発現をどのように制御し、オスの性行動に関わる特異的な脳の構造を作り出しているかを明らかにしようと考えた。そして、Fruと複合体を作る因子として、転写共役因子Bonus (Bon) 、ヒストン脱アセチル化酵素（註5）HDAC1、ヘテロクロマチン化制御因子（註6）HP1aの３種類のタンパク質を見つけた。さらに、Fruの標的遺伝子上でBonを介して、Fru-Bon-HDAC1複合体、あるいはFru-Bon-HP1a複合体が形成されることがわかった。

HDAC1、およびHP1aは実際のオスの性行動の制御にどのように関わっているのだろうか。そこで、任意の遺伝子型のオス1匹と野生型の処女メス1匹を小さな容器に入れ、オスが求愛行動に使う時間の割合（求愛指数）を調べた（図3）。野生型のオスは観察した5分間のうち約80％を求愛に使ったが、Fruをわずかしか作らない欠損型fru変異体のオスの求愛指数は37％と低かった。次に、欠損型fru変異体のオスにHDAC1変異を導入してHDAC1の発現も抑えたところ、求愛指数が11％にまで下がった。一方、同じ遺伝子型のオスにHP1a変異を導入すると、求愛指数は53％まで上昇した。この結果は、オスの性行動に対し、HDAC1タンパク質はFruタンパク質と同様に促進的にはたらき、HP1aタンパク質は抑制的にはたらくことを示している。

（図3） Fruと共役するタンパク質のはたらきを行動から調べる実験

4.細胞の性特異的構造を決める分子の役割分担

分子と行動をつなぐには、その間にある細胞レベルで何が起こっているかを知る必要がある。そこで私は、オスでHDAC1またはHP1aの発現と、mALニューロン群全体およびそれを構成する個々のニューロンの変化との関係を調べた（図4）。HDAC1の発現を抑えた場合、mALニューロン全体では細胞の数は30個から21個に減少し、反対側の突起にメスの特徴である逆Y字型の分岐が現われた。個々のニューロンを見ると、17％のニューロンがメス型に変化していた。次に、弱い欠損型fru変異体のmALニューロンを調べたところ、細胞の数は9個と大きく減少し、反対側の突起にもメスの逆Y字型の分岐が見られた。そして個々のニューロンでは、オス型とメス型のニューロンの割合が1対1になり、大きくメス型に変化していた。このオスでHP1aの発現をも抑えたところ、mALニューロンの数は16個に増加、個々のニューロンのオス型とメス型の割合は3対1になり、オス型の割合が増えていた。つまり、mALニューロン形成でもHDAC1タンパク質はオス化を促進し、HP1aタンパク質は抑制していた。興味深いことに、いずれの変異体の単一ニューロンでもオスとメスの中間のかたちをしたものは全く観察されなかった。つまり、HDAC1、HP1aの発現を抑えて、Fru標的遺伝子の発現量を増減させると、単一ニューロンのレベルで性が切り替わり、それは全か無かに起こると考えられる。

5.脳の性差をつくる巧妙なしくみの理解をめざして

 なぜオスの脳でオス化を抑制するHP1aが発現するのだろうか。キイロショウジョウバエの成虫の脳は蛹期の早い時期にかたち作られる。この時に、mALニューロンは性特異的な構造をとるようになるが、その始まりと終わりのタイミングは、蛹期に分泌される変態ホルモンのエクダイソン（註7）が増える２つのピークと良く一致していた。私はここに注目して、エクダイソンの濃度に連動した制御機構を考えてみた（図5）。まず、最初のピーク時にFruの標的遺伝子へFru-Bon-HDAC1複合体が結合し、クロマチン構造を変換してオス化のスイッチを入れる。そして、mALニューロンがオス化した後に、２番目のピークが訪れ、Fru-Bon-HP1a複合体がそのスイッチを切るという仮説である。Fruの標的遺伝子はまだ明らかではないが、性差を示すニューロンのほとんどで細胞数や神経突起のかたちに性差がみられることから、細胞死や神経突起形成に関連する遺伝子がその候補であろうと予想している。蛹期にオスの脳に発現したFruは、そのような多数の標的遺伝子の発現をクロマチンレベルで巧みに調節し、オス特異的な脳の構造を作りあげているのではないかと考え、さらなる解析を行っている。

（図5） エクダイソンの濃度と連動した脳の性差形成の仮説

伊藤 弘樹（いとう・ひろき）

1992年 北海道大学大学院理学研究科 修了。博士（理学）。科学技術振興機構 ERATO研究員、同 CREST研究員、理化学研究所発生・再生科学総合研究センター 研究員を経て、2007年より東北大学大学院生命科学研究科 研究員。