スティーブン・M・レパート |
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 スティーブン・M・レパート、マサチューセッツ州在住のアメリカ人神経科学者、2006年 |
| 生まれる | (1946年9月4日)1946年9月4日 |
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| 市民権 | アメリカ合衆国 |
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| 母校 | |
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| 知られている | - 胎児の概日時計
- メラトニン受容体
- 哺乳類の概日時計機構
- オオカバマダラの太陽コンパス
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| 科学者としてのキャリア |
| フィールド | |
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| 機関 | - マサチューセッツ大学医学部神経生物学科長(2001~2013年)
- マサチューセッツ大学医学部ヒギンズファミリー神経科学教授(2001~2017年)
- マサチューセッツ大学医学部神経生物学特任教授(2014~2017年)
- マサチューセッツ大学医学部神経生物学名誉教授(2017年~)
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スティーブン・M・レパート(1946年9月4日生まれ)は、アメリカの神経科学者であり、時間生物学と神経行動学の分野への貢献で知られています。彼の研究は、主に哺乳類の概日リズムの生理学的、細胞学的、分子的基盤に焦点を当てており、最近では渡り性のオオカバマダラのナビゲーションメカニズムに注目しています。彼は2001年から2017年までマサチューセッツ大学医学部のヒギンズファミリー神経科学教授を務め、2001年から2013年までは神経生物学科の初代学科長でした。レパートは2014年に学科長を退任しました。彼は現在、神経生物学の名誉教授です。
バイオグラフィー
若いころ
スティーブン・レパートはネブラスカ州ペンダー村で育ち、1964年にペンダー公立高校を卒業した。科学への興味は、幼少期にセクロピアを観察するところから始まった。ハーバード大学の生物学者キャロル・M・ウィリアムズは、幼少ホルモンが脱皮と変態に果たす役割についての先駆的な研究にこの蛾を用いたことで有名になった。[ 1 ]レパートは、毎年夏にセクロピアを卵から成虫になるまで育て続けている。
教育とキャリア
レパートは1973年にネブラスカ大学医学部で理学士号と医学博士号を優秀な成績で取得し、アルファ・オメガ・アルファ名誉医学会の医学生に選出されました。
1973年から1976年まで、マサチューセッツ総合病院で小児科の研修と研修医を務めた。
1976年から1979年まで、レパートはメリーランド州ベセスダにある国立小児保健・人間開発研究所のデイビッド・C・クラインの研究室で神経内分泌学の博士研究員を務め、松果体と概日生物学を研究していた。[ 2 ]
レパートは1979年からマサチューセッツ総合病院とハーバード大学医学部の教授を務め、1993年に教授に昇進した。1983年から2001年までマサチューセッツ総合病院の発生時間生物学研究所を率い、その後マサチューセッツ大学医学部に移った。[ 3 ]
研究
レパート氏は180本以上の論文を発表しており、自身の研究から生まれた7件の特許の主発明者でもある。[ 4 ]
胎児の概日時計
げっ歯類の研究では、胎児の脳が光の存在を認識できるようになる前から、視交叉上核(SCN)にある脳時計のマスター機能が胎児で機能していることが示されています。Reppert らは、胎児の SCN が、網膜視床下部経路が眼から SCN を神経支配する前に、明暗サイクルに同調していると報告しました。 [ 5 ] この発見は、母親と、母親の周囲の明暗サイクルへの同調が、同期に必要な情報を胎児に提供していることを示しています。Reppert が述べているように、「母親は胎児の概日リズムシステムの変換器として機能しています。彼女は光情報を自身の概日リズムシステムに取り込み、それが胎児の概日リズムシステムに伝達されます。」[ 6 ]この胎児の同調は産後も持続し、新生児の行動パターンが環境に適切に同調することを保証します。ドーパミンとメラトニンはどちらも周産期の母親の同調信号として作用します。[ 7 ]
哺乳類の概日時計
スティーブン・レパート氏とその同僚は、哺乳類の概日時計のメカニズムに関する洞察を提供する重要な貢献を果たしました。
SCNにおける細胞の自律性
レパートらは、SCNに自律的な単一細胞概日リズム振動子が多数含まれていることを発見した。[ 8 ]彼らは新生仔ラットのSCN細胞を固定微小電極アレイ上で培養し、培養中の個々のSCNニューロンの活動をモニタリングした。同一培養中のニューロンが発現する概日リズムは同期しておらず、ニューロンは互いに独立して機能していることが示唆された。
マウス時計遺伝子PERIOD2とPERIOD3の機能
レパートらは、マウスの時計遺伝子mPer2とmPer3も発見し、その機能を明らかにした。彼らは、mPER2とmPER3タンパク質は、以前に発見されたmPER1と同様に、互いに、またショウジョウバエのPER といくつかの相同領域を共有していることを発見した。[ 9 ] [ 10 ]レパートらは、3 つのPer遺伝子間で異なる光応答を発見した。 [ 10 ] mPer1およびmPer2 のmRNA レベル とは異なり、mPer3 のmRNA レベルは主観的な夜の間に光曝露によって急激に変化しない。彼らはまた、mPer1–3 が肝臓、骨格筋、精巣など、脳以外の組織で広く発現していることも発見した。mPER1–3 の機能を決定するために、レパートらはそれらをコードする 3 つの遺伝子を破壊した。[ 11 ]二重変異マウスを用いて、研究者らはmPER3が概日時計のコア機能の外側で機能するのに対し、mPER1とmPER2は両方ともリズムに必要であることを示した。
負の転写フィードバックループ
レパートらは、マウスのクリプトクロムmCRY1とmCRY2の2つが時計遺伝子発現の主要な転写抑制因子として機能し、mPERタンパク質がCRYの核内移行に必要であることを発見した。 [ 12 ]この研究は、負の転写フィードバックループがマウスの分子時計を駆動する主要な歯車であることを初めて明らかにした。[ 13 ]
連動する転写フィードバックループ
レパートらは、哺乳類のSCNの中核メカニズムは、相互作用する正の転写フィードバックループと負の転写フィードバックループから成り立つことを発見した。[ 14 ]最初のループは自己調節性の負の転写フィードバックループであり、mCRYタンパク質がmCry遺伝子とmPer遺伝子の転写を負に制御する。2つ目の連動フィードバックループは、Bmal1のリズム制御に関与する。Bmal1のリズムは時計機構の機能には必須ではないが、リズムの堅牢性を調節するのに役立つ。
CLOCKとNPAS2
レパート博士らは転写因子CLOCKとNPAS2がSCNで重複した役割を持つことを発見し、NPAS2の予期せぬ新しい役割を明らかにした。[ 15 ]彼の研究室はCLOCKを欠損したマウスでも行動と分子のリズムが維持されることを観察し、CLOCKはマウスの運動活動の概日リズムに必須ではないことが示された。次に彼らはCLOCK欠損マウスを調べることで、NPAS2はCLOCKのパラログであり、BMAL1と二量体を形成することでCLOCKを機能的に代替できることを突き止めた。最後に彼らは、CLOCK欠損マウス、NPAS2欠損マウス、二重変異マウスを調べることで、末梢振動子の概日リズムにはCLOCKが必要であることを発見した。[ 15 ] このように、CLOCKとNPAS2の間には組織依存的な根本的な違いがある。
哺乳類のメラトニン受容体
1994年、レパートは松果体ホルモンのメラトニンに結合するGPCRファミリーの最初のヒトおよびヒツジのMel 1aメラトニン受容体のクローンを作成し、哺乳類の脳におけるその発現がSCNと下垂体隆起部に局在していることを明らかにした。[ 16 ] Mel 1aはメラトニンの概日リズム効果と季節繁殖哺乳類の生殖行動に関与していると考えられている。[ 16 ]
1995年、レパートはメラトニン受容体Mel 1bをクローニングし、その特徴を明らかにした。彼と同僚は、この受容体が主に網膜に発現していることを発見し、光依存性網膜機能を変化させると考えられている。[ 17 ]彼らは、機能的なMel 1bを欠損しているものの、メラトニンに対する概日リズムと生殖反応を維持するシベリアンハムスターの近交系集団を特定した。 [ 18 ]これらのデータは、メラトニンの概日リズムと生殖作用にはMel 1bは不要であり、代わりにMel 1aに依存していることを示唆している。
メラトニン受容体の分子的性質の解明により、そのリガンド結合特性の定義が容易になり、睡眠障害やうつ病の治療に現在使用されているメラトニン類似体の開発が促進されました。[ 16 ]
昆虫のクリプトクロム
2003年、レパート氏はオオカバマダラのCRYタンパク質の機能的・進化的特性の調査を開始した。彼はオオカバマダラに2つのCry遺伝子、 Cry1とCry2を同定した。[ 19 ] 彼の研究は、オオカバマダラのCRY1タンパク質が、ハエの光同調に必要な青色光受容体であるショウジョウバエのCRYと機能的に類似していることを実証した。彼はまた、オオカバマダラのCRY2が脊椎動物のCRYと機能的に類似していること、そして彼のグループが以前に2つのマウスのCRYに対して示したように、オオカバマダラのCRY2がチョウの概日時計の転写翻訳フィードバックループにおいて強力な転写抑制因子として機能することを実証した。 [ 12 ]これらのデータは、ショウジョウバエと哺乳類の両方の時計の特徴的なメカニズムを持つ、ショウジョウバエ以外の一部の昆虫に特有の新しい概日時計の存在を示唆している。 [ 20 ]ハチやアリなどの他の昆虫は脊椎動物のようなCRYのみを持ち、それらの概日時計はさらに脊椎動物に似ています。[ 21 ]ショウジョウバエは脊椎動物のようなCRYを持たない唯一の既知の昆虫です。
2008年、レパート氏らはショウジョウバエにおける光依存性磁気受容反応にCRYが必要であることを発見した。また、磁気受容にはショウジョウバエCRYの作用スペクトルに対応するUVA/青色光が必要であることも示した。[ 22 ]これらのデータは、CRYが磁気受容の入力経路または化学物質ベースの経路の構成要素として遺伝学的に関与していることを初めて示した。これらの発見をオオカバマダラの研究に適用し、レパート氏のグループは、オオカバマダラのCRY1およびCRY2タンパク質の両方をCRY欠損ハエでトランスジーンとして発現させると、光依存性磁気受容機能がうまく回復することを示した。これらの結果は、オオカバマダラにはCRYを介した磁気受容システムが存在し、それが太陽コンパスと調和してナビゲーションに役立っている可能性を示唆している。 2011年に、Reppertの研究室は、CRY欠損ハエにおいてヒトCRY2が機能的な磁気受容器の代わりをできることも発見した。この発見は、ヒトの磁気感受性のさらなる研究を正当化するものである。[ 23 ] [ 24 ]しかし、上記のCRY依存性の磁気研究の解釈は、ショウジョウバエの行動に対する磁場の影響の証拠はないことを示唆するBassettoらによる2023年の論文の文脈で見る必要がある。 [ 25 ]さらに、著者らは、Reppert研究室で開発されたバイナリT字型迷路装置を使用して、ショウジョウバエの磁気感受性を再現できなかった。[ 22 ] Reppertは、ショウジョウバエの磁気感受性を示した自身の研究室の研究を擁護し、Bassettoら、2023年に報告された結論に疑問を呈している。 [ 26 ]ショウジョウバエには磁気受容がないという説を反駁または検証するには、さらなる研究が必要である。
オオカバマダラの渡り
2002年以来、レパートと同僚たちは、オオカバマダラの渡りの生物学的基礎の研究を先導してきました。[ 27 ] [ 28 ]毎年秋になると、米国東部とカナダ南東部から数百万匹のオオカバマダラが中央メキシコのねぐらで越冬するために4,000 kmも移動します。[ 29 ] 南へ飛ぶ渡り鳥は前年の渡り鳥から少なくとも2世代離れていることを考えると、オオカバマダラの渡りは学習された活動ではありません。[ 30 ]そのため、渡りをするオオカバマダラは、何らかの遺伝子に基づいたナビゲーションメカニズムを持っているに違いありません。
レパートと同僚は、新しい概日時計のメカニズムと、秋の渡りの時期に蝶が使用する主要なナビゲーション戦略である時間補正太陽コンパス方位におけるその役割に焦点を当ててきました。[ 29 ]彼らは時計シフト実験を使用して、太陽が空を毎日移動するときに渡り鳥が南への飛行方向を維持できるようにするには、概日時計が太陽コンパスと相互作用する必要があることを示しました。[ 31 ]レパートはワシントン大学のイーライ・シュリザーマンとミシガン大学のダニエル・フォーガーと共同で、時間補正太陽コンパスの実用的な数学モデルを提案しました。[ 32 ]
時計仕掛けの機構
ショウジョウバエ様の側面と哺乳類様の側面の両方を持つオオカバマダラの時計機構モデルは、 2つの異なるCRYタンパク質を用いる点で独特である。レビュー論文[ 28 ]で発表されているように、遺伝子/タンパク質レベルでの時計機構は以下のように機能する。
- 自己調節性転写フィードバック ループでは、CLOCK (CLK) と CYCLE (CYC) のヘテロ二量体が形成され、 Per、Tim、およびCry2遺伝子の転写を促進します。
- TIM、PER、CRY2 タンパク質は翻訳され、細胞質内で複合体を形成します。
- 24 時間後、CRY2 は核に戻り、CLK:CYC 転写を阻害します。
- 一方、PER は徐々にリン酸化され、CRY2 の核への移行を促進する可能性があります。
- CRY1 タンパク質は概日リズム光受容体であり、光にさらされると TIM の分解を引き起こし、光が光同調のための中枢時計機構にアクセスできるようになります。
アンテナ時計
レパートの研究室は、フレッド・アーカートの仮説を発展させ、触角がオオカバマダラの渡りに役割を果たしているという仮説を検証しました。2009年、レパートと共同研究者のクリスティン・マーリン、ロバート・ゲギアは、時間補償時計は脳にのみ存在するという従来の仮説に反して、触角にも時計が存在し、「渡りをするオオカバマダラにおける適切な時間補償された太陽コンパスの方向付けに必要」であると報告しました。[ 33 ] 彼らは、触角が損傷していない渡りをするオオカバマダラと触角を除去した渡りをするオオカバマダラの太陽コンパスの方向付けを比較することで、この結論に達しました。[ 33 ]レパートの研究室はまた、試験管内で触角を研究し、触角時計は光によって直接同調し、脳とは独立して機能することを発見しました。[ 33 ]しかし、オオカバマダラの触角の概日時計と脳の太陽コンパスとの相互作用については、さらなる研究が必要です。
2012年、レパートらは、太陽コンパスによる方位測定には1本の触角だけで十分であることを明らかにした。彼らは、片方の触角を黒く塗装することで、2本の触角間の光照射量に不一致を生じさせ、塗装していないもう片方の触角だけで方位測定に十分であることを明らかにした。4つの時計遺伝子(per、tim、cry1、cry2)すべてが、調査した触角の様々な部位で発現しており、「光同調型概日時計がオオカバマダラの触角全体に分布している」ことを示唆している。[ 34 ]
2013年、レパートとパトリック・ゲラは、春の渡り鳥もメキシコからアメリカ南部への北方への飛行を誘導するために、アンテナ依存の時間補正太陽コンパスを使用していることを示しました。[ 35 ]
太陽コンパス
レパートの研究室で働いていたスタンレー・ハインツは、オオカバマダラの脳の解剖学的および電気生理学的研究を用いて、中枢脳の正中線構造である中心複合体が太陽コンパスの位置である可能性が高いという証拠を示した。[ 36 ]
磁気コンパス
レパートと同僚のパトリック・ゲラとロバート・ゲギアは、渡りをするオオカバマダラが曇りの日に光依存の傾斜ベースの磁気コンパスを使ってナビゲーションできることを示した。[ 37 ]クリスティン・マーリンの研究室の遺伝子研究では、光受容性のCRY1タンパク質がオオカバマダラの光に敏感な磁気コンパスに不可欠であることが示されている。[ 38 ]オオカバマダラでの逆遺伝学の使用が成功すれば、コンパスナビゲーションの文脈で光依存の磁気感知の根底にある分子メカニズムを描写するのに、この蝶が優れた選択肢であることを示しているだろう。
温度
レパートとパトリック・ゲラは、秋の渡り鳥が越冬期のような寒さに時期尚早にさらされると、北への飛行方向を反転させることを示した。越冬地の温度微環境は、渡りのサイクルを成功裏に完了させる上で不可欠である。寒さに曝露されなければ、高齢の渡り鳥は南への飛行方向を維持し続ける。寒さが春の再渡り鳥の北への飛行方向を誘発するという発見は、渡り鳥が気候変動に対していかに脆弱であるかを浮き彫りにしている。[ 39 ] [ 40 ]
オオカバマダラのゲノム
2011年、レパートらはオオカバマダラのゲノムの概略配列と16,866個のタンパク質コード遺伝子を発表しました。これは、チョウ類、そして長距離渡りをする種として初めて特徴づけられたゲノムです。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
2012年、レパートらは、オオカバマダラ(Danaus plexippus)のゲノム統合データベース「MonarchBase」を設立した。このプロジェクトの目的は、オオカバマダラのゲノムおよびプロテオーム情報を生物学者や鱗翅目昆虫群集が利用できるようにすることであった。[ 44 ]
2013年、クリスティン・マーリンとスコット・ウルフは、レパートの研究室で、ジンクフィンガーヌクレアーゼ戦略を用いた、チョウにおける時計遺伝子の重要な役割を明らかにする、新たな遺伝子標的化アプローチを開発しました。[ 45 ] Cry2の標的変異誘発は、実際に生体内で概日行動と分子時計機構の破壊をもたらしました。マーリンの研究室でのさらなる研究により、ヌクレアーゼ戦略は、チョウにおける追加の時計遺伝子を標的とし、遺伝子機能を変化させるための強力なツールであることが示されました。[ 46 ]
2016年、レパートはシカゴ大学のマーカス・クロンフォルストらと共同で、集団遺伝学の研究を用いてオオカバマダラの渡りの進化史を明らかにした。[ 47 ]
賞と栄誉
- チャールズ・キング・トラスト研究フェローシップ、1981~1984年
- バジル・オコナー・スターター・スカラー・リサーチ賞、マーチ・オブ・ダイムズ基金、1981~1983年
- アメリカ心臓協会のEstablished Investigator Award 、1985~1990年
- アメリカ臨床研究学会フェロー、1987年選出
- E.ミード・ジョンソン優秀研究賞、1989年[ 48 ]
- NIH-NICHD メリット賞、1992~2002年
- ハーバード大学名誉修士号、1993年
- マサチューセッツ大学医学部ヒギンズファミリー神経科学教授(2001~2017年)
- 2004年 生体リズム研究協会会長
- アメリカ科学振興協会フェロー、2011年選出[ 49 ]
- グレゴール・J・メンデル名誉生物学賞、チェコ共和国科学アカデミー、2012年[ 50 ]
- 2013年、チェコ共和国南ボヘミア大学名誉博士号[ 51 ]
- マサチューセッツ大学医学部学長優秀研究賞、2016年[ 52 ]
参考文献
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外部リンク