【研究室紹介】加藤研究室

環境適応を担う腎臓・腸・体表の上皮輸送機構

2016.10.20

生命理工学系にはライフサイエンスとテクノロジーに関連した様々な研究室があり、基礎科学と工学分野の研究のみならず、医学や薬学、農学等、幅広い分野で最先端の研究が活発に展開されています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、環境適応を担う腎臓・腸・体表の上皮輸送機構について研究する、加藤研究室です。

准教授　加藤明

生命理工学コース
准教授　加藤明

キーワード	電気生理学、分子生理学、細胞生物学、比較ゲノム
Webサイト	加藤研究室

研究紹介

私達の研究室では、動物生理学の様々な疑問に対してゲノムデータや遺伝子発現の解析から独自の仮説を考え、電気生理学、分子細胞生物学、生化学、免疫組織化学的などの手法により実験的な証明を試みています。現在は特に魚類の淡水・海水適応を担う様々な膜輸送体（Slc4、Slc9、Slc12、Slc26、Slc41、Cnnm、AQPなど）の解析を行い、正常腎機能の共通性や多様性を担う上皮細胞のメカニズム、ゲノム進化、熱力学などを明らかにしたいと考えています。

1. 海水魚腎臓の Mg²⁺、Ca²⁺、SO₄^2-排出を担う膜輸送体

海水魚は体液の約3倍の浸透圧を持つ海水で生息するため、常に環境に水を奪われ体内に塩分が侵入します。海水魚は体液浸透圧の恒常性を維持するために海水を積極的に飲み、塩分と水分を腸から吸収し、エラや腎臓、腸から余剰の塩分を排出することで体液浸透圧の上昇を防いでいます（図1）。海水にはNa⁺、Cl^- のほか様々なイオンが含まれますが、Na⁺、Cl^-、K⁺はエラから、Mg²⁺、SO₄^2-、Ca²⁺などは腎臓と腸から排出することが知られています。私たちは海水魚でゲノム解読が完了しているトラフグの近縁種で淡水・海水のどちらの環境でも生息できるメフグに着目し、淡水と海水でそれぞれ飼育したメフグの腎臓における遺伝子発現解析を行いました。その結果、海水飼育時にはCl^--SO₄^2-交換輸送体（Slc26a6）、Na⁺-Ca²⁺交換輸送体（Slc8a2）、Mg²⁺輸送体（Slc41a1、Cnnm3）の発現が上昇し、一方淡水飼育時にはNa⁺-Cl^- 共輸送体（Slc12a3）、Mg²⁺輸送体（Cnnm2）の発現が上昇する事を見出しました。今後これらの活性や局在、ホルモンによる制御を解析し、海水魚腎臓における2価イオン排出機構の全貌解明を目指しています。ヒトMg²⁺輸送体の活性解析法の開発も同時に進めています。

海産硬骨魚の水電解質代謝

図1 海産硬骨魚の水電解質代謝

2. 淡水魚の塩分吸収、水排出を担う膜輸送体

淡水魚は塩濃度が体液の1/100以下の環境に生息するため、常に環境から体内に水が浸入します。そこで淡水魚は体液の恒常性を維持するために、体液の約1/10まで塩分を希釈した低張尿を排出することで収支として水を排出し、同時に塩分の喪失を補うために淡水中の僅かな塩分をエラから吸収します（図2）。淡水魚腎臓による低張尿の産生には遠位尿細管や集合管の原尿側細胞膜に発現するNa⁺-K⁺-Cl^-共輸送体（Slc12a1）とNa⁺-Cl^-共輸送体（Slc12a3）の活性が重要な役割を担うことが予想されており、それらの活性やホルモンによる制御などを解析し、淡水魚腎臓における水排出機構を明らかにしたいと考えています。一方、淡水魚エラではNa⁺-H⁺交換輸送活性とNa⁺-NH₄⁺交換輸送活性を併せ持つNhe3 (Slc9a3) が塩類細胞（ionocyte）の淡水側細胞膜に発現し、淡水から濃度勾配に逆らったNa⁺吸収を実現していると考えられています。私たちはゼブラフィッシュNhe3のin vitroにおける高感度な活性測定系を得ており、Na⁺吸収活性の強化に必要な因子の同定を試みています。

淡水産硬骨魚の水電解質代謝

図2 淡水産硬骨魚の水電解質代謝

3. 新規 H⁺-Cl^- 共輸送体の同定

ショウジョウバエの高塩濃度耐性に着目した共同研究に参加し、Slc9b1が強力なH⁺-Cl^- 共輸送活性を有する事を初めて見出しました。これまでSlc9ファミリーは陽イオン交換輸送体ファミリーとして広く認識されてきました。Slc9ファミリーによる陰イオン（Cl^-）輸送活性の発見により新たな生理機能が解明されることが期待されます。

研究成果

論文

[1]　Hasegawa, K., Kato, A., Watanabe, T., Takagi, W., Romero, M.F., Bell, J.D., Toop, T., Donald, J.A., Hyodo, S. (2016) Sulfate transporters involved in sulfate secretion in the kidney are localized in the renal proximal tubule II of the elephant fish (Callorhinchus milii). Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 311: R66-R178
[2]　Chintapalli, V.R., Kato, A., Henderson, L., Hirata, T., Woods, D.J., Overend, G., Davies, S.A., Romero, M.F., and Dow, J.A.T. (2015) Transport proteins NHA1 and NHA2 are essential for survival, but have distinct transport modalities. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112: 11720-11725.
[3]　Nag, K., Sultana, N., Kato, A., Dranik, A., Nakamura, N., Kutsuzawa, K., Hirose, S., and Akaike, T. (2015) Ligand-induced internalization, recycling, and resensitization of adrenomedullin receptors depend not on CLR or RAMP alone but on the receptor complex as a whole. Gen. Comp. Endocrinol. 212: 156-162.
[4]　Islam, Z., Hayashi, N., Inoue, H., Umezawa, T., Kimura, Y., Doi, H., Romero, M.F., Hirose, S., and Kato, A. (2014) Identification and lateral membrane localization of cyclin M3, likely to be involved in renal Mg²⁺ handling in seawater fish. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 307: R525-R537.
[5]　Ito, Y., Kato, A., Hirata, T., Hirose, S., and Romero, M.F. (2014) Na⁺/H⁺ and Na⁺/NH₄⁺ exchange activities of zebrafish NHE3b expressed in Xenopus oocytes. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 306: R315-R327.
[6]　Fukuda, H., Hirata, T., Nakamura, N., Kato, A., Kawahara, K., Wakabayashi, S., Chang, M.H., Romero, M.F., and Hirose, S. (2013) Identification and properties of a novel variant of NBC4 (Na⁺/HCO₃^- co-transporter 4) that is predominantly expressed in the choroid plexus. Biochem. J. 450: 179-187.
[7]　Fukuzawa, T., Ishida, J., Kato, A., Ichinose, T., Ariestanti, D.M., Takahashi, T., Ito, K., Abe, J., Suzuki, T., Wakana, S., Fukamizu, A., Nakamura, N., and Hirose, S. (2013) Lung Surfactant Levels are Regulated by Ig-Hepta/GPR116 by Monitoring Surfactant Protein D. PLoS One 8: e69451.
[8]　Islam, Z., Hayashi, N., Yamamoto, Y., Doi, H., Romero, M.F., Hirose, S., and Kato, A. (2013) Identification and proximal tubular localization of the Mg²⁺ transporter, Slc41a1, in a seawater fish. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 305: R385-R396.
[9]　Li, S., Kato, A., Takabe, S., Chen, A.P., Romero, M.F., Umezawa, T., Nakada, T., Hyodo, S., and Hirose, S. (2013) Expression of a novel isoform of Na⁺/H⁺ exchanger 3 in the kidney and intestine of banded houndshark, Triakis scyllium. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 304: R865-R876
[10]　Umezawa, T., Kato, A., Ogoshi, M., Ookata, K., Munakata, K., Yamamoto, Y., Islam, Z., Doi, H., Romero, M.F., and Hirose, S. (2012) O₂-filled swimbladder employs monocarboxylate transporters for the generation of O₂ by lactate-induced root effect hemoglobin. PLoS One 7: e34579.
[11]　Munakata, K., Ookata, K., Doi, H., Baba, O., Terashima, T., Hirose, S., and Kato, A. (2012) Histological demonstration of glucose transporters, fructose-1,6-bisphosphatase, and glycogen in gas gland cells of the swimbladder: is a metabolic futile cycle operating? Biochem. Biophys. Res. Commun. 417: 564-569.
[12]　Chang, M.H., Plata, C., Kurita, Y., Kato, A., Hirose, S., and Romero, M.F. (2012) Euryhaline pufferfish NBCe1 differs from nonmarine species NBCe1 physiology. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 302: C1083-C1095.
[13]　Kato, A., Muro, T., Kimura, Y., Li, S., Islam, Z., Ogoshi, M., Doi, H., and Hirose, S. (2011) Differential expression of Na⁺-Cl^- cotransporter and Na⁺-K⁺-Cl^- cotransporter 2 in the distal nephrons of euryhaline and seawater pufferfishes. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 300: R284-R297.
[14]　Islam, Z., Kato, A., Romero, M.F., and Hirose, S. (2011) Identification and apical membrane localization of an electrogenic Na⁺/Ca²⁺ exchanger NCX2a likely to be involved in renal Ca²⁺ excretion by seawater fish. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 301: R1427-R1439.

総説・著書

[1]　加藤明. (2015) マグネシウム恒常性を担うマグネシウムイオン輸送体の多様性. 生化学 87: 727-732
[2]　Kato, A. and Watanabe, T. (2013) Renal Sulfate Regulation. In Eel Physiology (Trischitta F., Takei Y., and Damasceno-Oliveira A., eds), CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 160-177.
[3]　Kato, A. and Romero, M.F. (2011) Regulation of electroneutral NaCl absorption by the small intestine. Annu. Rev. Physiol. 13: 261-281.

教員紹介

加藤明准教授（理学博士）

1998年3月	東京工業大学大学院生命理工学研究科バイオサイエンス専攻博士課程修了
1996 - 1998年	日本学術振興会特別研究員
1998 - 2000年	理化学研究所基礎科学特別研究員
2000 - 2007年	東京工業大学大学院生命理工学研究科助手
2007 - 2015年	東京工業大学大学院生命理工学研究科助教
2007年	Mayo Clinic 客員研究員
2008 - 2015年	Mayo Clinic 共同研究員
2015年10月より	東京工業大学バイオ研究基盤支援総合センター准教授

2011年	米国生理学会 New Investigator Award (Comparative & Evolutionary Physiology Section)

所属学会: 日本生化学会、日本分子生物学会、日本動物学会、トランスポーター研究会、The American Physiological Society

教員からのメッセージ

加藤准教授より: 2001年にヒト、2002年にトラフグのゲノムが解読されてから今日に至るまで60種を超える脊椎動物のゲノムが解読され、その数は加速度的に増え続けています。これらの情報はあまりにも膨大で、そこから生理学的に意味のある仮説を導き出すには独自の視点が必要になります。私たちはゲノム全遺伝子の約6%に相当する1,200の遺伝子がコードする膜輸送体（トランスポーター、チャネル、ポンプ）に着目し、その遺伝子構成と系統関係、種特異的な遺伝子重複や欠損、臓器特異的な遺伝子発現パターン、生息環境の変化に応答した遺伝子発現変化、タンパク質の細胞内局在、タンパク質活性の最大強度や基質特異性のオーソログ・パラログ間での比較などの解析を行っています。ゲノムデータに基づいた発現解析に着想を得て合理的な仮説を立てることと、分子メカニズムを実験的に証明することにこだわって研究を進めています。腎臓や腸など内臓機能の比較や進化の視点から脊椎動物とは何かを深く議論して新しい分子メカニズムを探索する仲間を探しています。