Analysis of Molecular Dynamics for Structural Spine Plasticity during the Critical Period

• Project Area: Inducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms
• Project/Area Number: 20H05918
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 内ヶ島 基政 新潟大学, 脳研究所, 研究教授 (10614662)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥59,150,000 (Direct Cost: ¥45,500,000、Indirect Cost: ¥13,650,000); Fiscal Year 2024: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2023: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2020: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
• Keywords: 臨界期 / スパイン / シナプス可塑性 / 分子標識 / イメージング / ゲノム編集 / 眼優位可塑性 / 可塑性 / 長期可塑性 / 大脳皮質 / マウス

Outline of Research at the Start

神経回路再編能は生後発達期にピークを迎え(臨界期)、その後は急激に低下する。しかし、その細胞内メカニズムの詳細は不明である。この解明のため、本研究はニューロンが情報入力を受ける場として神経回路再編に関わるスパインの構造長期可塑性に着目する。まずスパインの構造長期可塑性に関連する内在タンパク質を標識し、各スパインにおける構造長期可塑性を可視化する。次にこれをマウス大脳皮質一次視覚野の臨界期に応用し、臨界期とスパイン構造長期可塑性の関係を見出す。さらに臨界期発現に重要な興奮/抑制バランスを操作した際のスパイン構造長期可塑性を調べることで、臨界期の神経回路再編を制御するメカニズムの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、独自に開発した生体内ゲノム編集に基づいた単一細胞内在分子局在解析技術によって、マウス生後発達過程の臨界期における大脳皮質感覚野ニューロンの個々のスパインに発現する分子の分布パターンおよび動態を大規模かつ網羅的に観察し、臨界期を特徴づけるスパイン分子発現プロファイルを明らかにする。前年度までに、ゲノム編集技術を介した化学タグノックイン、広視野・高分解能イメージング、半自動的解析を組み合わせることによって、マウス大脳皮質の単一ニューロン上の4000個以上のスパインにおける内在スパインタンパク質の局在を網羅的にマッピングすることに成功した。本年度は、この技術を通じた内在タンパク質動態のマッピングを試みた。化学タグ標識タンパク質を介したある時間枠のパルスチェイス標識は、同一タンパク質内の既存の亜集団とその時間枠に新規合成された亜集団の識別を可能とする。そこで、生きたマウスの脳内にてパルスチェイス標識を行うため、脳表へのアクセスを可能とする頭蓋窓の作製した。単一大脳皮質ニューロンのCaNKIIα、βアクチン、PSD95に対する2時間の時間枠のパルスチェイス標識を行った結果、スパイン毎の既存と新規合成の亜集団の比率のばらつきに関して、PSD95で大きい一方、CaNKIIαとβアクチンで小さいという、分子の種類に応じた相違が認められた。過去の知見から、これらの分子動態と、個々のスパインにおけるシナプス可塑性との関連が予想される。現在、これまでに得られた内容をまとめた投稿論文の改訂を行っている。また、この技術をマウス一次視覚野の臨界期に応用するため、3点電極を用いた子宮内電気穿孔法によって、一次視覚野ニューロンにて1細胞シナプトームマッピングを行う実験系を立ち上げた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、in vivoにおけるパルスチェイス標識を用いた内在スパインタンパク質動態の１細胞しナプトームマッピング解析に成功し、その内容をまとめた論文の投稿を行うなど、着実な進展があった。一方、臨界期研究への応用に関してはやや遅れているものの、臨界期研究のモデルとなるマウス大脳皮質一次視覚野での1細胞シナプトームマッピングに既に成功したことから、今後の研究の進展が見込まれるため、概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

現在改訂中の論文の掲載に向けた実験を進める。また、2024年度は本研究計画最終年度のため、ゴールであるマウス一次視覚野臨界期メカニズムの解明に向けた1細胞シナプトームマッピング解析の応用を一層推進する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ州立大学医学部(米国)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ州立大学医学部(米国)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ州立大学医学部(米国)
• [Journal Article] General Design Strategy to Precisely Control the Emission of Fluorophores via a Twisted Intramolecular Charge Transfer (TICT) Process (2022)
  • Author(s): Hanaoka Kenjiro、Iwaki Shimpei、Yagi Kiyoshi、Myochin Takuya、Ikeno Takayuki、Ohno Hisashi、Sasaki Eita、Komatsu Toru、Ueno Tasuku、Uchigashima Motokazu、Mikuni Takayasu、Tainaka Kazuki、Tahara Shinya、Takeuchi Satoshi、Tahara Tahei、Uchiyama Masanobu、Nagano Tetsuo、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 43 Pages: 19778-19790
  • DOI: 10.1021/jacs.2c06397
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neuroligin-3: A Circuit-Specific Synapse Organizer That Shapes Normal Function and Autism Spectrum Disorder-Associated Dysfunction (2021)
  • Author(s): Uchigashima Motokazu、Cheung Amy、Futai Kensuke
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 14 Pages: 749164-749164
  • DOI: 10.3389/fnmol.2021.749164
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Specific Neuroligin3?αNeurexin1 signaling regulates GABAergic synaptic function in mouse hippocampus (2020)
  • Author(s): Uchigashima Motokazu、Konno Kohtarou、Demchak Emily、Cheung Amy、Watanabe Takuya、Keener David G、Abe Manabu、Le Timmy、Sakimura Kenji、Sasaoka Toshikuni、Uemura Takeshi、Imamura Kawasawa Yuka、Watanabe Masahiko、Futai Kensuke
  • Journal Title: eLife Volume: 9
  • DOI: 10.7554/elife.59545
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 哺乳類脳における1細胞シナプトームマッピング技術の開発 (2024)
  • Author(s): 内ヶ島基政、三國貴康
  • Organizer: 第129回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Invited
• [Presentation] 哺乳類脳における内在タンパク質の単一細胞・時空間・定量的マッピング法の開発 (2023)
  • Author(s): 内ヶ島 基政、井口 理沙、クーマー プラティック、劉 シンイ、阿部 学、野住 素広、五十嵐 道弘、﨑村 建司、備瀬 竜馬、レイビス ルーク、三國 貴康
  • Organizer: 第46回日本神経科学学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SeeThrough; 頭蓋骨透明化による生体脳イメージング技術 (2023)
  • Author(s): 劉 シンイ、内ケ島 基政、阿部 学、崎村 建司、田井中 一貴、三國 貴康
  • Organizer: 第46回日本神経科学学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳内1細胞シナプトームマッピング技術の開発 (2023)
  • Author(s): 内ヶ島基政、三國貴康
  • Organizer: 第46回日本神経組織培養研究会
  • Invited
• [Presentation] Development of Single-Cell, Spatiotemporal, Quantitative Imaging Method for Endogenous Proteins in Mammalian Brains (2023)
  • Author(s): Motokazu Uchigashima, Risa Iguchi, Kazuma Fujii, Pratik Kumar, Manabu Abe, Motohiro Nozumi, Michihiro Igarashi, Kenji Sakimura, Ryoma Bise, Luke D Lavis, and Takayasu Mikuni
  • Organizer: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Quantitative, Spatiotemporal Profiling of Endogenous Proteins in Mammalian Brain Tissues via CRISPR/Cas9-Based Knock-in of Chemical Tags (2022)
  • Author(s): Motokazu Uchigashima, Risa Iguchi, Xinyi Liu, Kazuma Fujii, Manabu Abe, Kenji Sakimura, Ryoma Bise, Takayasu Mikuni
  • Organizer: NEURO2022
• [Presentation] SeeThrough - live neuronal imaging through cleared skull in mammalian brain (2022)
  • Author(s): Xinyi Liu, Motokazu Uchigashima, Manabu Abe, Kenji Sakimura, Kazuki Tainaka, Takayasu Mikuni
  • Organizer: 第11回 生理研‐霊長研‐脳研 合同シンポジウム
• [Presentation] シナプス構成タンパク質をハイスループットに可視化するための技術開発 (2021)
  • Author(s): 内ヶ島基政
  • Organizer: 第759回新潟医学会例会
  • Invited
• [Presentation] Specific Neuroligin3-αNeurexin1 Trans-synaptic Interaction Regulates GABAergic Synaptic Function in an Input Cell Type-Dependent Manner (2021)
  • Author(s): Uchigashima Motokazu、Konno Kohtarou、Demchak Emily、Cheung Amy、Watanabe Takuya、Keener David G、Abe Manabu、Le Timmy、Sakimura Kenji、Sasaoka Toshikuni、Uemura Takeshi、Imamura Kawasawa Yuka、Watanabe Masahiko、Futai Kensuke
  • Organizer: 第126回 日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Book] Regulation of Presynaptic Release Machinery by Cell Adhesion Molecules. (2023)
  • Author(s): Uchigashima, M., Hayashi, Y., Futai, K
  • Total Pages: 24
  • Publisher: Springer Cham
  • ISBN: 9783031342295