シナプスの可塑的形態変化におけるＲｈｏＡ／Ｃｄｃ４２活性化の時空間制御機構

• Project/Area Number: 15J08240
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Neurophysiology / General neuroscience
• Research Institution: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 柴田 明裕 生理学研究所, 脳機能計測・支援センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: シナプス可塑性 / 蛍光寿命イメージング / ShadowG / Cdc42 / TCGAP

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、シナプス可塑性の分子メカニズムの一端を明らかにすることである。シナプス可塑性の中でも特に、シナプスの可塑的形態変化は、アクチン骨格依存的である。そのため、アクチン骨格を制御しているRhoGTPaseのCdc42と、その活性化/不活性化因子に着目し、これらの分子動態を蛍光寿命イメージング法によって調べた。

初年度はCdc42の活性化を高感度に捉えるための新規無蛍光蛍光タンパク質の開発に成功し、Cdc42のFRETセンサーや他の既存のFRETプローブにも適用できることを示した。次に２年度目は、50種類以上存在する不活化因子の中から、シナプスに局在する不活化因子の同定を行い、TCGAPの同定に成功した。そして、3年度目に、TCGAPの動態とCdc42の活性化を同時に観察することに成功した。具体的には、シナプスの可塑的形態変化を誘起するために、ケージドグルタミン酸を用いて単一シナプスを刺激した。その結果、Cdc42が活性化する直前にTCGAPが一時的に減少し、その後Cdc42が活性化するという非常に興味深い現象を捉えることに成功した。これらの結果から、作業仮説である『シナプス内の不活化因子（TCGAP）の離散により、Cdc42が活性化する』というCdc42の新しい活性化モデルを強く示唆する形となった。

このように、発光しない蛍光タンパク質を開発することで、シナプス内の分子活性とシナプスの形態変化を同時に可視化することが可能な新たな実験方法を確立することに成功した。これは、今までの神経科学における観察手法の壁の一つを壊すものであるため、この手法をほかの分子にも用いることで、記憶や学習に深く関わるシナプス可塑性の解明に繋がると大いに期待できる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Florida Institute/Neuronal Signal Transduction(米国)
• [Journal Article] Dynamic Meso-Scale Anchorage of GPI-Anchored Receptors in the Plasma Membrane: Prion Protein vs. Thy1 (2017)
  • Author(s): Nemoto YL, Morris, RJ, Hijikata H, Tsunoyama TA, Shibata ACE, Kasai RS, Kusumi A, Fujiwara TK
  • Journal Title: Cell Biochemistry and Biophysics Volume: 75 Issue: 3-4 Pages: 399-412
  • DOI: 10.1007/s12013-017-0808-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ShadowY: a dark yellow fluorescent protein for FLIM-based FRET measurement (2017)
  • Author(s): Murakoshi Hideji、Shibata Akihiro C. E.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-017-07002-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cortical actin nodes: Their dynamics and recruitment of podosomal proteins as revealed by super-resolution and single-molecule microscopy (2017)
  • Author(s): Y.M. Shirai, T.A. Tsunoyama, N. Hiramoto-Yamaki, K.M. Hirosawa, A.C.E. Shibata, K. Kondo, A. Tsurumune, F. Ishidate, A. Kusumi, and T.K. Fujiwara
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 12 Issue: 11 Pages: 1-35
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0188778
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Kinetics of Endogenous CaMKII Required for Synaptic Plasticity Revealed by Optogenetic Kinase Inhibitor (2017)
  • Author(s): Hideji Murakoshi, Myung Eun Shin, Paula Parra-Bueno, Erzsebet M. Szatmari, Akihiro C.E. Shibata, Ryohei Yasuda
  • Journal Title: Neuron Volume: 94 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2017.02.036
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 細胞内発現パターンを劇的に改善した高精度FRETセンサーの開発 (2016)
  • Author(s): 柴田明裕、村越秀治
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 印刷中
  • NAID: 130005153082
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Molecularly Evolved, Highly Sensitive CaMKII FRET Sensor with Improved Expression Pattern. (2015)
  • Author(s): Shibata AC, Maebashi HK, Nakahata Y, Nabekura J, Murakoshi H.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 10 Issue: 3 Pages: e0121109-e0121109
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0121109
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A dark green fluorescent protein as an acceptor for measurement of Forster resonance energy transfer by fluorescence lifetime imaging microscopy. (2015)
  • Author(s): Murakoshi H, Shibata AC, Nakahata Y, and Nabekura J
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/srep15334
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Optogenetic imaging of protein activity in the synapse by using 2-photon fluorescence lifetime imaging microscopy. Optogenetics -Light-Sensing Proteins and Their Applications-. (2015)
  • Author(s): Murakoshi H.* and Shibata ACE.
  • Journal Title: Springer-Verlag Volume: 12 Pages: 185-197
  • DOI: 10.1007/978-4-431-55516-2_12
  • ISBN: 9784431555155, 9784431555162
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Imaging and optogenetic manipulation of the activity of signaling molecules in neuron (2018)
  • Author(s): 柴田明裕
  • Organizer: Mini international workshop "Interhierarchical understanding of materials and life through molecular observation
  • Invited
• [Presentation] Development of a genetically encoded photo-activatable CaMKII (2017)
  • Author(s): 柴田明裕
  • Organizer: 第40回日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] 新規光応答性CaMKIIの開発とシナプス可塑性研究への応用 (2016)
  • Author(s): 柴田明裕、村越秀治
  • Organizer: 自然科学研究機構プロジェクト 合同シンポジウム「脳神経情報の階層的研究」「機能生命科学における揺らぎと決定」
  • Place of Presentation: 愛知県 岡崎市 岡崎カンファレンスセンター
  • Year and Date: 2016-02-25
• [Presentation] Optogenetic manipulation of photo-activatable CaMKII to the study of synaptic plasticity (2015)
  • Author(s): 柴田明裕、村越秀治
  • Organizer: 岡崎統合バイオサイエンスセンターリトリート
  • Place of Presentation: 愛知県 岡崎市 岡崎カンファレンスセンター
  • Year and Date: 2015-12-09
• [Presentation] Optogenetic manipulation of photo-activatable CaMKII in individual dendritic spines of neuron (2015)
  • Author(s): 柴田明裕、村越秀治
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 石川県 金沢市 金沢大学 角間キャンパス 自然科学本館
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Development of a photo-activatable CaMKII and its application to the study of synaptic plasticity (2015)
  • Author(s): 柴田明裕、村越秀治
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 兵庫県 神戸市 神戸国際会議場 神戸国際展示場
  • Year and Date: 2015-07-31
• [Remarks] 神経細胞シナプスの機能を光でコントロールすることに成功
  • URL: http://www.nips.ac.jp/release/2017/03/post_341.html