Mechanisms of corticogenesis in the developing brain

• Project/Area Number: 20H05688
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 仲嶋 一範 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 教授 (90280734)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田畑 秀典 愛知県医療療育総合センター発達障害研究所, 分子病態研究部, 室長 (80301761) ; 大石 康二 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 特任准教授 (80420818)
• Project Period (FY): 2020-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥196,690,000 (Direct Cost: ¥151,300,000、Indirect Cost: ¥45,390,000); Fiscal Year 2024: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000); Fiscal Year 2023: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000); Fiscal Year 2022: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000); Fiscal Year 2021: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000); Fiscal Year 2020: ¥42,250,000 (Direct Cost: ¥32,500,000、Indirect Cost: ¥9,750,000)
• Keywords: 脳皮質 / 発生分化 / 形態形成 / 神経細胞 / グリア細胞 / 発生・分化

Outline of Research at the Start

脳の神秘的な機能を支える皮質組織の三次元的な基本構造が、それを構成する細胞たちの相互作用を通して発生期に適切に構築されていくメカニズムを明らかにすることを目指す。具体的には、神経細胞による層構造などの形態形成機構、及び、脳機能に積極的に関与し神経細胞より圧倒的に多く存在するグリア細胞であるアストロサイトについて、どこでどのように産生され皮質内に広く分布していくのかを明らかにしたい。

Outline of Annual Research Achievements

大脳新皮質では、領域によって神経細胞の産生時期や細胞構築が異なることが知られている。皮質の三次元的な基本構造が神経細胞移動の制御を通して発生期に構築されていくメカニズムを明らかにする基盤として、まずは移動プロフィールの全体像を明らかにした。従来のチミジンアナログ(TA)を用いた解析では移動の開始点を区別できないため、本研究では移動開始点を明確にするため脳室内に蛍光色素を注入するフラッシュタグ法(FT)を応用した。まずFTが、注入直後に脳室面で分裂する細胞集団のみを高い時間分解能でラベルできることを確かめた。その上で胎生の特定の時期にFTでラベルを行い、2日後にラベルされた細胞の分布を調べたところ、背内側では脳表面に到達していたが、背外側では多くの細胞が移動中間点付近にあるサブプレート下に観察された。この明瞭な領域差は同時に行ったTAによるラベルでは明らかでなかった。様々な時期での観察から、移動プロフィールは発生時期依存的に内外側で異なることが判明した。また、神経細胞移動の領域差の少なくとも一部はサブプレート細胞によって制御されると考えられる結果を得た。
また、アストロサイト前駆細胞を出生直後の生きた個体の脳表面から２光子顕微鏡を用いて観察し、erratic migrationと命名した特徴的な移動や血管に沿った移動がスライス培養のartifactではなくin vivoで確かに存在することを証明した。
さらに、小脳の脳回形成については、プルキンエ細胞に発現するリーリン受容体を阻害することによって障害されることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

新しい解析手法を用いて、従来の方法ではわからなかった現象を含め、大脳皮質全体の神経細胞移動プロフィールの全貌を明らかにすることができた。また、これまでスライス培養で見出していたアストロサイト前駆細胞特有の移動様式が、生きた動物でin vivoにおいても観察できることを、難易度の高い２光子顕微鏡を用いて証明できたため。

Strategy for Future Research Activity

Reelin直下で移動を終えたばかりの細胞群に発現する細胞接着分子を検索したところ、候補分子を見出したので、機能解析を進める。また、アストロサイト前駆細胞の血管に沿った移動を担う分子の候補について、CRISPR/Cas9系とトランスポゾンを使った子宮内電気穿孔法を組み合わせることによって検討する。さらに、アストロサイトの産生自体を制御する因子の解析も進める。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Int'l Joint Research] フランシス・クリック研究所(英国)
• [Journal Article] Cerebellar foliation via non-uniform cell accumulation caused by fiber-guided migration of granular cells (2021)
  • Author(s): Hironori Takeda, Yoshitaka Kameo, Takahiro Yamaguchi, Kazunori Nakajima, Taiji Adachi
  • Journal Title: Journal of Biomechanical Science and Engineering Volume: 16 Issue: 1 Pages: 20-00516-20-00516
  • DOI: 10.1299/jbse.20-00516
  • NAID: 130008031763
  • ISSN: 1880-9863
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comprehensive characterization of migration profiles of murine cerebral cortical neurons during development using FlashTag labeling (2021)
  • Author(s): Yoshinaga Satoshi、Shin Minkyung、Kitazawa Ayako、Ishii Kazuhiro、Tanuma Masato、Kasai Atsushi、Hashimoto Hitoshi、Kubo Ken-ichiro、Nakajima Kazunori
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 4 Pages: 102277-102277
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102277
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 脳神経と脳幹の発生と構造 (2021)
  • Author(s): 廣田ゆき、野田隆一郎、仲嶋一範
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 39 Pages: 530-532
• [Journal Article] Reelin-Nrp1 interaction regulates neocortical dendrite development in a context-specific manner. (2020)
  • Author(s): Kohno, T., Ishii, K., Hirota, Y., Honda, T., Makino, M., Kawasaki, T., Nakajima, K., Hattori, M.
  • Journal Title: J. Neurosci. Volume: 40 Issue: 43 Pages: 8248-8261
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1907-20.2020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 中枢神経系の構造と発生過程 (2021)
  • Author(s): 仲嶋一範
  • Organizer: 東京大学理学部生物学科生物科学特別講義II
  • Invited
• [Presentation] 動く細胞が大脳皮質を作るしくみ (2021)
  • Author(s): 仲嶋一範
  • Organizer: 東京大学大学院理学系研究科生物科学セミナー
  • Invited
• [Presentation] Mechanisms of the suppression of neuronal invasion into the marginal zone during layer formation of the mouse neocortex (マウス大脳皮質層形成における辺縁帯への移動ニューロンの細胞体進入阻止機構) (2021)
  • Author(s): 廣田ゆき、齋藤里香穂、佐野ひとみ、仲嶋一範
  • Organizer: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会・第98回日本生理学会大会合同大会
• [Presentation] Defective foliation and abnormal positioning of Purkinje cells occur when Dab1 is knocked out in postnatal mouse cerebellum (生後小脳におけるDab1は、プルキンエ細胞の正しい配置と葉形成に必要である) (2021)
  • Author(s): 笠井拓登、本田岳夫、仲嶋一範
  • Organizer: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会・第98回日本生理学会大会合同大会
• [Presentation] Analyses of migration profiles of the claustral neurons during mouse development (発生過程において前障の神経細胞が移動する様式の解析) (2021)
  • Author(s): 大島鴻太、吉永怜史、北澤彩子、仲嶋一範、久保健一郎
  • Organizer: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会・第98回日本生理学会大会合同大会
• [Presentation] VLDLRは大脳皮質発生において神経細胞の凝集の促進ではなく辺縁帯内への神経細胞の進入を阻止することによって神経細胞の配置を制御する (2020)
  • Author(s): 廣田ゆき、仲嶋一範
  • Organizer: 第63回日本神経化学会大会合同大会
• [Presentation] マウス大脳新皮質錐体細胞との比較による海馬CA1錐体細胞の移動制御要因の解明 (2020)
  • Author(s): 北澤彩子、大石康二、吉永怜史、シンミンギョン、林周宏、久保健一郎、仲嶋一範
  • Organizer: 日本解剖学会第108回関東支部学術集会
• [Presentation] ヒト巨大脳獲得への関与が示唆される遺伝子とその転写調節領域の進化 (2020)
  • Author(s): 田畑秀典、八谷剛史、下田耕治、林周宏、永田浩一、榊原康文、仲嶋 一範
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会