Research on the mechanism of Alzheimer's disease by the analysis of the single-molecule dynamics

• Project/Area Number: 23K21299
• Project/Area Number (Other): 21H02450 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 坂内 博子 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (40332340)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前田 純宏 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (70443025)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2025: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: アルツハイマー病 / タウ / iPS細胞 / １分子解析 / タンパク質凝集 / １分子イメージング / アミロイドβ / シナプス

Outline of Research at the Start

本研究では（１）アルツハイマー病の病理に応じて特異的に現れる膜分子動態異常は何か？ （２）アルツハイマー病の進行を反映する膜分子動態異常は存在するか？ （３）膜分子動態異常がどのように神経機能の異常や細胞死をひきおこすのか？という問いに答える。様々なアルツハイマーモデル神経細胞やヒトiPS細胞において複数の膜分子の分子動態を１分子レベルかつ網羅的に計測し、アルツハイマー病の発症と進行に伴っておこる膜分子動態異常を見出し、原因となる異常タンパク質の生成から神経細胞死に至る分子機構を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は細胞膜分子のダイナミクスに着目することにより、既存の手法では見出されなかったアルツハイマー病の発症と進行に伴う細胞レベルの異常を新たに見出し、その分子機構を明らかにすることである。発症のごく初期に毒性のあるタンパク質凝集体が細胞にどのような異常がおこり最終的に細胞死を引き起こすのかを解明するために、本研究では、アルツハイマー病の特徴的な病理に伴って動態が変化する膜分子群を特定し、その下流でおこる生理機能の異常や細胞内シグナルの異常を明らかにする。将来的には本研究で得た知見を活用し、膜分子動態の異常を新たなアルツハイマー病の早期バイオマーカーとして提示し、脳神経疾患研究分野に膜分子動態に着目した新たな研究アプローチや検査方法を提示することを目指す。今年度はアルツハイマー病やタウオパチーに関わる変異を持つiPS細胞における分子ダイナミクスを計測した。タウのC末端にGFPをゲノム編集で誘導したヒトiPS細胞をニューロンに分化させ、　GFPを観察することによりタウの動体を調べた。ヒトiPS細胞タウ凝集を作るP301S変異、およびタウ凝集を作らないA152T変異を導入したiPS細胞由来のニューロンにおいて、軸索におけるタウクラスターの微小管依存的な輸送を解析した。輸送形態を定量化する指標を作成し、これらの変異を持つタウの輸送がよりアクティブであることを見出した。また、この輸送されるタウクラスターは液液相分離(LLPS)により形成されるdropletではないこと、LLPSを阻害するとタウクラスターの輸送が加速されることを発見した。本年は新たな挑戦として、タウシードの種類、濃度、投与方法を検討し、iPS細胞由来ニューロンにタウシードを取り込ませ、iPS細胞内に不溶性の凝集を誘導する方法を確立した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

光遺伝学的タウ操作ツールが困難を極めたが、別アプローチとして開始したタウシードの導入に成功し、アルツハイマー病モデルiPS細胞にタウ凝集を誘導したモデルが確立されたから。

Strategy for Future Research Activity

疾患変異を持つiPS細胞培養細胞にタウシードを導入したもの、および光遺伝学的タウ操作ツールを用いて凝集を誘導したモデル細胞を用いて、細胞膜分子動態やシナプス形態、カルシウム動態を計測する。これにより、タウに変異がおこったごく初期に細胞が受ける毒性の実態を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Mutual interaction of neurons and astrocytes derived from iPSCs with APP?V717L mutation developed the astrocytic phenotypes of Alzheimer’s disease (2024)
  • Author(s): Supakul Sopak、Murakami Rei、Oyama Chisato、Shindo Tomoko、Hatakeyama Yuki、Itsuno Maika、Bannai Hiroko、Shibata Shinsuke、Maeda Sumihiro、Okano Hideyuki
  • Journal Title: Inflammation and Regeneration Volume: 44 Issue: 1 Pages: 8-8
  • DOI: 10.1186/s41232-023-00310-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Utilization of Human Induced Pluripotent Stem Cells-Derived In vitro Models for the Future Study of Sex Differences in Alzheimer’s Disease (2021)
  • Author(s): Supakul Sopak、Okano Hideyuki、Maeda Sumihiro
  • Journal Title: Frontiers in Aging Neuroscience Volume: 13 Pages: 768948-768948
  • DOI: 10.3389/fnagi.2021.768948
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] タウオリゴマー光誘導モデル細胞を用いた不溶性タウ凝集の誘導 (2024)
  • Author(s): 内田智也、加藤尚己、櫻木繁雄、服部精人、添田義行、吉村英哲、高島昭彦、坂内博子
  • Organizer: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] アルツハイマー病研究における１分子イメージングの現状・課題・可能性 Current Status, Challenges, and Potential of Single Molecule Imaging in Alzheimer's Disease Research (2023)
  • Author(s): 坂内博子
  • Organizer: 日本分子イメージング学会
  • Invited
• [Presentation] シナプスの形成・維持機構を膜分子動態から読み解く Synapse formation and maintenance mechanisms deciphered from membrane molecular dynamics (2023)
  • Author(s): 坂内博子
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] TIRFMを用いたiPS細胞由来神経細胞における内在性Tauの動態の解明（Dynamics of endogenous Tau in iPS-derived neurons revealed by TIRFM） (2023)
  • Author(s): 大山千聖、前田純宏、岡野栄之、坂内博子
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] タウのダイナミクスから読み解く神経の生理と病理 Physiology and pathology of neurons as deciphered from the dynamics of Tau (2023)
  • Author(s): 坂内博子
  • Organizer: 第64回日本神経病理学会総会学術研究会第66回日本神経化学会大会
• [Presentation] TIRFMを用いたiPS細胞由来神経細胞における内在性Tauの動態の解明 (2023)
  • Author(s): 大山千聖、前田純宏、岡野栄之、 坂内博子
  • Organizer: 第64回日本神経病理学会総会学術研究会第66回日本神経化学会大会
• [Presentation] タウのダイナミクス制御から読み解く細胞の生理と病理 (2023)
  • Author(s): 坂内博子
  • Organizer: タウ研究会
• [Presentation] iPS 細胞由来神経を用いたタウ凝集モデル作成と内在性タウ動態の観察 (2023)
  • Author(s): 加藤尚己、前田純宏、岡野栄之、坂内博子
  • Organizer: タウ研究会
• [Presentation] Single molecule imaging studies for understanding neuronal physiology and neurological disease (2023)
  • Author(s): Hiroko Bannai
  • Organizer: 4th East Asian Symposium on Single-Molecule Biological Sciences(EASMB)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ゲノム編集によるタウ標識とタウ凝集過程の生細胞観察 (2023)
  • Author(s): 片山維央名、櫻木繁雄, 添田義行、高島明彦、坂内博子
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Effects of CPTX on Dendritic Spines in Primary Cultures of Rat Hippocampal Neurons (2023)
  • Author(s): 趙伯驍、坂内博子、柚崎通介
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 神経伝達物質受容体の拡散係数に対するαシヌクレインの影響 (2023)
  • Author(s): 竹馬綾乃、櫻木_雄、坂内博子
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 青色光照射により細胞内Tau凝集を制御する手法の検証 (2023)
  • Author(s): 坂田佳大、櫻木繁雄、高島明彦、添田義行、吉田英哲、坂内博子
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] アルツハイマー病モデル細胞における1分子イメージング; ― 全自動1分子イメージングによる大規模画像データ取得に向けて ― (2022)
  • Author(s): 坂内博子・廣島通夫
  • Organizer: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会(招待講演)
  • Invited
• [Presentation] Approach to Alzheimer’s disease by singularity biology (2021)
  • Author(s): Hiroko Bannai
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Single molecule imaging for understanding brain function, neurological disorders, and drug action mechanism (2021)
  • Author(s): Hiroko Bannai
  • Organizer: 14th International Symposium on Nanomedicine
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Synaptic function revealed by single-molecule imaging (2021)
  • Author(s): Hiroko Bannai
  • Organizer: 14th Canadian Neuroscience Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] １分子イメージングによる脳神経疾患へのアプローチ (2021)
  • Author(s): 坂内博子
  • Organizer: 第64回日本神経化学学会大会
  • Invited
• [Presentation] 1分子イメージングから読み解く神経生理・病理 (2021)
  • Author(s): 坂内博子
  • Organizer: 第13回光塾
  • Invited