シナプス伝達制御と中枢ー末梢機能連関から捉える意志動力学

• Project Area: Creation and Promotion of the Will-Dynamics
• Project/Area Number: 19H05014
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 大塚 稔久 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40401806)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: シナプス / CRF / オキシトシン / CAST / ELKS

Outline of Research at the Start

意志力の制御には、中枢神経系と末梢臓器との連関が重要であることが示唆されはじめているが、その機構はほとんど解明されていない。本研究では、中枢神経シナプスでシナプス小胞の放出を制御するプレシナプス分CAST/ELKS に着目し、副腎髄質や膵臓などの末梢臓器と中枢神経との機能連関を、伝達物質の放出制御とその破綻から意志力制御機構を捉える。未曾有の少子高齢化を迎えた我が国において、うつ病、ひきこもりなどの精神・神経疾患の克服は喫緊の国家的課題の一つであり、本研究によって得られる成果や新知見が、将来的にはこれらの諸問題の解決に寄与し、広く国民の健康と福祉の増進に貢献することが期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

昨年度は、ストレスに関連した脳領域・末梢組織におけるCASTおよびELKSの発現を調べ、中枢神経では主にCASTが、末梢組織では主にELKSが発現していることを明らかにした。また、神経活動のマーカーであるc-Fosのfluorescence in situ hybridization (FISH)により拘束ストレス時に活性化する脳領域を探索した結果、視床下部の室傍核が顕著に活性化し、室傍核のCAST陽性細胞のうち約30％が活性化することを明らかにした。
本年度はさらなる追加解析として、まずCASTファミリーメンバーのELKSの室傍核での発現を調べたが、ELKSの顕著な発現は見られなかった。また、c-Fos陽性細胞の特徴を明らかにするため、副腎皮質刺激ホルモン放出因子 (CRF)、CRF receptor１（CRFR1）、CRF receptor2（CRFR2）、およびオキシトシン（OXT）の計4種類のプローブを新規に作製した。そのうちCRFとOXTはFISH染色において顕著なシグナルが見られたが、CRFR1、CRFR2プローブはシグナルが得られなかったためCRF、OXTとc-Fosの二重FISH染色を行った。その結果、CRF陽性細胞の約60％、オキシトシン陽性細胞の約40％が拘束ストレスにより活性化していることが明らかとなった。さらに、室傍核以外の領域として、交感神経系のストレス回路に関わる延髄腹外側部についてもc-FosのFISH解析を行った。その結果、室傍核ほどではないがわずかにc-Fosの発現が増加した。また、尾側のほうがc-Fos陽性細胞の数が増える傾向が見られた。以上のことから室傍核において拘束ストレスにおいて活性化する神経細胞はCRF陽性細胞がOXT陽性細胞よりも多いこと、尾側延髄腹外側部も活性化しやすいことが明らかとなった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] An engineered channelrhodopsin optimized for axon terminal activation and circuit mapping (2021)
  • Author(s): Hamada Shun、Nagase Masashi、Yoshizawa Tomohiko、Hagiwara Akari、Isomura Yoshikazu、Watabe Ayako M.、Ohtsuka Toshihisa
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01977-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prickle2 and Igsf9b Coordinately Regulate the Cytoarchitecture of the Axon Initial Segment (2020)
  • Author(s): Chowdhury Md. Imrul Hasan、Nishioka Tomoki、Mishima Noriko、Ohtsuka Toshihisa、Kaibuchi Kozo、Tsuboi Daisuke
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 45 Issue: 2 Pages: 143-154
  • DOI: 10.1247/csf.20028
  • NAID: 130007894945
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of an L-type Ca 2+ channel-dependent Ca 2+ transient during the radial migration of cortical excitatory neurons (2020)
  • Author(s): Horigane S, Hamada S, Kamijo S, Yamada H, Yamasaki M, Watanabe M, Bito H, Ohtsuka T, Takemoto-Kimura S
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: S0168-0102(20)30391-6 Pages: 30391-6
  • DOI: 10.1016/j.neures.2020.06.003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RFC1 repeat expansion in Japanese patients with late-onset cerebellar ataxia (2020)
  • Author(s): Tsuchiya Mai、Nan Haitian、Koh Kishin、Ichinose Yuta、Gao Lihua、Shimozono Keisuke、Hata Takanori、Kim Yeon-Jeong、Ohtsuka Toshihisa、Cortese Andrea、Takiyama Yoshihisa
  • Journal Title: Journal of Human Genetics Volume: 65 Issue: 12 Pages: 1143-1147
  • DOI: 10.1038/s10038-020-0807-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neuron-enriched phosphatase and actin regulator 3 (Phactr3)/ nuclear scaffold-associated PP1-inhibiting protein (Scapinin) regulates dendritic morphology via its protein phosphatase 1-binding domain (2020)
  • Author(s): Miyata Tomoaki、Kikuchi Keietsu、Ihara Daisuke、Kaito Maki、Ishibashi Yuta、Hakamata Tomoyuki、Yamada Tetsuya、Ishikawa Mitsuru、Mizukoshi Miho、Shoji Shizuku、Fukuchi Mamoru、Tsuda Masaaki、Hida Yamato、Ohtsuka Toshihisa、Kaneda Marisa、Tabuchi Akiko
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 528 Issue: 2 Pages: 322-329
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.05.006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Presynaptic development is controlled by the core active zone proteins CAST/ELKS. (2020)
  • Author(s): Radulovic, T., Dong, W., Goral, R., Thomas, C., Veeraraghavan, P., Montesinos, M., Guerrero-Given, D., Goff, K., Luebbert, M., Kamasawa, N., Ohtsuka, T., Young, S.M.*
  • Journal Title: J. Physiol. Volume: in press Issue: 12 Pages: 2431-2452
  • DOI: 10.1113/jp279736
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impaired experience-dependent maternal care in presynaptic active zone protein CAST-deficient dams (2020)
  • Author(s): Hagiwara, A., Sugiyama, N., Ohtsuka, T.*
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 5238-5238
  • DOI: 10.1038/s41598-020-62072-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CAST/ELKS in the mouse forebrain causes high mortality of newborn pups. (2020)
  • Author(s): Hagiwara, A., Hamada, S., Hida, Y., Ohtsuka, T.*
  • Journal Title: Molecular Brain Volume: 13 Issue: 1 Pages: 13-13
  • DOI: 10.1186/s13041-020-0557-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] VPS13D-related disorders presenting as a pure and complicated form of hereditary spastic paraplegia (2020)
  • Author(s): Koh K, Ishiura H, Shimazaki H, Tsutsumiuchi M, Ichinose Y, Nan H, Hamada S, Ohtsuka T, Tsuji S, Takiyama Y
  • Journal Title: Mol Genet Genomic Med Volume: 8 Issue: 3
  • DOI: 10.1002/mgg3.1108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] UBAP1 mutations cause juvenile-onset hereditary spastic paraplegias (SPG80) and impair UBAP1 targeting to endosomes (2019)
  • Author(s): Nan H, Ichinose Y, Tanaka M, Koh K, Ishiura H, Mitsui J, Mizukami H, Morimoto M, Hamada S, Ohtsuka T, Tsuji S, Takiyama Y
  • Journal Title: J Hum Genet Volume: 64 Issue: 11 Pages: 1055-1065
  • DOI: 10.1038/s10038-019-0670-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of the active zone protein, ELKS, in insulin secretion from pancreatic β-cells (2019)
  • Author(s): Ohara-Imaizumi Mica、Aoyagi Kyota、Ohtsuka Toshihisa
  • Journal Title: Molecular Metabolism Volume: 27 Pages: 1213-1226
  • DOI: 10.1016/j.molmet.2019.06.017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vangl2 interaction plays a role in the proteasomal degradation of Prickle2 (2019)
  • Author(s): Nagaoka Tadahiro、Furuse Mikio、Ohtsuka Toshihisa、Tsuchida Kunihiro、Kishi Masashi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 2912-2912
  • DOI: 10.1038/s41598-019-39642-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ELKS/Voltage-dependent Ca2+ channel-β Subunit Module Regulates Polarized Ca2+ Influx in Pancreatic β-Cells. (2019)
  • Author(s): Ohara-Imaizumi, M., Aoyagi, K., Yamauchi, H., Yoshida, M., Mori, M.X., Hida, Y., Tran, H.N., Ohkura, M., Abe, M., Akimoto, Y., Nakamichi, Y., Nishiwaki, C., Kawakami, H., Hara, K., Sakimura, K., Nagamatsu, S., Mori, Y., Nakai, J., Kakei, M., and Ohtsuka, T.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 26 Issue: 5 Pages: 1213-1226
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.12.106
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neuroimaging, genetic, and enzymatic study in a Japanese family with a GBA gross deletion. (2019)
  • Author(s): Ichinose Y, Ishiura H, Tanaka M, Yoshimura J, Doi K, Umeda T, Yamauchi H, Tsuchiya M, Koh K, Yamashiro N, Mitsui J, Goto J, Onishi H, Ohtsuka T, Shindo K, Morishita S, Tsuji S, Takiyama Y.
  • Journal Title: Parkinsonism Relat Disord. Volume: - Pages: 57-63
  • DOI: 10.1016/j.parkreldis.2018.11.028
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 光操作ツールの紹介 (2020)
  • Author(s): 大塚稔久
  • Organizer: CREST「オプトバイオ」領域の第5回領域会議
  • Invited
• [Presentation] 前シナプスアクティブゾーン因子群のプロテオーム解析と液相分離 (2020)
  • Author(s): 大塚稔久
  • Organizer: 第93回日本生化学会シンポジウム「生体膜ダイナミクス:細胞レベルの制御機構から個体レベルの生理機能まで」
  • Invited
• [Presentation] Neuropsychopharmacology of relaxin-3 (2019)
  • Author(s): Toshihisa Ohtsuka
  • Organizer: 第６回アジア神経精神薬理学会大会（AsCNP2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シナプス分子間相互作用から捉える可塑性機構とその破綻 (2019)
  • Author(s): 大塚稔久
  • Organizer: 日本蛋白質科学会年会・日本細胞生物学会合同年次大会
  • Invited
• [Remarks] 山梨大学医学部生化学講座第一教室ホームページ
  • URL: http://www.med.yamanashi.ac.jp/basic/bioche01/