シンギュラリティシナプスの探索と機能解析

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 19H05434
• 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: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 村越 秀治 生理学研究所, 脳機能計測・支援センター, 准教授 (90608142)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: シナプス / シグナル伝達 / 時空間制御

Outline of Research at the Start

海馬や大脳皮質の興奮性神経細胞上には数千個以上のシナプス（スパイン）が存在しており、多数のシナプスからの入力を同時に受けることで活動電位を発生する。一方で、我々は最近、個々のスパインの反応性に大きなバラつきがあり、入力に対して極めて大きな出力を生むものが存在していることを見出しつつある。本研究の目的は、入力信号を大きな出力に変換し、細胞状態を大きく変えるようなキーとなるスパイン（シンギュラリティスパイン）を最先端の光学顕微鏡を駆使することで同定しその分子メカニズムを明らかにすることである。

Outline of Annual Research Achievements

海馬や大脳皮質の興奮性神経細胞上には数千個以上のシナプスが存在しており、多数のシナプスからの入力を同時に受けることで活動電位を発生する。本研究の目的は、入力信号を大きな出力に変換し、細胞状態を大きく変えるようなキーとなるスパイン（シンギュラリティスパイン）を同定しその分子メカニズムを明らかにすることであった。具体的には、シナプスの形態変化や長期増強にとって重要な働きをしていると考えられるCaMKII分子に着目し、その活性を青色光照射で制御できるように遺伝子改変を行った。これを神経細胞に応用し、単一スパインを定量的に活性化させた時のスパイン内シグナリングと形態変化を2光子蛍光寿命イメージング顕微鏡でモニターした。これにより、単一スパイン内で光応答性CaMKIIを活性化させるとスパイン体積の増大と低分子量Gタンパク質Cdc42の活性化が惹起されることを見出した。さらに、光応答性CaMKIIを近接する7個程度のスパインでほぼ同時に活性化させると、単一スパイン刺激の時よりも持続的なCdc42活性化とスパイン体積の増大が観察された。すなわち、CaMKIIの空間的活性化パターンが、シンギュラリティ的にシナプス可塑性のレベルを調節する機構が存在することを見出した。

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] Photoactivatable CaMKII induces synaptic plasticity in single synapses (2021)
  • Author(s): Shibata Akihiro C. E.、Ueda Hiromi H.、Eto Kei、Onda Maki、Sato Aiko、Ohba Tatsuko、Nabekura Junichi、Murakoshi Hideji
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 751-751
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21025-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optogenetic imaging of protein activity in the synapse by using 2-photon fluorescence lifetime imaging microscopy. (2021)
  • Author(s): Murakoshi H
  • Journal Title: the Advances in Experimental Medicine and Biology book series Volume: - Pages: 295-308
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_18
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Short-wavelength, ultrafast thulium-doped fiber laser system for three-photon microscopy. (2020)
  • Author(s): Nomura Y, Murakoshi H, and Fuji T.
  • Journal Title: OSA continuum Volume: 3 Issue: 6 Pages: 1428-1435
  • DOI: 10.1364/osac.395410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histamine depolarizes rat intracardiac ganglion neurons through the activation of TRPC non-selective cation channels. (2020)
  • Author(s): Aya Sato, Shiho Arichi, Fumiaki Kojima, Toru Hayashi, Tatsuko Ohba, Dennis Lawrence Cheung, Kei Eto, Madoka Narushima, Hideji Murakoshi, Yoshihiro Maruo, Yuichi Kadoya, Junichi Nabekura, Hitoshi Ishibashi.
  • Journal Title: Eur J Pharmacol. Volume: 886 Pages: 173536-173536
  • DOI: 10.1016/j.ejphar.2020.173536
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reciprocal Activation within a Kinase-Effector Complex Underlying Persistence of Structural LTP. (2019)
  • Author(s): Saneyoshi T, Matsuno H, Suzuki A, Murakoshi H, Hedrick NG, Agnello E, O'Connell R, Stratton MM, Yasuda R, and Hayashi Y
  • Journal Title: Neuron Volume: 102 Issue: 6 Pages: 11991210-11991210
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2019.04.012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ShadowR: a novel chromoprotein with reduced non-specific binding and improved expression in living cells (2019)
  • Author(s): Murakoshi Hideji、Horiuchi Hiroshi、Kosugi Takahiro、Onda Maki、Sato Aiko、Koga Nobuyasu、Nabekura Junichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 12072-12072
  • DOI: 10.1038/s41598-019-48604-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 二光子蛍光寿命イメージングと色素タンパク質によるタンパク質間相互作用の可視化 (2019)
  • Author(s): 村越秀治、植田大海
  • Journal Title: 光学 Volume: 49 Pages: 2025-2025
• [Presentation] 2光子蛍光寿命イメージング顕微鏡によるシグナル分子活性の定量計測 (2021)
  • Author(s): 村越秀治
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第41回年次大会 オンライン
  • Invited
• [Presentation] A photoactivatable CaMKII induces synaptic plasticity in single synapses. (2020)
  • Author(s): 村越秀治
  • Organizer: 生理研国際研究会（オンライン）「Synapse and System Plasticity of Learning and Memory」
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] CaMKII経路の単一シナプス内光操作と分子活性イメージング (2020)
  • Author(s): 村越秀治
  • Organizer: 生理研研究会「シナプスを見る、測る、操る－新たな技術で挑むシナプス学」
  • Invited
• [Presentation] Spatiotemporal manipulation and imaging of signaling molecules in neurons (2020)
  • Author(s): Hideji Murakoshi
  • Organizer: The 50th NIPS International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optogenetic manipulation and imaging of signaling molecules in dendritic spines of neurons (2020)
  • Author(s): Hideji Murakoshi
  • Organizer: UK-Japan Neuroscience Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optical manipulation and imaging of signaling molecules in dendritic spines of neurons (2019)
  • Author(s): 村越秀治
  • Organizer: 第60回日本組織細胞化学会総会・学術集会
  • Invited
• [Presentation] シナプス内シグナル分子の光操作と分子活性イメージング (2019)
  • Author(s): 村越秀治
  • Organizer: "Chemistry for Neuroscience 2019”研究会
  • Invited
• [Presentation] Optical manipulation and imaging of signaling molecules in dendritic spines of neurons. (2019)
  • Author(s): Hideji Murakoshi
  • Organizer: Current Trends and Future Directions of Synapse-Circuit Plasticity Research.
  • Invited
• [Presentation] Optogenetic induction of synaptic plasticity at single synapses by photoactivatable CaMKII (2019)
  • Author(s): Hideji Murakoshi
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 生理学研究所 村越研究室
  • URL: http://www.nips.ac.jp/multiphoton/