2020 Fiscal Year Annual Research Report
Studies on critical periods of synapse pruning in the developing cerebellum
| Project Area | Inducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms |
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| Project/Area Number |
20H05915
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
狩野 方伸 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (40185963)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | シナプス刈り込み / 生後発達 / 小脳 / 登上線維 / プルキンエ細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シナプス刈り込みは発達期の神経系において普遍的にみられ、大人の神経回路を作るための仕組みと考えられているが、小脳の登上線維とプルキンエ細胞間のシナプスの生後発達は、その代表例として広く認知されている。出生直後のマウスのプルキンエ細胞は、その細胞体に5本以上の登上線維からほぼ同じ強さの興奮性シナプス入力を受ける。生後3日から7日の間に、1本の登上線維に由来する入力のみが強くなり、強くなった登上線維だけがプルキンエ細胞の細胞体から樹状突起に伸展してシナプス領域を拡大する。一方、プルキンエ細胞の細胞体に残された登上線維シナプスは2段階の過程（前期過程、後期過程）を経て除去され、生後17日以降には殆どのプルキンエ細胞が1本の強い登上線維によって近位樹状突起を支配されるようになる。これらは生後発達の特定の時期に起こり、その異常が永続的な神経回路の障害を起こすことから、それぞれが典型的な臨界期現象といえる。本研究は、これら4つの臨界期を決定するメカニズムについて、神経活動が如何にして永続的なシナプス結合の変化をもたらすかに着目し、そのメカニズムの解明を目指している。
令和2年度から令和3年度9月までに、転写因子Myocyte enhancer factor 2 (MEF2) familyのうち、プルキンエ細胞に強く発現する分子のプルキンエ細胞特異的ノックアウトマウスを解析し、生後3週目に登上線維シナプス刈り込みが障害されていることと、登上線維のプルキンエ細胞樹状突起への伸展が軽度に障害されていることを発見した。また、プルキンエ細胞においてP/Q型電位依存性カルシウムチャネル(P/Q-VDCC)によって活性化されると考えられる転写因子の1つが、登上線維シナプス刈り込みに関わることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和3年の1月初頭から9月末まで、大半がCOVID-19の感染対策のための緊急事態宣言が発令された期間と重なっており、研究機関の活動制限もあって、維持できるマウスのケージ総数が制限された。このため、解析に必要なノックアウトマウスおよびノックダウンマウスを当初の予定どおりに得ることができず、全体として、当初の研究計画の達成が遅れた。しかしながら、「６．研究実績の概要」に記載したように、令和3年9月までに、MEF2 familyのうちプルキンエ細胞に強く発現する分子と、P/Q型電位依存性カルシウムチャネルによって活性化されると考えられる転写因子が、登上線維シナプス刈り込みに関わることを明らかにし、当初の目標をほぼ達成することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、プルキンエ細胞におけるMEF2 family転写因子の登上線維シナプス刈り込みにおける役割とその分子メカニズムを追求する。対象とする分子のプルキンエ細胞特異的ノックアウトマウスを対象に、電気生理学的解析と形態学的解析により、登上線維シナプス刈り込みのどの段階にどの程度の異常が生じるのかを精査する。また、対象分子のプルキンエ細胞特異的ノックアウトマウスにおいて、発達期のプルキンエ細胞でP/Q-VDCCまたは代謝型グルタミン酸受容体1型(mGluR1)をノックダウンした効果を、野生型マウスにおける結果と比較する。これにより、対象分子がP/Q-VDCCまたはmGluR1と同じ分子パスウェイを介して登上線維シナプス刈り込みに関わるのかを明らかにする。さらに、対象分子のプルキンエ細胞特異的ノックアウトマウスの小脳を用いてRNA sequencingを行い、野生型マウスと比較して、プルキンエ細胞において発現が変動している遺伝子を同定する。
プルキンエ細胞においてP/Q-VDCCによって活性化されると考えられる転写因子について、プルキンエ細胞特異的ノックダウンによって、登上線維シナプス刈り込みのどの段階にどの程度の異常が生じるのかを、電気生理学的解析と形態学的解析を用いて明らかにする。この転写因子のプルキンエ細胞特異的ノックダウンに加えて、P/Q-VDCCまたはmGluR1をノックダウンした効果を比較することによって、この転写因子がどちらの分子パスウェイを介して登上線維シナプス刈り込みに関わるのかを明らかにする。さらに、この転写因子をプルキンエ細胞特異的にノックダウンした小脳を対象にRNA sequencing を行い、プルキンエ細胞で変動している分子群を同定する。
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