2021 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3年度は、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KO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おり、これが、P/Q型電位依存性カルシウムチャネル(P/Q-VDCC)の下流で働くことを示唆する結果を得た。また、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別の転写因子が、生後2週目後半から3週目の後期刈り込みと、登上線維の樹状突起へのシナプス領域の拡大に関わることを発見した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和3年度は9月末まで、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多くが重なっており、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、この期間は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なかったが、10月以降はマウスの状況は回復した。その結果、「６．研究実績の概要」に記載したように、MEF2 familyのうち、プルキンエ細胞に強く発現する分子がP/Q-VDCCの下流で生後3週目の登上線維シナプス刈り込みに関わること、また、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別の転写因子が、生後2週目後半から3週目の後期刈り込みと、登上線維の樹状突起へのシナプス領域の拡大に関わることを示す結果を得た。これらにより、令和3年度の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。特に、令和3年度までの研究で対象にしたものとは別の分子を対象とする。この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(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、これまでに引き続いて、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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