2014 Fiscal Year Annual Research Report
記憶情報の変換ダイナミズムを担うショウジョウバエ神経・分子マシナリーの解明
| Project Area | Principles of memory dynamism elucidated from a diversity of learning systems |
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| Project/Area Number |
25115006
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science |
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Principal Investigator |
齊藤 実 公益財団法人東京都医学総合研究所, 運動・感覚システム研究分野, 分野長 (50261839)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 守俊 東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (00323501)
粂 和彦 名古屋市立大学, 薬学研究科(研究院), 教授 (30251218)
坂井 貴臣 首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (50322730)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | ショウジョウバエ / ドーパミン / シナプス可塑性 / 学習記憶 / 単離培養脳 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）DAの新たな放出機序の同定と２）長期記憶形成に必要な繰返し学習での“間”の解析を行った。
１）匂い情報を記憶中枢キノコ体に送る触覚葉（AL）と体性感覚情報を伝達する上行性腹側神経束（AFV）を同時刺激すると、AL刺激に対するキノコ体の応答（Ca2+応答）が２時間以上にわたり上昇する長期亢進（Long-term enhancement, LTE）する。我々はALからの情報はニコチン性アセチルコリン受容体(nAChR)を介してキノコ体に入力し、AFV由来の情報は、従来予想されていたドーパミン(DA)ではなくNMDA受容体(NR)を介してキノコ体に入力することを明らかにしたが、興味深いことにD1型DA受容体（D1R）は依然としてLTEの形成に不可欠であった。そこでキノコ体に投射するDA神経にシナプス開口放出をモニターするsynapto-pHluorinを、キノコ体にはsynapto-pHluorin と異なる励起波長、蛍光波長をもつ赤色Ca2+指示タンパクR-GECOを発現させた組み換え系統を作成し、キノコ体細胞が、ALとAFVからの同時入力を受けると、投射するDA神経終末からの開口放出を誘導することを明らかにした。
２）繰返し学習を“間”を空けて行うと記憶保持が強くなることはspacing effectとして知られているが、何故“間”を空けるのか？“間”の分子・生理学的役割は依然として不明である。そこで記憶に重要な転写因子CREBを指標に“間”を空けた繰返し学習のspaced trainingと“間”を空けないmassed trainingでの遺伝子転写活性の違いを調べた。その結果、CREBによる転写産物c-fosとCREBとの間に転写サイクルが形成されることが長期記憶形成に必須であること、この転写サイクルの形成が“間”で活性化されるERKに依存すること等が明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度作成したR-GECOとsynapto-pHluorinを共発現する遺伝子改変系統を効果的に利用することで、これまでの概念とは全く異なるシナプス小胞開口放出機構（シナプス後神経細胞による放出誘導）を見出すことが出来た。DAは生理機能として学習記憶、注意、意欲との関わりが強く、精神神経疾患では統合失調症やパーキンソン病、注意欠陥多動性障害などと重要な関わりが示唆されている。また終末は脳の広い領域に投射し、どの様にして特定の標的にDAを放出するのか？その放出機構はショウジョウバエのみならず哺乳類においても不明な点が多い。今回DA作動性終末からのシナプス小胞開口放出を直接可視化解析することで、DAの放出が、DA神経の神経活動のみではなく、標的細胞からの逆行性シグナルによっても決定されることが初めて明らかとなった。これはDA神経細胞が神経活動依存性にDAを放出する所謂volume transmissionとは異なる、放出機序を持つことを示唆する結果と言える。
一方繰返し学習のspacing effectは19世紀後半に発見された。このspacing effectとしての“間”の適切な長さが、どの様な分子機構により決定されるかは2009年Zhongらのグループにより明らかにされたが、spacing effectの実体、 “間”の分子生理学的役割については依然として不明であった。今回我々はMAPKの一つERKが“間”で活性を上昇させることにより、c-fosとCREB間で転写サイクルを形成すること、この転写サイクルが長期記憶形成に必須であることを初めて明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの結果からAFV刺激はNRを介してキノコ体に入力することが示唆された。そこで実際にキノコ体に投射するグルタミン酸作動性神経からのシナプス小胞開口放出がAFV刺激により誘導されるか明らかにする。またDAがキノコ体の可塑性発現にどの様な役割を担っているのか、連合学習に必須のrut型adenylyl cyclaseの活性化にDAがどのように関わっているのか？などについてさらに明らかにして行く。
また、ここまで我々が単離培養脳のキノコ体で見出した神経可塑性は匂いと電気ショックを組み合わせた所謂嫌悪性連合学習のシナプスモデルである。しかしこのモデルでは観察する可塑的変化が真に連合記憶を反映したものか判断することが難しい（例えばショック様刺激と組み合わされた匂い様刺激に対する逃避行動を裏打ちする神経活動は同定されておらず、不可能）。そこで嗜好性反応に対する神経活動が既に同定されていることを礎に、単離脳で報酬学習を成立させることを試みる。
一方“間”によりc-fos/CREB間で長期記憶形成に必要な転写サイクルが形成されることがわかったが、この転写サイクルの形成の細胞生理学的脳は依然として不明である。そこでc-fos/CREB転写サイクルを形成する神経細胞をライブでマークする方法を開発すると共に、このマークされた細胞の機能を操作することで転写サイクルの細胞生理学的な役割を解き明かす。
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[Journal Article] Glial dysfunction causes age-related memory impairment in Drosophila.2014
Author(s)
Yamazaki D, Horiuchi J, Ueno K, Ueno T, Saeki S, Matsuno M, Naganos S, Miyashita T, Hirano Y, Nishikawa H, Taoka M, Yamauchi Y, Isobe T, Honda Y, Kodama T, Masuda T, Saitoe M.
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Journal Title
Neuron
Volume: 84
Pages: 753-63
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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