学習記憶に関わる新規分子の発見と神経系における動態・機能の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Principles of memory dynamism elucidated from a diversity of learning systems
• Project/Area Number: 25115010
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 飯野 雄一 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40192471)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 饗場 篤 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (20271116)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: 線虫C.elegans / 化学走性 / インスリン/PI3キナーゼ経路 / 遺伝子改変マウス / カルシンテニン

Outline of Annual Research Achievements

１．短期記憶、特に刺激強度の記憶：線虫は、餌を与えて飼育されていた際の塩濃度を記憶し、その塩濃度に向かう。この行動に重要なPLC/DAG/PLC経路の動態を知るため、FRETによりDAG量に応じて蛍光が変化するDownward DAG2をASER神経に発現させて蛍光測光を行った。この結果、ASERのDAG量が塩濃度変化につれて変化することがわかった。このことは、DAGが実際に記憶を形成しそれを行動に結びつける機能に中心的に関わっていることを示唆する。
２．長期記憶、短期から長期への固定化：以前より長期記憶の実験系の構築を試みていたが、塩と餌、塩なしと餌無しという条件を繰り返し与えることにより、繰り返しなしでの場合と比べて塩走性が長期に亘って変化するアッセイ系を見いだすことに成功した。いくつかの変異体について調べたところ、グルタミン酸受容体の変異体で長期記憶に欠損があることがわかった。
３．一細胞での分別記憶の機構：ASE感覚神経は塩類を受容することが知られ、これまでよく知られていたASERに対し、ASEL神経が行動可塑性に関わるかは明らかでなかった。しかし今年度、Na+に対する化学走性実験やASELを光刺激する実験により、ASELも過去の経験に依存した行動変化に寄与することが明らかになった。
４．マウスにおける学習関連遺伝子の機能解析：飢餓により飼育塩濃度を避けるようになる学習に必要な遺伝子としてみつかった線虫CASY-1の哺乳類ホモログであるカルシンテニンは、マウスには3つの遺伝子があり、それらの機能的役割は十分解明されていない。そこでこれら3つの遺伝子を破壊した遺伝子改変マウスを作成しその機能を調べることを計画した。今年度はCRISPR/Cas9法の導入を行い、効率よく遺伝子破壊ができることがわかったので、来年度は実際に3つのカルシンテニンのノックアウトを行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

飢餓に依存した学習についてはインスリン受容体の局在制御の機構について今年度論文を発表した。塩濃度記憶に依存して行動が逆転する機構についても光遺伝学を用いて神経回路の一部が明らかになり論文を発表した。DAG経路や長期記憶、ASEL神経の機能の解明も進んでおり、概して順調といえる。

Strategy for Future Research Activity

DAGの塩濃度記憶との関係についてはさらに変異体での測定などを進めて記憶の実体にせまる。長期記憶についてはグルタミン酸受容体の動態を調べる。一細胞認識機構についてはグルコースやCl-以外のイオンも含め、分別機構を調べていく。CRISPR/Cas9の実験系に関するノウハウは溜まってきたので、マウスの3つのカルシンテニンのノックアウトを同時に進める。

Research Products

• [Journal Article] シナプスにおけるインスリン/PI3K経路と記憶学習－インスリン経路が線虫の味覚学習を制御する仕組み－ (2015)
  • Author(s): 富岡征大・飯野雄一
  • Journal Title: 糖尿病学 Volume: xxxx Pages: xxxx
• [Journal Article] Cdc42 is essential for cartilage development during endochondral ossification. (2015)
  • Author(s): Suzuki, W., Kassai, H., Harada, T., Yamada, A., Aizawa, R., Suzuki, D., Nakayama, M., Maki, K., Takeda, S., Yamamoto, M., Aiba, A., Baba, K., Kamijo, R.
  • Journal Title: Endocrinology Volume: 156 Pages: 314-322
  • DOI: 10.1210/en.2014-1032
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Generation of Cloned Mice from Adult Neurons by Direct Nuclear Transfer (2015)
  • Author(s): Mizutani, E., Oikawa, M., Kassai, H., Inoue, K., Shiura, H., Hirasawa, R., Kamimura, S., Matoba, S., Ogonuki, N., Nagatomo, H., Abe, K., Wakayama, T., Aiba, A., Ogura, A.
  • Journal Title: Biol Reprod Volume: 92 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1095/biolreprod.114.123455
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Role of synaptic phosphatidylinositol 3-kinase in a behavioral learning response in C. elegans (2014)
  • Author(s): Hayao Ohno, Shinya Kato, Yasuki Naito, Hirofumi Kunitomo, Masahiro Tomioka and Yuichi Iino
  • Journal Title: Science Volume: 345 Pages: 313-317
  • DOI: 10.1126/science.1250709
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Regulation of experience-dependent bidirectional chemotaxis by a neural circuit switch in Caenorhabditis elegans (2014)
  • Author(s): Yohsuke Satoh, Hirofumi Sato, Hirofumi Kunitomo, Xianfeng Fei, Koichi Hashimoto and Yuichi Iino
  • Journal Title: J Neurosci Volume: 34 Pages: 15631-15637
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1757-14.2014
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] カルシンテニンに依存したシナプス領域のインスリン/PI3K経路の活性化が線虫の学習を制御する (2014)
  • Author(s): 大野速雄・富岡征大・飯野雄一
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 32 Pages: 3094-7
• [Journal Article] The glutamate receptor GluN2 subunit regulates synaptic trafficking of AMPA receptors in the neonatal mouse brain (2014)
  • Author(s): Hamada, S., Ogawa, I., Yamasaki, M., Kiyama, Y., Kassai, H., Watabe, A. M., Nakao, K., Aiba, A., Watanabe, M., and Manabe, T
  • Journal Title: Eur. J. Neurosci Volume: 40 Pages: 3136-3146
  • DOI: 10.1111/ejn.12682
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Retrograde Semaphorin Signaling Regulates Synapse Elimination in the Developing Mouse Brain. (2014)
  • Author(s): Uesaka, N., Uchigashima, M., Mikuni, T., Nakazawa, T., Nakao, H., Hirai, H., Aiba, A., Watanabe, M., and Kano, M.
  • Journal Title: Science Volume: 344 Pages: 1020-1023
  • DOI: 10.1126/science.1252514
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Selective Activation of mTORC1 Signaling Recapitulates Microcephaly, Tuberous Sclerosis, and Neurodegenerative Diseases. (2014)
  • Author(s): Kassai, H., Sugaya, Y., Noda, S., Nakao, K., Maeda, T., Kano, M., and Aiba, A.
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 7 Pages: 1626-1639
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2014.04.048
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Role of the guanine nucleotide exchange factor in Akt2-mediated plasma membrane translocation of GLUT4 in insulin-stimulated skeletal muscle. (2014)
  • Author(s): Takenaka, N., Yasuda, N., Nihata, Y., Hosook, T., Noguchi, T., Aiba, A., Satoh, T.
  • Journal Title: Cell Signal Volume: 26 Pages: 2460-2469
  • DOI: 10.1016/j.cellsig.2014.07.002
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Memory formation by axonal transport of an insulin receptor isoform in Caenorhabditis elegans (2015)
  • Author(s): Yuichi Iino
  • Organizer: AND Mini Conference
  • Place of Presentation: KKR熱海（熱海市）
  • Year and Date: 2015-01-22 – 2015-01-22
  • Invited
• [Presentation] 線虫の経験塩濃度依存的な行動を制御する神経回路の解明 (2014)
  • Author(s): 佐藤 博文
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
• [Presentation] 線虫C. elegans の記憶学習に関わるジアシルグリセロールのin vivoイメージング (2014)
  • Author(s): 大野 速雄
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
• [Presentation] 線虫C. elegans の塩濃度学習におけるモノアミン神経伝達物質の働き (2014)
  • Author(s): 川崎 瑞己
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
• [Presentation] 線虫C. elegans の糖濃度連合学習に関わる遺伝子の探索 (2014)
  • Author(s): 内山 千紘
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
• [Presentation] 線虫C. elegans の糖濃度走性に潜む行動戦略の解析 (2014)
  • Author(s): 片江 圭太
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
• [Presentation] 線虫C. elegans を用いた塩走性学習の長期記憶形成 (2014)
  • Author(s): 植村 舞
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
• [Presentation] CRISPR/Cas9システムを用いたノックインマウスの作製 (2014)
  • Author(s): 中尾 晴美, 中尾 和貴, 原田 武志, 清成 寛, 古田 泰秀, 沼野 利佳, 饗場 篤
  • Organizer: 第37回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
• [Presentation] Axonal transport of insulin receptor in the salt-sensing neuron mediates taste avoidance learning in C. elegans (2014)
  • Author(s): Yuichi Iino
  • Organizer: The 12th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2014-11-03 – 2014-11-03
  • Invited
• [Presentation] 遺伝子操作による精神疾患モデル動物の作製 (2014)
  • Author(s): 饗場 篤
  • Organizer: 第33回 躁うつ病薬理生化学的懇話会
  • Place of Presentation: 大丸別荘（福岡県筑紫野市）
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-17
  • Invited
• [Presentation] The synaptic targeting of mGluR1 by its carboxyl-terminal domain is crucial for cerebellar function (2014)
  • Author(s): A. Aiba
  • Organizer: 8th International Meeting on Metabotropic Glutamate Receptors
  • Place of Presentation: Sicily, ITALY
  • Year and Date: 2014-09-29 – 2014-09-29
• [Presentation] Dissecting the roles of primary interneurons that regulate memory-dependent navigation behavior in C. elegans (2014)
  • Author(s): Hirofumi Kunitomo
  • Organizer: 2014 Cold Spring Harbor Asia Conference, Neurobiology: Diverse Species & Conserved Principles
  • Place of Presentation: Suzhou/China
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [Presentation] Combinatorial expression of evolutionally conserved RNA binding proteins determines neuron-type specific alternative splicing of the daf-2 insulin/IGF receptor in C. elegans (2014)
  • Author(s): Masahiro Tomioka
  • Organizer: 2014 C. elegans Development, Cell Biology & Gene Expression Meeting in association with The 6th Asia-Pacific C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Nara Prefectural New Public Hall, Nara
  • Year and Date: 2014-07-17 – 2014-07-17
• [Presentation] Role of ASE Left Gustatory Sensory Neuron in worms’ behavior of NaCl Chemotaxis (2014)
  • Author(s): Lifang WANG
  • Organizer: 2014 C. elegans Development, Cell Biology & Gene Expression Meeting in association with The 6th Asia-Pacific C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Nara Prefectural New Public Hall, Nara
  • Year and Date: 2014-07-17 – 2014-07-17
• [Presentation] Neural basis of plasticity and bidirectionality of klinotaxis (2014)
  • Author(s): Yohsuke Satoh
  • Organizer: 2014 C. elegans Development, Cell Biology & Gene Expression Meeting in association with The 6th Asia-Pacific C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Nara Prefectural New Public Hall, Nara
  • Year and Date: 2014-07-16 – 2014-07-16
• [Presentation] Identification of molecules downstream of the insulin/PI3K pathway involved in the regulation of salt chemotaxis learning (2014)
  • Author(s): Naoko Sakai
  • Organizer: 2014 C. elegans topic meeting: Neuronal Development, Synaptic Function and behavior
  • Place of Presentation: University of Wisconsin-Madison, Wisconsin, USA
  • Year and Date: 2014-07-08 – 2014-07-08
• [Presentation] Neural basis of plasticity and bidirectionality of klinotaxis (2014)
  • Author(s): Yohsuke Satoh
  • Organizer: 2014 C. elegans topic meeting: Neuronal Development, Synaptic Function and behavior
  • Place of Presentation: University of Wisconsin-Madison, Wisconsin, USA
  • Year and Date: 2014-07-08 – 2014-07-08