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

2015 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 / マウス / 学習 / 長期記憶 / TOR経路

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。この神経機構について明らかにするために、自由行動中の線虫を追尾しながらカルシウムイメージングにより神経活動を測定する装置を用いて実験を行った。その結果、感覚神経から介在神経に至る段階で、応答が経験により正逆に変化することを見出した。
２）記憶シグナルの細胞間転移：化学走性行動とその可塑性に異常を示す変異体としてTOR経路の変異体を見出した。TORC1複合体とTORC2複合体とで寄与が異なることを明らかにし、下流因子についても同定した。さらに、一部は腸で働くことを明らかにした。これにより、腸から神経へのシグナルの存在が示唆された。
３）長期記憶、短期から長期への固定化：この実験については。繰り返し条件づけにより2時間および4時間の時点での記憶の保持が向上することが確認されたが、より長期の記憶を形成する条件を模索している。
４）一細胞での分別記憶の機構：糖走性の機構を行動レベルで解析した。さらに、細胞特異的レスキュー実験により、糖走性にはASELおよび他の複数の神経が関わることを明らかにした。ASELはNa+も受容し、糖走性もNa+走性も経験依存に変化する。ASELおよび介在神経を光刺激する実験により、経験により介在神経への伝達が変化することが示唆された。
５）マウスにおける学習関連遺伝子の機能解析：マウスの3つのカルシンテニン遺伝子を破壊した遺伝子改変マウスの作成を試みた。３つの遺伝子に対するguide RNAとCas9 mRNAを受精卵へ微小注入し子孫を得た。変異を塩基配列レベルで特定し、いろいろな組み合わせで3つの遺伝子に変異をもつ集団が得られていることを確認した。RT-PCRや組織染色により、これらの一部についてmRNAや蛋白質が消失していることも確認した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

概ね予定通りである。

Strategy for Future Research Activity

１）はさらに他の神経も測定し、論文にまとめる。２）も現在投稿後のリバイス中であり、追加実験を行って発表する。３）は引き続き記憶の長さに影響を与える要因を探索する。４）は糖走性については関与する神経の感覚応答を測定する実験などを実施する。光刺激実験については光刺激に対する神経応答を測定する実験系を構築したので、その実験を完了させ、論文にまとめる。５）は交配によってそれぞれの組み合わせの多重変異株を作成し、組織染色実験と行動実験を行い、カルシンテニンファミリーの機能についての包括的な理解の達成を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Optogenetic activation of axon guidance receptors controls direction of neurite outgrowth. (2016)
  • Author(s): Endo, M., Hattori, M., Toriyabe, H., Ohno, H., Kamiguchi, H., Iino, Y., and Ozawa, T.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 6 Pages: 23976
  • DOI: 10.1038/srep23976.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A possible aid in targeted insertion of large DNA elements by CRISPR/Cas in mouse zygotes. (2016)
  • Author(s): Harumi Nakao, Takeshi Harada, Kazuki Nakao, Hiroshi Kiyonari, Kenichi Inoue, Yasuhide Furuta and Atsu Aiba
  • Journal Title: Genesis Volume: 54 Pages: 65-77
  • DOI: 10.1002/dvg.22914
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Territories of heterologous inputs onto Purkinje cell dendrites are segregated by mGluR1-dependent parallel fiber elimination. (2016)
  • Author(s): Ryoichi Ichikawa, Kouichi Hashimoto, Taisuke Miyazaki, Motokazu Uchigashima, Miwako Yamasaki, Atsu Aiba, Masanobu Kano, and Masahiko Watanabe
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci USA Volume: 113 Pages: 2282-2287
  • DOI: 10.1073/pnas.1511513113.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modulation of different behavioral components by neuropeptide and dopamine signalings in non-associative odor learning of Caenorhabditis elegans. (2015)
  • Author(s): Yamazoe-Umemoto, A., Fujita, K., Lino, Y., Iwasaki, Y., and Kimura, K.D.
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 99 Pages: 22-33
  • DOI: 10.1016/j.neures.2015.05.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump. (2015)
  • Author(s): Kato, H.E., Inoue, K., Abe-Yoshizumi, R., Kato, Y., Ono, H., Konno, M., Hososhima, S., Ishizuka, T., Hoque, M.R., Kunitomo, H., Ito, J., Yoshizawa, S., Yamashita, K., Takemoto, M., Nishizawa, T., Taniguchi, R., Kogure, K., Maturana, A.D. ;Iino, Y., Yawo, H., Ishitani, R., Kandori, H., Nureki, O.
  • Journal Title: Nature Volume: 521 Pages: 48-U347
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A role for Ras in inhibiting circular foraging behavior as revealed by a new method for time and cell-specific RNAi. (2015)
  • Author(s): Hamakawa, M., Uozumi, T., Ueda, N., Iino, Y., and Hirotsu, T.
  • Journal Title: Bmc Biology Volume: 13 Pages: -
  • DOI: 10.1186/s12915-015-0114-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comprehensive behavioral phenotyping of a new Semaphorin 3F mutant mouse. (2015)
  • Author(s): Matsuda, I; Shoji, H; Yamasaki, N; Miyakawa, T; Aiba, A
  • Journal Title: Mol Brain Volume: 9 Pages: 15
  • DOI: 10.1186/s13041-016-0196-4.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 線虫C. エレガンスの摂食状態に依存した行動変化を司る分子機構 (2016)
  • Author(s): 大野速雄、井田隆徳、加藤紳也、内藤泰樹、國友博文、富岡征大、飯野雄一
  • Organizer: 第30回日本糖尿病・肥満動物学会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティ（埼玉県さいたま市）
  • Year and Date: 2016-03-11 – 2016-03-12
  • Invited
• [Presentation] 線虫C.エレガンスの塩濃度の記憶と走化性の分子・神経機構 (2015)
  • Author(s): 國友博文、飯野雄一
  • Organizer: 包括脳冬のシンポジウム
  • Place of Presentation: 一橋大学一橋講堂学術総合センター（東京都千代田区）
  • Year and Date: 2015-12-17 – 2015-12-19
• [Presentation] 線虫の化学走性における定位行動の神経機構 (2015)
  • Author(s): 佐藤陽介、佐藤博文、國友博文、飯野雄一
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第82回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] 線虫C. elegansの記憶学習に関わるDAF-16/FOXO転写因子の解析 (2015)
  • Author(s): 永嶋宇、富岡征大、飯野雄一
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第80回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] Roles of a ClC chloride channel CLH-1, which is required for salt chemotaxis of Caenorhabditis elegans. (2015)
  • Author(s): 桜井裕樹、朴燦賢、飯野雄一、國友博文
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第82回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] 線虫C. elegansの飢餓学習において餌情報を伝達するインスリン様ペプチドの探索 (2015)
  • Author(s): 後屋敷舞、富岡征大、飯野雄一
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第82回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] 線虫C. elegansの糖濃度走性を制御する神経機構の解析 (2015)
  • Author(s): 片江 圭太、富岡 征大、上岡 雄太郎、飯野 雄一
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第82回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] 線虫C. elegansのインスリン/PI3キナーゼ経路による塩濃度学習の制御機構の解析 (2015)
  • Author(s): 池 泰明、姜 涛、富岡 征大、飯野 雄一
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第82回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] Dissecting the roles of primary interneurons that regulate memory-dependent salt concentration chemotaxis. (2015)
  • Author(s): Hirofumi Kunitomo, Hirofumi Sato, Yohsuke Satoh, and Yuichi Iino
  • Organizer: 20th International C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles, U.S.A.
  • Year and Date: 2015-06-24 – 2015-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In vivo imaging of diacylglycerol signaling in a taste receptor neuron involved in salt-concentration memory (2015)
  • Author(s): H. Ohno, Y. Iino
  • Organizer: 20th International C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles, U.S.A.
  • Year and Date: 2015-06-24 – 2015-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A gustatory neural circuit for experience-dependent salt chemotaxis in C. elegans (2015)
  • Author(s): Hirofumi Sato, Hirofumi Kunitomo, Xianfeng Fei, Koichi Hashimoto, Yuichi Iino
  • Organizer: 20th International C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles, U.S.A.
  • Year and Date: 2015-06-24 – 2015-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TOR signaling pathway is involved in regulation of salt chemotaxis learning. (2015)
  • Author(s): Naoko Sakai, Masahiro Tomioka, Hayao Ohno, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino.
  • Organizer: 20th International C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles, U.S.A.
  • Year and Date: 2015-06-24 – 2015-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Neural Circuit of Caenorhabditis elegans for Memory-Dependent Na+ Chemotaxis (2015)
  • Author(s): L. WANG, M. TOMIOKA, H. KUNITOMO, Y. IINO
  • Organizer: 20th International C. elegans Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles, U.S.A.
  • Year and Date: 2015-06-24 – 2015-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular and Neural Circuit Mechanisms for Experience-Dependent Modulation of Chemotaxis (2015)
  • Author(s): Yuichi Iino
  • Organizer: Gordon Research Conference "Modulation of Neural Circuits & Behavior"
  • Place of Presentation: Hong Kong, China
  • Year and Date: 2015-06-21 – 2015-06-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 糖尿病学2015（6章シナプスにおけるインスリン/PI3K経路と記憶学習） (2015)
  • Author(s): 富岡征大、飯野雄一
  • Total Pages: 168（うち8）
  • Publisher: 診断と治療社