Discovery of new molecules involved in learning and memory and study of their mode of action

2016 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, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40192471)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 饗場 篤 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (20271116)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: 線虫 / マウス / 学習 / 長期記憶

Outline of Annual Research Achievements

１）短期記憶、特に刺激強度の記憶 : 餌と共に低塩濃度を経験しても低塩濃度に集まらない変異体の原因遺伝子としてCLC型塩化物イオンチャネルの遺伝子を同定している。この遺伝子のノックアウト株を調べたところ、意外なことに異常を示さなかった。取得した変異体はいずれもミスセンス変異を持つため、単純な機能欠失変異ではないと思われる。
２）記憶シグナルの細胞間転移 : 飢餓状態で経験した塩濃度を避けるようになる学習で、ASER感覚神経と他の神経との相互作用が必要と分かっていた。感覚変異体のレスキュー実験により、ASG神経がこの学習に必要であることを明らかにした。ASG神経の機能を調べたが、来年度も引き続き調べる必要がある。
３）長期記憶、短期から長期への固定化 : 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。今年度は、CREB転写因子の変異体がこの学習に異常を持つことを見出した。ただし、つねに野生型株に比べて低塩濃度に移動する傾向があるという表現型に近く、学習・記憶の異常であるかは引き続き検討する。
４）一細胞での分別記憶の機構 : Na+イオンに予め曝されたときにのみNa+への走性を示すことを見出していた。Na+はASEL感覚神経により受容されるので、ASELおよび介在神経を光刺激する実験とカルシウムイメージングの実験を行い、ASEL神経の内在的興奮性がNa+イオン暴露により変化することがこの行動可塑性の主たる機構であることを明らかにし、論文発表した。
５）マウスにおける学習関連遺伝子の機能解析 : CRISPR/Cas9法により、マウスの3つのカルシンテニン遺伝子を破壊した３重遺伝子破壊マウスを取得した。脳の組織染色や電気生理学的実験により、３つの遺伝子の破壊にもかかわらず、脳の基本的な構造や興奮性シナプス伝達に大きな異常がないことを確認した。

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）CLC型イオンチャネル遺伝子の変異型をツメガエル卵に注入して電気生理実験を行い、チャネルの性質がどう変わっているかを調べる。細胞特異的レスキュー実験により作用する細胞を決めて、その神経の活動がどう変化して塩走性を変化させるかを調べる。２）はASG神経がどのような刺激に応答するかを調べ、破壊の効果とASER神経の光活性化により起こる行動への効果を調べる。３）はCREBが働く細胞をレスキュー実験で調べ、長期の記憶への影響を慎重に調べる。４）は同じくASEL神経により主に受容される糖の走性について、ASELの糖に対する応答をカルシウムイメージングにより調べ、ASELの光刺激実験を異なる糖濃度で生育させた線虫について異なる糖濃度条件で行う。５）はカルシンテニン三重変異系統について行動バッテリー実験と電気生理実験、各種細胞やシナプスマーカーによる組織学実験を行い、どのような異常があるかを調べる。

Research Products

• [Journal Article] A Gustatory Neural Circuit of Caenorhabditis elegans Generates Memory-Dependent Behaviors in Na(+) Chemotaxis. (2017)
  • Author(s): Lifang Wang, Hirofumi Sato, Yohsuke Satoh, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo and Yuichi Iino
  • Journal Title: J Neurosci Volume: 37 Pages: 2097-2111
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1774-16.2017
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Accurate Automatic Detection of Densely Distributed Cell Nuclei in 3D Space. (2016)
  • Author(s): Toyoshima, Y., Tokunaga, T., Hirose, O., Kanamori, M., Teramoto, T., Jang, M.S., Kuge, S., Ishihara, T., Yoshida, R., and Iino, Y.
  • Journal Title: Plos Computational Biology Volume: 12 Pages: e1004970
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004970
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Splicing factors control C. elegans behavioural learning in a single neuron by producing DAF-2c receptor. (2016)
  • Author(s): Tomioka, M., Naito, Y., Kuroyanagi, H., and Iino, Y.
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 7 Pages: 11645
  • DOI: 10.1038/ncomms11645
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [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] The Metabotropic Glutamate Receptor Subtype 1 Mediates Experience-Dependent Maintenance of Mature Synaptic Connectivity in the Visual Thalamus. (2016)
  • Author(s): Narushima M, Uchigashima M, Yagasaki Y, Harada T, Nagumo Y, Uesaka N, Hashimoto K, Aiba A, Watanabe M, Miyata M, and Kano M.
  • Journal Title: Neuron Volume: 91 Pages: 1097-1109
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2016.07.035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dephosphorylated parafibromin is a transcriptional coactivator of the Wnt/Hedgehog/Notch pathways. (2016)
  • Author(s): Kikuchi I, Takahashi-Kanemitsu A, Sakiyama N, Tang C, Tang PJ, Noda S, Nakao K, Kassai H, Sato T, Aiba A, and Hatakeyama M.
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 7 Pages: 12887
  • DOI: 10.1038/ncomms12887
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Generation and characterization of calsyntenin triple knockout mice (2017)
  • Author(s): Keita Mori, Michinori Koebis, Hayao Ohno, Shizuka Kobayashi, Toshiya Manabe, Atsu Aiba, Yuichi Iino
  • Organizer: 第94回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県・浜松市）
  • Year and Date: 2017-03-30 – 2017-03-30
• [Presentation] Role of the insulin-like signaling pathway in learning in C. elegans (2017)
  • Author(s): Masahiro Tomioka, Takashi Nagashima, Yuichi Iino
  • Organizer: Gordon Research Conferences IGF & Insulin System in Physiology & Disease
  • Place of Presentation: Ventura Beach Marriott ( CA, U.S.A.)
  • Year and Date: 2017-03-15 – 2017-03-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The role of insulin-like signaling in learning behavior in C. elegans (2017)
  • Author(s): Masahiro Tomioka
  • Organizer: JSPS Core-to-Core Project International Seminar
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2017-01-25 – 2017-01-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of a regulatory mechanism of taste avoidance learning in C. elegans (2016)
  • Author(s): Yasuaki Ike, Tao Jiang, Masahiro Tomioka, Yuichi Iino
  • Organizer: The 15th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception (ISMNTOP)
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-12-04 – 2016-12-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Roles of FOXO transcription factor in taste avoidance learning in C. elegans (2016)
  • Author(s): Takashi NAGASHIMA, Masahiro TOMIOKA, Yuichi IINO
  • Organizer: The 15th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-12-03 – 2016-12-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫C. elegansの学習・記憶におけるDAF-16/FOXO転写因子の役割 (2016)
  • Author(s): 永嶋宇、富岡征大、飯野雄一
  • Organizer: 第39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: 2016-12-01 – 2016-12-01
• [Presentation] 線虫C. elegansのインスリン/PI3K経路による飢餓学習の制御機構の解析 (2016)
  • Author(s): 池 泰明、姜 涛、富岡 征大、飯野 雄一
  • Organizer: 第39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: 2016-12-01 – 2016-12-01
• [Presentation] 線虫C. elegansのClC型クロライドチャネルclh-1の塩濃度走性における機能の解明 (Roles of the ClC chloride channel clh-1 in salt chemotaxis learning of Caenorhabditis elegans) (2016)
  • Author(s): ChanHyun Park, Yuki Sakurai, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: 第39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: 2016-11-30 – 2016-11-30
• [Presentation] Molecules and the neural circuit for switching the chemosensory behavior in C. elegans (2016)
  • Author(s): Yuichi Iino
  • Organizer: NSF-AMED Workshop: Comparative Principles of Brain Architecture and Functions
  • Place of Presentation: Marriott Marquis San Diego Marina, San Diego, U.S.A.
  • Year and Date: 2016-11-18 – 2016-11-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of DAF-16/FOXO, a transcription factor that is involved in learning and memory in C. elegans (2016)
  • Author(s): Takashi Nagashima, Masahiro Tomioka, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2016 (C. elegans Topic Meeting: NEURONAL DEVELOPMENT, SYNAPTIC FUNCTION & BEHAVIOR)
  • Place of Presentation: 名古屋大学豊田講堂（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-07-28 – 2016-07-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diacylglycerol encodes differences between past and current stimulus intensity (2016)
  • Author(s): Hayao Ohno and Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2016 (C. elegans Topic Meeting: NEURONAL DEVELOPMENT, SYNAPTIC FUNCTION & BEHAVIOR)
  • Place of Presentation: 名古屋大学豊田講堂（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-07-27 – 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The ClC chloride channel CLH-1 is required for salt chemotaxis learning of Caenorhabditis elegans (2016)
  • Author(s): ChanHyunPark, Yuki Sakurai, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2016 (C. elegans Topic Meeting: NEURONAL DEVELOPMENT, SYNAPTIC FUNCTION & BEHAVIOR)
  • Place of Presentation: 名古屋大学豊田講堂（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-07-27 – 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫C. elegansのClC型クロライドチャネルclh-1の塩走性学習における機能の解明 (2016)
  • Author(s): Park ChanHyun、櫻井祐樹、飯野 雄一、國友博文
  • Organizer: 第46回日本神経精神薬理学会年会
  • Place of Presentation: COEX（韓国・ソウル）
  • Year and Date: 2016-07-02 – 2016-07-02
• [Presentation] A neural circuit for memory-dependent Na+ chemotaxis dissected in Caenorhabditis elegans (2016)
  • Author(s): Lifang WANG, Hirofumi Sato, Yohsuke Sato, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: 17th International Symposium on Olfaction and Taste (ISOT2016)
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-08 – 2016-06-08
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] いい思いをたどって濃い味に― 線虫の味覚記憶の発見とその神経回路の解明 ―
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2017/5236/