Rational design of ultrafast multicolor Ca2+ indicator

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K18372
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 井上 昌俊 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 客員研究員 (60750065)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: カルシウムセンサー / 多色イメージング

Outline of Annual Research Achievements

脳は複数の神経細胞種からなり、それそれが協調的に働くことにより様々な脳機能を発揮すると考えられている。近年、神経活動を測定するために、特定の神経細胞種に発現させることができ、長期観察可能である遺伝子にコードされたCa2+インディケーター（以下GECIと略）が広く用いられている。しかしながら、これまで生きたマウス個体で計測可能な色域は緑、赤色と限られているため、同時に3種類以上の細胞種の神経活動を測定した例はなかった。そのために、微小神経回路における異なる神経細胞種同士の時空間制御の理解が遅れていた。
本研究課題では生きたマウス個体内において神経活動が測定可能な多色（黄色及び青色）のGECIを作成することを目的とする。
本研究計画の最終年度である平成28年度において、前年度までに生体マウス内において1発の活動電位に対して高感度に蛍光変化し、かつ発火回数に対して線形的に蛍光変化する新規の緑色GECIを鋳型にし、黄色及び青色GECIの可能性を検討した。
その結果、精製タンパク質レベルでカルシウム応答性が線形的に変化する黄色化、青色化したセンサーを単離した。これらを元にさらなる変異を導入し、最適化した黄色及び青色GECIを作出する点変異部位を見出した。予備的実験において、培養細胞を用いて、これら2種類のGECIと前年度までに作出済の緑色及び赤色GECIを用いて、同時に4種類の細胞のCa2+イメージングに成功している。今後さらなるこれらの有用性を確認する実験を行う。

Research Products

• [Journal Article] Calmodulin kinases: essential regulators in health and disease. (2017)
  • Author(s): Takemoto-Kimura S, Suzuki K, Horigane SI, Kamijo S, Inoue M, Sakamoto M, Fujii H, Bito H.
  • Journal Title: Journal of Neurochemistry Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: doi: 10.1111/jnc.14020.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous fast measurement of circuit dynamics at multiple sites across the mammalian brain. (2016)
  • Author(s): Kim CK, Yang SJ, Pichamoorthy N, Young NP, Kauvar I, Jennings JH, Lerner TN, Berndt A, Lee SY, Ramakrishnan C, Davidson TJ, Inoue M, Bito H, Deisseroth K.
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 13 Pages: 325-328
  • DOI: 10.1038/nmeth.3770
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Rational design of ultrafast, high-affinity calcium indicators for monitoring neuronal activity (2016)
  • Author(s): Inoue M, Takeuchi A, HoriganeS, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Kano M, Nakai J, Kitamura K, Bito H.
  • Organizer: The 7th International Neural Microcircuit Conference
  • Place of Presentation: Okazaki, Japan
  • Year and Date: 2016-12-08 – 2016-12-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rational engineering of sensors for hierarchical and orthogonal Ca2+ signaling (2016)
  • Author(s): Fujii H, Inoue M, Bito H.
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2016-11-12 – 2016-11-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 恐怖記憶を制御する活動依存的神経細胞集団 (2016)
  • Author(s): 尾藤晴彦、金亮、井上昌俊、坂本雅行、藤井哉.
  • Organizer: 第59回日本神経化学会、第38回日本生物学的精神医学会合同年会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2016-09-08 – 2016-09-10
  • Invited
• [Presentation] Imaging voltage in neurons with genetically encoded indicators (2016)
  • Author(s): 坂本雅行、阪東勇輝、Taekyung Kwon、Samuel Kim、Samuel Kim、Vincent Pieribone、井上昌俊、尾藤晴彦、Rafael Yuste.
  • Organizer: 第59回日本神経化学会、第38回日本生物学的精神医学会合同年会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2016-09-08 – 2016-09-10
  • Invited
• [Presentation] Development and imaging of new color indicators for Ca2+ signaling in living neurons. (2016)
  • Author(s): Fujii H, Inoue M, Bito H
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
  • Invited