2016 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidating mechanisms of synapse specificity in the mouse olfactory system
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16H06144
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹内 春樹 東京大学, 大学院薬学系研究科, 研究員 (70548859)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 嗅覚 / 神経回路形成 / 発生学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マウスの嗅覚系において、一次神経細胞は発現する嗅覚受容体の種類に基づいて嗅球にある糸球体へと軸索を投射させ、二次神経細胞とシナプス結合をする。これまでの研究から、嗅覚回路の中には先天的な行動を制御する遺伝的に規定された回路が存在することが示唆されている。その一方で、遺伝子組換え技術により異なる動物種の嗅覚受容体を発現させたとしても、内在性の嗅覚受容体の時と同様に機能的な神経回路が形成されることが分かっている。本研究課題では、マウス嗅覚系における一次神経細胞と二次神経細胞間のシナプス特異性を検証することを通して、高等動物の神経回路がもつ遺伝的な堅牢性と可塑的な柔軟性を両立させるメカニズムを明らかにすることである。
一次と二次の神経細胞間のシナプス結合の特異性を明らかにするためには両方の細胞において遺伝的に規定されたサブタイプを同定することが必要となる。一次神経細胞に関しては、発現する嗅覚受容体を筆頭に多数のサブタイプが明らかにされているが、二次神経細胞に相当する僧帽細胞においては殆ど明らかにされていない。そこで、二次神経細胞の遺伝子プロファイルのデータを参考に多数の遺伝子の発現を組織染色によって確認し、嗅球内の僧帽細胞の位置に依存的して発現するもの、嗅球内の位置によらず一部の僧帽細胞でのみ発現する遺伝子を複数同定した。
上記の一部の僧帽細胞でのみ発現する遺伝子のプロモーター下に蛍光タンパク質であるEYFPをコードする遺伝子改変動物を作出したところ、発現は発生期の一時的ではあるものの僧帽細胞のサブセットで発現することが確認できた。これは、僧帽細胞を遺伝的なプロファイルでもって分類することに成功した初めて知見である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、適切な嗅覚情報伝達を支える一次嗅覚神経細胞と二次僧帽細胞間のシナプス特異性がどのように形成されるかを明らかにするために、課題を遺伝的に規定された機構と入力情報依存的な機構の解明の以下の２つに分けて研究を遂行している。
（１）遺伝的な機構：僧帽細胞における遺伝的サブタイプを同定し、サブタイプごとに樹状突起の伸長パターンを解析する。更に、サブタイプを規定するマーカー遺伝子が、嗅球内における僧帽細胞の大まかな配置あるいはシナプス接続の過程においてどのように機能するかを検討する。
（２）入力情報依存性な機構：遺伝学的手法によって一次嗅覚神経細胞からの入力を変化させ、僧帽細胞の形態にどのような影響がみられるかを検討する。
（１）に関連して、僧帽細胞の遺伝子発現プロファイルのリストと組織染色を組み合わせ、一部の僧帽細胞でのみ発現が確認できる遺伝子を複数同定した。さらに同定した遺伝子のプロモーター下に蛍光タンパク質をコードする遺伝子をつないだトランスジェニックマウスを作製し、確かにこれらの遺伝子が僧帽細胞のサブセットで発現していることが確認した。しかしこれらの遺伝子プロモーターの活性は強くなく、発生期の特定の時期でのみしか発現が検出されないことから、上述の遺伝子改変動物は僧帽細胞の樹状突起の伸長パターンなどの形態観察には利用できないことがわかった。
（２）に関連して、遺伝的に一次嗅覚神経細胞が除去された遺伝子改変動物を作出して、ゴルジ染色法により僧帽細胞の樹状突起の形態観察を行った。通常僧帽細胞は主樹状突起と呼ばれる一本の太い突起を嗅球において放射状に伸ばすのに対し、嗅覚神経除去マウスにおいては主樹状突起が細く、また伸長方向も放射状ではなくなり規則性が失われていることがわかった。正常な樹状突起の発達には、一次嗅覚神経からの入力が必須であることが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）に関連して、僧帽細胞のサブタイプを規定する遺伝的マーカーの同定に成功している。これらは、嗅球の特定の位置に相関して発現するものと嗅球内でモザイク状に分布するものに分けられる。また、同定した遺伝子はすべて細胞外ドメインを持つ細胞接着等に関与する分子であることからそれらの分子自体が何らかの形で、一次神経と二次神経のシナプス結合に関わる可能性が示唆される。今後は、これら同定した遺伝子を細胞特異的にノックアウトしたマウスを解析する。
（２）に関連して、これまでの実験から僧帽細胞の樹状突起の正常な発達には、一次神経の存在が必要であることがわかった。今後はこの知見を発展させ、一次神経細胞の神経活動を遮断したマウスや、特定の嗅覚受容体を発現する一次神経の軸索の投射位置を変化させた際に僧帽細胞の樹状突起の形態にどのような変化が生じるかを検証する。
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