2018 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanism of pre- and post-synaptic interactions
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17H01387
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡部 繁男 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (60204012)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 分子神経生物学 / イメージング / シナプス形成 / スパイン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
軸索構造の一部であり神経伝達物質を放出するシナプス前部と、樹状突起の構造の一部であり神経伝達物質を結合する受容体が集積するシナプス後部が特異的に結合することでシナプスはその機能を発揮する。本研究ではシナプス前部とシナプス後部の間での相互作用がシナプス自体の機能、発達、リモデリングをどのように制御するのかを明らかにする。そのために以下の3項目、(A) シナプス前部から放出されシナプス形成を抑制する分子の作用機構の解明 (B) シナプス前部と後部の形態変化の特徴抽出と形態・機能相関の解明 (C) シナプス前部によるシナプス動態制御機構の生体内での解析 を研究の柱として、相互に連携した研究を実施している。(A)の項目においては、培養海馬神経細胞のシナプス形成と安定化を負に制御する分子としてBMP4を同定し、そのシナプス不安定化が個体レベルでも引き起こされることを示した。(B)の項目においては、構造化照明によるイメージング(SIM)と画像処理技術を最適化することで、スパインの3次元構造の定量的な解析手法を実現し、この手法を活用して活動依存的なスパイン構造変化を明らかにした。具体的にはスパイン頭部の凹面がシナプス前部との接着面を形成し、この凹面の増大がスパインの形態変化の特徴となることを示した。(C)の項目に関連して、大脳皮質内からの投射を受ける樹状突起スパインと視床からの投射を受けるスパインの形態の違いを明らかにするための新しいシナプスイメージング手法を検討した。
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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
(A) シナプス形成を抑制する分子の作用機構の解明
BMP4が軸索で放出され、放出後は軸索表面に係留される事、局所に係留されたBMP４が近傍のシナプスを特異的に不安定化することを明らかにした。更に個体レベルでこのようなBMP4依存的なシナプス不安定化が起こることを確認するために、子宮内電気穿孔法を用いて少数の大脳皮質錐体細胞にCre遺伝子を発現し、その細胞でのみBMP4のノックアウトが起こる系を作成した。BMP4遺伝子がノックアウトされた錐体細胞の軸索ではシナプス密度が上昇した。BMP4がシナプス前部と後部の発達を個体レベルで抑制する負のシナプス制御分子であることが示された。
(B) シナプス前部と後部の形態変化の特徴抽出
構造化照明法 (SIM)により、スパインの3次元構造の定量的な解析が生きた神経細胞のシナプスにおいて可能となった。グルタミン酸のuncagingを組み合わせることで、可塑性誘導前後でのスパイン形態の変化を解析した。シナプス可塑性によりスパイン体積が増大するだけでなく、スパイン頭部の凹面が大きくなり、この凹面がシナプス前部とスパインの接触面に相当することから、シナプス前部と後部の接着が亢進していることが明らかになった。更にこのシナプス頭部の凹面の増大には接着分子であるneuroliginが関与していることを阻害実験から明らかにした。
(C) シナプス前部によるシナプス動態制御機構の生体内での解析
同じ樹状突起の隣接する二つのスパインにおいても、その動態が入力の性質により独立に制御されることを既に見出している。動態がより安定なスパインについては、上の培養細胞での実験結果から、シナプス可塑性によって頭部が増大し、凹面を形成したスパインである可能性が高い。この事を検証するため、組織レベルで超解像顕微鏡法によるスパイン形態の微細構造解析を実現する手法を開発している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに研究計画は順調に進んでおり、特に項目(A)においてBMP4の機能がシナプス除去であることを個体レベルで明らかにしたこと、項目(B)においてスパイン頭部の構造を詳細に解析し、頭部に形成される凹面が接着分子依存的に可塑的変化を起こすことを見出した点は大きな進展である。。
(A)シナプス形成を抑制する分子の作用機構の解明：BMP4がシナプス前部から放出され、シナプス前部と後部の発達を抑制する負のシナプス制御分子であることから、更に個体レベルでの本分子の機能を遺伝子操作により追求する。またBMP4の関連分子についてその機能的な相違点を培養系により検証する。
(B)シナプス前部と後部の形態変化の特徴抽出：SIMによるイメージングと画像処理技術を組み合わせる事により、スパインの3次元構造の定量的な解析が実現し、更にこの手法によりシナプス可塑性に伴うスパインの構造変化について新しい知見が得られた。更にこの形態変化の意味を追求するため、シナプス前部と後部の同時イメージングを実施し、両者の形態の関連性と接着面の変化を解析する。
(C)シナプス前部によるシナプス動態制御機構の生体内での解析：同じ樹状突起の隣接する二つのスパインにおいて、その動態が入力の性質により独立に制御されるメカニズムを更に追求する。典型的な大脳皮質へのシナプス入力である皮質内の投射と視床からの投射に絞って、組織内でのスパイン微細構造を超解像顕微鏡により検出する手法を適用して解析を進める。
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Research Products
(23 results)
