2019 Fiscal Year Annual Research Report
微細構造相関解析法を用いたシナプス前後の協調的成熟を支える分子機構の解明
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19H03323
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
深澤 有吾 福井大学, 学術研究院医学系部門, 教授 (60343745)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松井 広 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (20435530)
加藤 輝 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任助教 (30391915)
黒田 一樹 福井大学, 学術研究院医学系部門, 准教授 (60557966)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | シナプス結合 / 構造ー機能相関 / 超微形態 / 三次元再構築 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シナプス伝達とその可塑性は学習・記憶の基盤現象であり、その異常が種々の精神疾患の原因であると指摘する研究結果もあり、シナプス伝達の分子生物学的理解を深め、疾患発症との因果関係を明らかにする必要性が高まっている。シナプス伝達の場であるシナプス結合は、2つの神経細胞の接着構造であり、情報伝達の機能的特性は、シナプス前後で起こる複数の素過程の総和として決定される。しかし、単一シナプスレベルのシナプス前後の構造や機能を同時に調べる手法がこれまで無く、シナプス前後の協調の有無やその調節を支えるメカニズムについては不明である。本研究では、申請者が独自に開発した一つのシナプス結合の前後構造全体を定量的に構造解析できる観察法を応用し、シナプス前後の協調関係を支える分子を同定すると共に、協調関係の機能的意義を明らかにすることを目的とし、①シナプス前後構造の協調的構築を担う分子を同定、②同定した分子のシナプス内外での発現様式の解明、③各シナプス微細形態の機能との対応関係の解明、④連続電子顕微鏡画像中の微細構造を自動で同定する画像解析手法の開発について実験を行った。その結果、シナプス前後の協調的構築に異常を呈する遺伝子改変マウスの同定に成功し、免疫タグを標的分子にノックインして免疫標識する技術開発にも進捗が得られるなど、計画どおりの成果が得られた。
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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
実験計画に沿った解析が実施でき、その成果が下記の通り得られたため。
①シナプス前後構造の協調的構築を担う分子の同定（深澤） シナプス伝達と可塑性に関与する遺伝子（Septin, CAPS1, CaMKII, Neuroligin, Arc）を欠損、又は、変異させた遺伝子改変マウスのシナプス結合を解析し、シナプス前後の協調的構築に異常を呈するマウスを同定した。また、N-cadherinなどのシナプス間接着分子の遺伝子改変マウスの導入を行った。
②同定した分子のシナプス内外での発現様式の解明（黒田） 実験①で見出したシナプス前後の相関形成に関与する遺伝子産物のシナプス内分布を、凍結割断レプリカ標識法（SDS-digested Freeze-fracture Replica Labeling: SDS-FRL法）で明らかにするため、免疫タグを標的分子にノックインして免疫標識する技術の開発を実施した。
③各シナプス微細形態の機能との対応関係の解明（松井） 実験①で見出したシナプス前後の相関形成に異常をきたすマウスのシナプス前後の機能的協調性を検討する実験手法の開発について、検討を開始した。
④連続電子顕微鏡画像中の微細構造を自動で同定する画像解析手法の開発（加藤） 連続電子顕微鏡画像中の目的構造をAIを用いた深層学習により自動で同定するため、機会学習に適した画像解像度とサイズ、及び、処理枚数などを決定した。
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| Strategy for Future Research Activity |
①シナプス前後構造の協調的構築を担う分子の同定（担当：深澤） シナプス間接着分子であるneuroligin-3、beta-neurexin、N-cadherin等の欠損マウスのシナプス構造解析を進め、シナプス前後の協調的構築に関与する分子群を同定する。
②同定した分子のシナプス内外での発現様式の解明（担当：黒田） 凍結割断レプリカ標識法（SDS-FRL法）を用いてNeuroligin-3、beta-neurexin、N-cadherinのシナプス内分布を可視化し、発現様式とシナプス形態（面積や形）との関係性を空間配置と量的な側面から明らかにする。
③各シナプス微細形態の機能との対応関係の解明（担当：松井） シナプス構造解析により異常が見られた遺伝子改変マウスにおける単一シナプスレベルの機能的な表現型を電気生理学や光生物学的手法を用いて解析し、構造異常と機能異常との関連性を明らかにする。また、シナプス前後の協調的な機能連関を生理学的に明らかにする実験手法を開発する。
④シナプス構造異常と精神神経疾患発症との関連性の解明（担当：深澤） 自閉症モデルマウスと知られるneuroligin-3及びneuroligin-1の点突然変異マウスのシナプス前後構造を三次元再構築解析することで、シナプス前後構造の協調的構築の破綻が、自閉症モデルマウスに共通の表現型であるかを検討する。
⑤連続電子顕微鏡画像中の微細構造を自動で同定する画像解析手法の開発（担当：加藤） 令和元年度に機会学習に適した画像解像度とサイズ、及び、処理枚数などを明らかにしたので、連続電子顕微鏡画像中の各構造ドメインを実験者が判定した教師データを作成し、実際に機会学習による自動画像解析に着手する。
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Research Products
(12 results)
