2020 Fiscal Year Annual Research Report
マウスうつ病モデルでの前頭前皮質の樹状突起ミトコンドリア変化と機能的意義の解明
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20J21853
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
沼 知里 神戸大学, 医学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | ストレス / 抑うつ / 神経細胞萎縮 / ミトコンドリア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
社会や環境から受けるストレスは、抑うつや不安といった情動変容を引き起こし、精神疾患のリスクとなる。これまでマウスうつ病モデルである社会挫折ストレスマウスでは、内側前頭前皮質(mPFC)において樹状突起萎縮やスパインの減少などの神経細胞萎縮が報告され、ストレスによる情動変容の基盤であることが明らかにされてきた。しかし、神経細胞萎縮を担う分子・細胞生物学的変化はほとんど明らかにされていない。本研究は細胞内小器官やシナプスの構造変化と分子変化に焦点をあて、それらの神経細胞機能低下や萎縮における病態的意義を明らかにし、精神疾患の創薬に貢献することを目的とする。
令和2年度は、ストレスによるmPFC神経細胞の細胞内構造変化を調べるため、三次元電子顕微鏡や膨張顕微鏡法を用いた超解像イメージングによる観察を行った。その結果、樹状突起の凹凸様形態変化と消失、樹状突起内ミトコンドリアの短縮と膨潤化、シナプス構造の退縮を見いだした。次にミトコンドリアと関連分子の機能変化を調べるため種々の生化学的解析を行い、シナプスにおけるミトコンドリアの膜電位変化とCaspase3の酵素活性の上昇を見いだした。これらの病理学的変化に関連する分子変化を調べるため種々のオミクス解析を行い、ミトコンドリアが重要な役割を担う糖代謝に関わる分子群の発現変化がシナプスに限局して生じることを見いだした。この結果はストレスにより生じるミトコンドリアの機能・構造変化が下流シグナル経路の活性化を介してシナプス機能低下とうつ様行動を導く可能性を示唆する。実際、ミトコンドリアを標的とする薬物をマウスに投与することでストレスによるシナプス構造退縮、うつ様行動を減弱できることを見出した。
今後は、前述の病理学的変化の神経細胞機能低下および萎縮における病態的意義を明らかにするため、関連分子の薬理学的操作や分子遺伝学的操作を行う。
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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
社会挫折ストレスによるマウスうつ病モデルのｍPFCにおいて、直径数100nmと小さく光学顕微鏡では観察が難しいミトコンドリアの形態変化を同定するため、三次元電子顕微鏡観察と膨張顕微鏡法をこのモデルに初めて適用した。細胞内微細構造を網羅的に観察できるが、広域の観察は難しい電子顕微鏡による観察に加え、組織を拡張する膨張顕微鏡法を導入し、共焦点レーザー走査顕微鏡と合わせて広域を観察した結果、樹状突起の陥凹様形態変化に関連し樹状突起ミトコンドリアの短縮と膨潤化およびシナプス構造の退縮が生じるという新たな知見を得た。観察された樹状突起におけるミトコンドリア形態変化やシナプス構造の退縮に関連し、ミトコンドリア関連分子の機能が変化しているかを調べるため、ミトコンドリアやシナプス分画を単離し種々の生化学的解析を行った。その結果ミトコンドリア内膜の電位変化と、ミトコンドリア性細胞死を担うCaspase3のシナプス分画における活性化が明らかにされた。樹状突起やシナプスの退縮、ミトコンドリアの機能・構造変化などのストレス病態の基盤となる分子メカニズムを明らかにするため、種々のオミクス解析を行い、ミトコンドリア関連分子群のストレスによる変化を調べた。その結果、前述のストレス病態を担う分子の候補を絞ることができた。従っておおむね研究計画通りに進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず、同定された分子の細胞内局在の変化を明らかにするため、膨張顕微鏡を用いた免疫染色を行う。次に、同定された分子がストレスによる情動変容とミトコンドリアの機能・構造変化に寄与するかを調べるため、薬理学的操作や分子遺伝学的操作を行う。合わせて、膨張顕微鏡法を用いたミトコンドリア、シナプスと樹状突起の形態解析、生化学的解析や細胞外フラックスアナライザーを用いたミトコンドリアの機能評価を行う。加えて同定された分子変化の神経細胞機能低下および萎縮における病態的意義を明らかにすることを目的として、Ca2+インディケーターを用いた神経細胞とシナプスの機能評価、および膜局在性蛍光タンパク質を用いた神経細胞形態の経時的観察を行うため、二光子顕微鏡によるin vivo イメージングを共同研究により行う。
次に、ストレスによる樹状突起の形態変化や萎縮がもたらす神経回路病態を明らかにするため、逆行性の神経細胞トレーシングを行い、mPFCへの投射入力が変化する脳領域を探索する。脳領域特異的なmPFCへの入力変化があれば、特定の脳領域から入力する樹状突起枝で選択的な樹状突起形態変化や萎縮が生じる可能性が高い。この可能性を検証し、さらに投射入力特異性にこれまでに明らかにされてきた神経細胞形態および細胞内変化が寄与しているかを検討するため、同定された脳領域の神経細胞とｍPFC神経細胞のシナプス結合をe-GRASPにより標識した上で、関連分子の細胞内局在や樹状突起ミトコンドリアの形態および樹状突起形態および萎縮を解析する。得られた結果をとりまとめ学会発表を行う。
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Research Products
(2 results)
