Study of Cytoskeletal Dynamics during Neuronal Polarization Using Optogenetics and Cryo-Electron Tomography

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K20680
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0704:Neuroscience, brain sciences, and related fields
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: Yoshihara Shogo 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 助教 (60963973)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: クライオ電子線トモグラフィー / 光遺伝学 / アクチン / 細胞骨格 / 細胞極性 / Rac1

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aimed to elucidate the mechanisms of brain neural polarity formation and the causes of related diseases by capturing the fine morphological changes in the cytoskeletal network using a time-lapse cryo-electron tomography (Cryo-ET) method that combines optogenetics and Cryo-ET. We successfully observed the fluorescence of Photoactivatable-Rac1-induced actin cytoskeletal structures corresponding to blue-white light irradiation times on gold grids using cryo-fluorescence microscopy, and captured the corresponding regions on cryo-electron microscopy.

Free Research Field

分子細胞生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

脳の情報処理機能を司る神経細胞の極性形成には、アクチンおよび微小管からなる細胞骨格ネットワークが重要な役割を担っている。それらの制御破綻が統合失調症や認知症などの重篤な精神疾患を引き起こしてしまうが、現在の光学顕微鏡的実験系では微細な極性形成過程を細胞内で観察することは困難であり、その詳細な分子機構は明らかになっていない。そこで本研究では、光遺伝学とクライオ電子線トモグラフィーとを組み合わせ、細胞骨格ネットワークの超微細構造変化を経時的に捉える。これにより神経細胞の極性形成機序および疾患の発症原因を解明する点に本研究の学術的意義や社会的意義がある。