気分障害と概日リズムの分子相関理解のための統合的研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25242077
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 内匠 透 独立行政法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, シニアチームリーダー (00222092)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 遺伝子 / 生理学 / 神経科学 / 脳神経疾患 / 行動学

Outline of Annual Research Achievements

ヒトゲノム計画が修了した現在、様々な生理現象、またその破綻である疾患の分子的理解は急速に進んでいる。しかしながら、脳機能、とりわけ精神機能及び精神疾患に関しては、まだまだ未解明な分野であり、特に分子的理解は他領域に比べて極めて遅れていると言わざるを得ない。精神機能の分子的基盤が明らかになることで、生物学から離れていた精神機能への分子的アプローチ、それに基づく薬物的治療も可能になる。
気分障害と概日リズムとの関連は従来から示唆されているところであるが、その分子相関研究は、時計遺伝子を含む様々なリズムの定量的アッセイ系が確立された現在でこそ可能になったプロジェクトである。研究代表者の研究室で最近明らかになった気分障害における概日リズム表現型をもとに、本研究では、気分障害の新規エンドフェノタイプを同定・確立するとともに、そのシグナルパスウェイを明らかにする。気分障害の分子病態理解を目指すとともに、本研究の成果として得られる新規抗体やモデルマウスは、これまでの概念とは一線を画す新規診断法や治療薬のスクリーニング系の開発基盤となることが期待される。
本研究では、リズムと気分障害を結びつけるGSK3betaを中心にそれらの分子相関を探求する。すなわち(１)気分障害モデル共通にみられるエンドフェノタイプの同定・確立、(２)リン酸化GSK3beta(p-GSK3beta)の上流解析や(３)p-GSK3betaの下流解析による病態シグナルパスウェイの解析、(４)同定変異に基づく新規特異抗体及び気分障害モデルマウスの確立や（５）ヒト症例の遺伝学的解析、さらに（６）本モデルマウスを用いた新規気分障害関連分子の探索を行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(１)気分障害モデル共通にみられるエンドフェノタイプの同定・確立:リン酸化GSK3beta(p-GSK3beta)の量的変動を気分障害モデルのエンドフェノタイプとして確立するために、GSK3beta及びp-GSK3betaの発現量解析を、学習性無力(LH)ラット及びPer2ノックアウトマウスの脳及び線維芽細胞を用いて行った。LH状態になるp-GSK3betaが減少することを見いだした。特に、脳内視交叉上核SCNや前脳皮質では、コントロールにおいてみられるp-GSK3betaの概日リズム発現が消失した。脳のみならず末梢の線維芽細胞においてもp-GSK3betaの減少がみられ、脳内と末梢で相関することが明らかになった。
(３)p-GSK3betaの下流解析による病態シグナルパスウェイの解析:(３－１)主要時計タンパク質すべてに関して、生化学的解析を行いGSK3betaの標的時計タンパク質を体系的に同定した。(３－２) GSK3betaによるリン酸化部位として、PER2のS977を同定した。(３－３)GSK3betaによってリン酸化を受ける時計タンパク質のそれぞれのノックアウトマウスを用いて、リチウムによる概日リズム周期の延長が見られるかどうかを検討したところ、Per2変異マウスのみがリチウムによる周期の延長がみられなかった。(３－４)同定したリン酸化部位の変異体を作製し、細胞リズムアッセイ系で、リン酸化部位がリチウム効果に対して必須であるかどうかを確認した。
(４)同定変異に基づく新規特異抗体及び気分障害モデルマウスの確立:PER2リン酸化変異ノックインマウス作製のためのターゲティングコンストラクトを作製、かつキメラマウスを得た。CreマウスとかけあわせてNeo遺伝子の欠失等を行い、解析に必要なマウスラインを確立した。

Strategy for Future Research Activity

(２)リン酸化GSK3beta(p-GSK3beta)の上流解析:上流解析のために、LH他うつモデルの前脳皮質等、脳内各部位のモノアミンを時間経過とともに定量する。コントロールとうつモデルで異なるものが見つかれば、その受容体にかかわるアゴニスト、アンタゴニストを用いて、p-GSK3betaの発現量解析及びリチウムによる概日リズムの変化を指標として検討する。
(３)p-GSK3betaの下流解析による病態シグナルパスウェイの解析:同定したPER2のGSK3betaによるリン酸化部位特異的抗体を作製する。これらの抗体を利用して、細胞生物学的解析により、核移行の変動を検討する。また、リン酸化によるタンパク質安定性の評価を生化学的に解析し、概日リズムの周期との関連を評価する。
(４) 同定変異に基づく新規特異抗体及び気分障害モデルマウスの確立:作製したPER2リン酸化変異ノックインマウスの行動解析を行うとともに、学習性無力やsocial defeat等のうつ様行動テストを施行し、他のマウスとの比較検討を行う。これらにより、PER2リン酸化変異ノックインマウスの気分障害モデルマウスとしての評価を検討する。
（５）ヒト症例の遺伝学的解析:気分障害の中でも、双極性障害及び睡眠覚醒障害の著明なケースを中心に症例を解析し、Per2S977変異を中心にヒト変異を探索する。
（６）本モデルマウスを用いた新規気分障害関連分子の探索:PER2リン酸化変異ノックインマウスの野生型との比較から、トランスクリプトームおよびプロテオーム解析を行うことにより、新規気分障害関連分子を探索する。

Research Products

• [Journal Article] FUS/TLS deficiency causes behavioral and pathological abnormalities distinct from amyotrophic lateral sclerosis. (2015)
  • Author(s): Kino, Y., Washizu, C., Kurosawa, M., Yamada, M., Miyazaki, H., Akagi, T., Hashikawa, T., Doi, H., Takumi, T., Hicks, G.G., Hattori, N., Shimogori, T., Nukina, N.
  • Journal Title: Acta Neuropathol. Commun. Volume: 25 Pages: 24
  • DOI: 0.1186/s40478-015-0202-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Clustering autism-using neuroanatomincal differences in 30 mouse models related to autism and gain insight into the heterogeneity of the disorder. (2015)
  • Author(s): Ellegood, J. et al.
  • Journal Title: Mol. Psychiatry Volume: 20 Pages: 118-125
  • DOI: 10.1038/mp.2014.98
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Consistency between the neuroanatomical and behavioural phenotype in the 15q11-13 duplication mouse model (2015)
  • Author(s): Ellegood, J. Nakai, N., Nakatani, J., Henkelman, R. M., Takumi, T. and Lerch, J.
  • Journal Title: Autism Res. Volume: in press Pages: in press
  • DOI: 10.1002/aur.1469
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Altered microglia in the amygdala are involved in anxiety-related behaviors of a copy number variation mouse model of autism. (2015)
  • Author(s): Shigemori, T., Sakai, A., Takumi, T., Itoh, Y. and Suzuki H.
  • Journal Title: J. Nippon Med. Sch. Volume: 82 Pages: 92-99
  • DOI: 10.1272/jnms.82.92
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Role for neonatal D-serine signaling: prevention of physiological and behavioral deficits in adult Pick1 knockout mice (2015)
  • Author(s): Nomura, J., Jaaro-Peled, H., Lewis, E., Nunez-Abades, P., Huppe-Gourgues, F., Cash-Padgett, T., Emiliani, F., Kondo, M. A., Furuya, A., Landek-Salgado, M. A., Ayhan, Y., Kamiya, A., Takumi, T., Huganir, R., Pletnikov, M., O’Donnell, P. and Sawa, A.
  • Journal Title: Mol. Psychiatry Volume: in press Pages: in press
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A novel protein, CHRONO, functions as a core component of the mammalian circadian clock (2014)
  • Author(s): Goriki, A., Hatanaka, F., Myung J., Kim, J., Yoritaka, T., Tanoue, S., Abe, T., Kiyonari, H., Fujimoto, K., Kato, Y., Todo, T., Matsubara, A., Forger, D. and Takumi, T.
  • Journal Title: PLoS Biol. Volume: 12 Pages: e1001839
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.1001839
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Genomic and Genetic Aspects of Autism Spectrum Disorder (2014)
  • Author(s): Liu, X. and Takumi, T.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 452 Pages: 244-253
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2014.08.108
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhanced synapse remodeling as a common phenotype in mouse models of autism (2014)
  • Author(s): Isshiki, M., Tanaka, S., Kuriu, T., Tabuchi, K., Takumi, T. and Okabe, S.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 5 Pages: 4742
  • DOI: 10.1038/ncomms5742
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Deficits in cerebellar plasticity and motor learning in a copy number variation mouse model of autism spectrum disorder. (2014)
  • Author(s): Pichon, C., Kloth, A. D., Grasselli, G., Titley, H. K., Nakayama, H., Hashimoto, K., Wan, V., Simmons, D. H., Eissa, T., Nakatani, J., Cherskov, A., Miyazaki, T., Watanabe, M., Takumi T., Kano, M., Wang S. S-H. and Hansel, C.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 5 Pages: 5586
  • DOI: 10.1038/ncomms6586
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] A novel protein, CHRONO, functions as a core component of the mammalian circadian clock (2014)
  • Author(s): Fumiyuki Hatanaka, Akihiro Goriki, Jihwan Myung, Jae Kyoung Kim, Katusmi Fujimoto, Yukio Kato, Ako Matsubara, Daniel Forger, Toru Takumi
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: Washington Conference Center, Washington DC, USA
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] Rhythm and blues in mammals (2014)
  • Author(s): Toru Takumi
  • Organizer: 1st IBRO/APRC Chandigarh Neuroscience School
  • Place of Presentation: Panjab University, Chandigarh, India
  • Year and Date: 2014-11-02 – 2014-11-08
  • Invited
• [Presentation] Plasticity in the suprachiasmatic nucleus lies in individual neurons (2014)
  • Author(s): Jihwan Myung, Toru Takumi
  • Organizer: 第３７回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Plasticity in spatial patterning of clock phases in the neuron of the mammalian circadian center (2014)
  • Author(s): Jihwan Myung and Toru Takumi
  • Organizer: Joint Annual Meeting of the Japanese Society for Mathematical Biology and the Society for Mathematical Biology
  • Place of Presentation: Osaka International Conference Center, Osaka
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
  • Invited
• [Presentation] Rhythms and blues in mice and cells (2014)
  • Author(s): Toru Takumi
  • Organizer: Symposium on “Sleep, circadian rhythms and psychiatric disorders”
  • Place of Presentation: Institute Pasteur, Paris, France
  • Year and Date: 2014-05-13
  • Invited