Dynamic regulation of neural circuit remodeling by scrap & build system

• Project Area: Dynamic regulation of brain function by Scrap & Build system
• Project/Area Number: 16H06456
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 榎本 和生 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (80300953)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小澤 岳昌 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40302806) ; 今井 猛 九州大学, 医学研究院, 教授 (70509851)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥241,800,000 (Direct Cost: ¥186,000,000、Indirect Cost: ¥55,800,000); Fiscal Year 2020: ¥45,240,000 (Direct Cost: ¥34,800,000、Indirect Cost: ¥10,440,000); Fiscal Year 2019: ¥45,760,000 (Direct Cost: ¥35,200,000、Indirect Cost: ¥10,560,000); Fiscal Year 2018: ¥45,240,000 (Direct Cost: ¥34,800,000、Indirect Cost: ¥10,440,000); Fiscal Year 2017: ¥45,110,000 (Direct Cost: ¥34,700,000、Indirect Cost: ¥10,410,000); Fiscal Year 2016: ¥60,450,000 (Direct Cost: ¥46,500,000、Indirect Cost: ¥13,950,000)
• Keywords: 樹状突起 / 軸索 / シナプス / 除去 / 再編 / ショウジョウバエ / 変態 / 回路再編 / 刈り込み / マイクロRNA / 再生 / 受容領域 / 神経突起 / ニューロン / カルシウム / コンパートメント / 区画化 / カルシウムシグナル

Outline of Annual Research Achievements

ショウジョウバエ感覚ニューロンを解析モデルとして、ニューロンが神経突起やシナプスをコンパートメント化して選択的に除去するメカニズムを明らかにすることを目的としている。２０１８年度は、除去から再生を開始する制御メカニズムに着目して研究を進めた。ゲノムワイドスクリーニングから、樹状突起の再生を促進するマイクロRNAを同定した。このRNAを遺伝子欠損するニューロンは、樹状突起再生に重篤な異常を示す。このマイクロRNAの発現レベルを感知するレポーターを作成し調べたところ、このマイクロRNAは通常は低い発現状態であるが、樹状突起の刈り込みが終了する時期に発現上昇してくることを見出し、人為的にマイクロRNAを高発現させると、再生が早まることを示した。さらに、このマイクロRNAの標的遺伝子として、転写抑制因子であるトラムトラックを同定した。以上の結果から、我々が同定したマイクロRNAは、ニューロンの転写抑制を解除することにより、樹状突起再生を促すことが示唆された。これに並行して、変態期のニューロンの中には、シナプスをコンパートメント化して除去するものがあることを見出し、その制御メカニズムについても解析している。これまでのところ、シナプス除去と神経突起除去に関わる仕組みの中で、貪食細胞の関与などは共通しているが、それ以外のシグナル伝達経路などは異なることがわかってきた。現在、RNAseqデータに基づくRNAスクリーニングが進行中であり、分子メカニズムの解明を目指している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

除去から再生への遷移を制御する時間制御メカニズムの一端として、マイクロRNAを世界に先駆けて同定することに成功した。また、シナプスのコンパートメント化を可視化および操作できる実験系の構築に成功し、今後の遺伝子スクリーニングを可能とした。

Strategy for Future Research Activity

樹状突起コンパートメント化とカルシウム振動のパターンを規定する因子群の同定を目指す。また、RNAseqデータに基づくRNAスクリーニングにより、分子メカニズムの解明を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ワシントン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学/スクリプス研究所/ワシントン大学(アメリカ合衆国)
• [Journal Article] Prior activity of olfactory receptor neurons is required for proper sensory processing and behavior in Drosophila larvae. (2018)
  • Author(s): Utashiro N, Williams CR, Parrish JZ, Emoto K.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 5 Pages: 8580-8580
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26825-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neural circuitry that evokes escape behavior in response to nociceptive stimuli in Drosophila larvae. (2017)
  • Author(s): Yoshino J, Morikawa R, Hasegawa E, Emoto K
  • Journal Title: Curr Biol Volume: 27 Pages: 2499-2504
  • DOI: 10.1016/j.cub.2017.06.068
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DCLK1 phosphorylates the microtubule-associate protein MAP7D1 to promote axonal elongation in cortical neurons. (2017)
  • Author(s): Koizumi H, Fujioka H, Togashi K, Thompson J, Yate J, Gleeson J and Emoto K
  • Journal Title: Dev Neurobiol Volume: 77 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1002/dneu.22428
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Calcium control of neural development and remodeling (2018)
  • Author(s): Kazuo Emoto
  • Organizer: CSHA Neuroscience Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Calcium signaling in spatio-temporal regulation of neuronal development and remodeling (2017)
  • Author(s): Kazuo Emoto
  • Organizer: Annual Meeting of European Developmental Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Calcium signaling in spatio-temporal regulation of neuronal development and remodeling (2017)
  • Author(s): Kazuo Emoto
  • Organizer: The 48th NIPS international Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neuronal basis for emotion in invertebrates (2017)
  • Author(s): Kazuo Emoto
  • Organizer: Invited seminar series in Department of Biology at University of British Columbia
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Funded Workshop] CSHA Neuroscience Meeting (2018)