Visualization and photomanipulation of migrating neuronal cells and surrounded field during the formation of brain tissue

• Project Area: Interplay of developmental clock and extracellular environment in brain formation
• Project/Area Number: 16H06487
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 松田 知己 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (50419206)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥84,760,000 (Direct Cost: ¥65,200,000、Indirect Cost: ¥19,560,000); Fiscal Year 2020: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2019: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2018: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2017: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2016: ¥26,520,000 (Direct Cost: ¥20,400,000、Indirect Cost: ¥6,120,000)
• Keywords: ライブイメージング / 蛍光タンパク質 / 化学発光 / 細胞動態 / 生物発光

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、場（細胞外環境）と神経細胞の連携という新たな視点で脳発生時間の制御機構を解明することを目的とした本新学術領域研究の発展に不可欠な、神経細胞のダイナミックな移動に伴う分子・細胞機能の変化を捉えるライブイメージングツールの開発を行なった。
研究グループの着想に基づいて、化学発光Mg2+センサーを開発した。本センサーは、中心体タンパク質セントリン3のMg2+センシングドメインを黄色蛍光タンパク質Venusの円順列変異体と化学発光タンパク質NanoLucで挟んだドメイン構成で、Mg2+濃度上昇に伴って長波長にスペクトルシフトを起こす。本研究成果はSensors誌にて発表した。
領域研究者同士の情報交換から着想を得た開発として、計画班仲嶋班と共同でN-カドヘリンを介した細胞間相互作用を可視化するセンサーの開発を進めてきた。二量体形成により蛍光発光するβバレル型蛍光タンパク質のペア（ddGFP）を用いた本センサーのシグナル/バックグラウンド比は、蛍光タンパク質間のFRETを利用した既存のセンサーに比べて70倍程度大きいことを示した。また、計画班永樂班と共同で、多細胞からなるオルガノイド内での２光子顕微鏡観察下で、細胞間N-カドヘリン相互作用を可視化できることを示した。以上の研究成果は論文投稿済みで、査読コメントへの対応を行なっている段階にある。
N-カドヘリン相互作用センサー開発の経験を生かして、神経回路構築・シナプス形成に重要な役割を果たすプロトカドヘリンについて、同一神経細胞由来の神経突起間での相互作用の可視化を目指したFRETセンサーの開発を行い、Scientific Reports誌にて発表した。
さらに、メカニカルストレス応答分子YAPのリン酸化状態を可視化するプローブのプロトタイプを作製し、計画班影山班、公募班佐々木班に評価を依頼している。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of FRET-based indicators for visualizing homophilic trans interaction of a clustered protocadherin (2021)
  • Author(s): Kanadome Takashi、Hoshino Natsumi、Nagai Takeharu、Matsuda Tomoki、Yagi Takeshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Pages: 22237-22237
  • DOI: 10.1038/s41598-021-01481-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bioluminescent Ratiometric Indicator for Analysis of Water Hardness in Household Water (2020)
  • Author(s): Hossain Md Nadim、Ishida Ryuichi、Hattori Mitsuru、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Sensors Volume: 20 Pages: 3164-3164
  • DOI: 10.3390/s20113164
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 多色の光増感蛍光タンパク質を用いた複数機能の個別破壊 (2020)
  • Author(s): 松田知己、永井健治
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 4 Pages: 61-65
  • NAID: 40022457168
• [Journal Article] 光増感蛍光タンパク質を用いた多色機能破壊 (2020)
  • Author(s): 松田 知己、永井 健治
  • Journal Title: 月刊 細胞 Volume: 52 Pages: 93-96
• [Journal Article] Hierarchical Development of Motile Polarity in Durotactic Cells Just Crossing an Elasticity Boundary (2020)
  • Author(s): Thasaneeya Kuboki, Hiroyuki Ebata, Tomoki Matsuda, Yoshiyuki Arai, Takeharu Nagai, Satoru Kidoaki
  • Journal Title: Cell Struct. Funct. Volume: 45 Issue: 1 Pages: 33-43
  • DOI: 10.1247/csf.19040
  • NAID: 130007801487
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visible-wavelength two-photon excitation microscopy with multifocus scanning for volumetric live-cell imaging (2019)
  • Author(s): Ryosuke Oketani, Haruka Suda, Kumiko Uegaki, Toshiki Kubo, Tomoki Matsuda, Masahito Yamanaka, Yoshiyuki Arai, Nicholas I. Smith, Takeharu Nagai, Katsumasa Fujita
  • Journal Title: Journal of Biomedical Optics Volume: 25 Pages: 014502-014502
  • DOI: 10.1117/1.jbo.25.1.014502
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Acid-Tolerant Reversibly Switchable Green Fluorescent Protein for Super-resolution Imaging under Acidic Conditions (2019)
  • Author(s): Shinoda Hajime、Lu Kai、Nakashima Ryosuke、Wazawa Tetsuichi、Noguchi Kosuke、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Cell Chemical Biology Volume: 26
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2019.07.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genetically encoded fluorescence/bioluminescence bimodal indicators for Ca2+ imaging (2019)
  • Author(s): Israt Farhana, Md Nadim Hossain, Kazushi Suzuki,Tomoki Matsuda, Takeharu Nagai
  • Journal Title: ACS Sensors Volume: 4 Pages: 1825-1834
  • DOI: 10.1021/acssensors.9b00531
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bioluminescent Low-Affinity Ca2+ Indicator for ER with Multicolor Calcium Imaging in Single Living Cells (2018)
  • Author(s): Hossain Md Nadim、Suzuki Kazushi、Iwano Megumi、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: 13 Pages: 1862-1871
  • DOI: 10.1021/acschembio.7b01014
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Green monomeric photosensitizing fluorescent protein for photo-inducible protein inactivation and cell ablation (2018)
  • Author(s): Riani Yemima Dani、Matsuda Tomoki、Takemoto Kiwamu、Nagai Takeharu
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 16 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1186/s12915-018-0514-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An improved inverse-type Ca2+ indicator can detect putative neuronal inhibition in Caenorhabditis elegans by increasing signal intensity upon Ca2+ decrease (2018)
  • Author(s): Hara-Kuge Sayuri、Nishihara Tomonobu、Matsuda Tomoki、Kitazono Tomohiro、Teramoto Takayuki、Nagai Takeharu、Ishihara Takeshi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0194707
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Uninterrupted monitoring of drug effects in human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes with bioluminescence Ca2+ microscopy (2018)
  • Author(s): Suzuki Kazushi、Onishi Takahito、Nakada Chieko、Takei Shunsuke、Daniels Matthew J.、Nakano Masahiro、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: BMC Research Notes Volume: 11 Pages: 313-313
  • DOI: 10.1186/s13104-018-3421-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spontaneously Blinking Fluorescent Protein for Simple Single Laser Super-Resolution Live Cell Imaging (2018)
  • Author(s): Arai Yoshiyuki、Takauchi Hiroki、Ogami Yuhei、Fujiwara Satsuki、Nakano Masahiro、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: ACS Chemical Biology Volume: 13 Pages: 1938-1943
  • DOI: 10.1021/acschembio.8b00200
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Acid-Tolerant Monomeric GFP from Olindias formosa (2018)
  • Author(s): Shinoda Hajime、Ma Yuanqing、Nakashima Ryosuke、Sakurai Keisuke、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Cell Chemical Biology Volume: 25
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2017.12.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Transient Rise in Free Mg 2+ Ions Released from ATP-Mg Hydrolysis Contributes to Mitotic Chromosome Condensation (2018)
  • Author(s): Maeshima Kazuhiro、Matsuda Tomoki、Shindo Yutaka、Imamura Hiromi、Tamura Sachiko、Imai Ryosuke、Kawakami Syoji、Nagashima Ryosuke、Soga Tomoyoshi、Noji Hiroyuki、Oka Kotaro、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Current Biology Volume: 28 Pages: 444-451
  • DOI: 10.1016/j.cub.2017.12.035
  • NAID: 120006380520
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Methods for monitoring signaling molecules in cellular compartments (2017)
  • Author(s): Agetsuma Masakazu、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Cell Calcium Volume: 64 Pages: 12-19
  • DOI: 10.1016/j.ceca.2016.12.002
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of fluorescent indicators for visualization of N-cadherin interaction across cells (2022)
  • Author(s): Tomoki Matsuda
  • Organizer: The International Symposium on Development and Plasticity of Neural Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ライブイメージング・操作のための高機能蛍光タンパク質の開発 (2021)
  • Author(s): 松田 知己、永井 健治
  • Organizer: レーザー学会 学術講演会 第41回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 蛍光タンパク質の基本的性質と多角的な利用 / X-Light V2を用いたSRRF超解像イメージング (2021)
  • Author(s): 松田知己
  • Organizer: Imaging Bootcamp, 北海道大学大学院医学研究院 細胞生理学教室 主催、文部科学省科学研究費助成事業学術変革領域研究(A)「物質共生」共済
  • Invited
• [Presentation] Acid-resistant Reversibly Switchable Green Fluorescent Protein for Super-resolution Imaging in Acidic Environments (2019)
  • Author(s): Hajime Shinoda, Ryosuke Nakashima, Tetsuichi Wazawa, Kosuke Noguchi, Tomoki Matsuda, Takeharu Nagai
  • Organizer: Focus on Microscope, London, United Kigdom
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光刺激によりタンパク質機能阻害・細胞死を誘導する単量体光増感緑色蛍光タンパク質 (2019)
  • Author(s): Yemima Dani Riani, 松田 知己, 竹本 研, 永井 健治
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会 第71回日本細胞生物学会大会 合同年次大会, 神戸国際会議場
• [Presentation] Monomeric green fluorescent protein based photosensitizer for photo-inducible protein inactivation and cell death (2019)
  • Author(s): Tomoki Matsuda, Yemima Dani Riani, Kiwamu Takemoto, Takeharu Nagai
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎県・シーガイアコンベンションセンター
• [Presentation] Acid-tolerant Reversibly Switchable Green Fluorescent Protein for Super-resolution Imaging in Acidic Conditions (2019)
  • Author(s): Hajime Shinoda, Kai Lu, Ryosuke Nakashima, Tetsuichi Wazawa, Kosuke Noguchi, Tomoki Matsuda, Takaharu Nagai
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎県・シーガイアコンベンションセンター
• [Presentation] Fluorescent Ca2+ indicators for multiplexed super-resolution imaging at nanoscopic cellular domain (2019)
  • Author(s): Kai Lu, Tomoki Matsuda, Tetsuichi Wazawa, Takeharu Nagai
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎県・シーガイアコンベンションセンター
• [Presentation] Photosensitizing green fluorescent protein for photo-inducible protein inactivation and cell death Presenter (2019)
  • Author(s): Tomoki Matsuda, Yemima Dani Riani, Kiwamu Takemoto, Takeharu Nagai
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会, 福岡国際会議場
• [Presentation] A bimodal bioluminescent Ca2+ indicator toward spatiotemporally-scalable imaging (2019)
  • Author(s): Tomoki Matsuda, Israt Farhana, Kazhshi Suzuki and Takeharu Nagai
  • Organizer: SPIE. PHOTONICS WEST BIOS, The Moscone Center San Francisco, United States
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bimodal Ca2+ indicator toward spatiotemporally-scalable imaging (2018)
  • Author(s): Israt Farhana, Kazushi Suzuki, Tomoki Matsuda, Takeharu Nagai
  • Organizer: 生理学研究所研究会, 生理学研究所
• [Presentation] Fluorescent and Bioluminescent Protein Based Probes for Visualization of Biological events (2018)
  • Author(s): Tomoki Matsuda
  • Organizer: 24th iCeMS International Symposium, iCeMS Kyoto University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 蛍光タンパク質とハサミは使いよう (2018)
  • Author(s): 松田 知己
  • Organizer: 日本化学会生体機能関連化学部会若手の会, ANA ホリデイ・イン リゾート 宮崎
  • Invited
• [Presentation] ライブイメージングツール開発のための蛍光・生物発光蛋白質工学 (2018)
  • Author(s): 松田 知己
  • Organizer: 第18回 日本蛋白質科学会年会, 朱鷺メッセ
• [Presentation] 光スイッチング Ca2+指示薬 -超解像機能イメージングを目指して- (2017)
  • Author(s): 松田 知己、藤原 沙都姫、永井 健治
  • Organizer: 生理学研究所研究会「シグナル動態の可視化と操作に基づく多階層機能解析の新展開」, 生理学研究所
• [Presentation] 酸性オルガネラ内機能イメージングのための、耐酸性GFP の開発 (2017)
  • Author(s): 篠田 肇、Yuanqing Ma、中島 良介、櫻井 啓介、松田 知己、永井 健治
  • Organizer: 生理学研究所研究会「シグナル動態の可視化と操作に基づく多階層機能解析の新展開」, 生理学研究所
• [Presentation] Development of chemiluminescent low affinity Ca2+ indicators applicable to analyzing Ca2+ dynamics in endoplasmic reticulum (2017)
  • Author(s): Nadim H、鈴木 和志、岩野 恵、松田 知己、永井 健治
  • Organizer: 生理学研究所研究会「シグナル動態の可視化と操作に基づく多階層機能解析の新展開」, 生理学研究所
• [Presentation] ハナガサクラゲ由来の耐酸性・単量体型GFP (2017)
  • Author(s): 篠田 肇、Ma Yuanqing、中島 良介、櫻井 啓介、松田 知己、永井 健治
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会, 熊本大学
• [Presentation] Multicolor Bioluminescent Calcium Imaging Across Three Orders of [Ca2+] Magnitude in Single Living Cells (2017)
  • Author(s): Nadim H, Suzuki K, Iwano M, Matsuda T, Nagai T.
  • Organizer: 20th International Symposium on Calcium Binding Proteins and Calcium Function in Health and Disease, Awaji Yumebutai
• [Presentation] Fluorescent/Bioluminescent Protein-Based Ca2+ Probes and Photo Manipulation for Imaging of Physiological Functions (2017)
  • Author(s): Matsuda T, Nagai T.
  • Organizer: 20th International Symposium on Calcium Binding Proteins and Calcium Function in Health and Disease, Awaji Yumebutai
  • Invited
• [Presentation] 生理機能イメージングのための蛍光・発光タンパク質を用いたCa2+プローブと光操作 (2017)
  • Author(s): 松田 知己、永井 健治
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会, 神戸ポートアイランド
• [Presentation] Development of Chemiluminescent Ca2+ Indicators with Expanded Dynamic Range (2016)
  • Author(s): Mai Ashitani, Kazushi Suzuki, Tomoki Matsuda and Takeharu Nagai
  • Organizer: The 20th ISIR International Symposium “Molecular Technology Frontiers towards IoT World”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Acid resistant monomeric GFP derived from Olindias formosa (2016)
  • Author(s): Hajime Shinoda , Yuanqing Ma, Ryosuke Nakashima, Keisuke Sakurai, Akihito Yamaguchi, Tomoki Matsuda, Takeharu Nagai
  • Organizer: The 20th ISIR International Symposium “Molecular Technology Frontiers towards IoT World”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Bioluminescent Low Affinity Ca2+ Indicators Applicable to Analysis of Ca2+ Dynamics in Endoplasmic Reticulum (2016)
  • Author(s): Nadim Hossain, Kazushi Suzuki, Megumi Iwano, Tomoki Matsuda and Takeharu Nagai
  • Organizer: The 20th ISIR International Symposium “Molecular Technology Frontiers towards IoT World”
  • Int'l Joint Research
• [Book] 先端の分析法 第2版 / 永井 健治, 松田 知己, 鈴木 和志, 篠田 肇, タンパク質プローブ, pp.317-323 (2022)
  • Author(s): 澤田 嗣郎、小澤 岳昌、北森 武彦、中村 洋（東京理科大学名誉教授）、藤浪 眞紀、宮村 一夫、石丸 洋一郎、浦野 泰照、加地 範匡、坂 真智子、鈴木 茂、瀬藤 光利、宗林 由樹、馬場 嘉信、船津 公人、本田 暁紀、末永 智一、宮野 博、本山 晃
  • Total Pages: 1072
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860437374
• [Book] Live Cell Imaging / Mitsuru Hattori, Tomoki MatsudaTakeharu Nagai, Method for Detecting Emission Spectral Change of Bioluminescent Ratiometric Indicators by a Smartphone, Chapter 25, pp295～304 (2021)
  • Author(s): Editor: Sung-Bae Kim
  • Total Pages: 447
  • Publisher: Humana, New York, NY
  • ISBN: 9781071612576
• [Book] Advances in Experimental Medicine and Biology, Optogenetics / Yemima Dani Riani, Tomoki Matsuda, Takeharu Nagai, Genetically Encoded Photosensitizer for Destruction of Protein or Cell Function, pp 265～279 (2021)
  • Author(s): Editors: Hiromu Yawo, Hideki Kandori, Amane Koizumi, Ryoichiro Kageyama
  • Total Pages: 663
  • Publisher: Springer, Singapore
  • ISBN: 9789811587627
• [Book] Methods in Molecular Biology, Multiplexed Imaging / Kazushi Suzuki, Md Nadim Hossain, Tomoki Matsuda, Takeharu Nagai, Multicolor Bioluminescence Imaging of Subcellular Structures and Multicolor Calcium Imaging in Single Living Cells, pp 229～237 (2021)
  • Author(s): Editor: Eli Zamir
  • Total Pages: 343
  • Publisher: Humana, New York, NY
  • ISBN: 9781071615928
• [Remarks] 耐酸性・単量体型緑色蛍光タンパク質Gamillusの開発
  • URL: https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/bse/fluorescentprotein.html
• [Remarks] 発光・蛍光タンパク質プローブの開発 耐酸性・単量体型緑色蛍光タンパク質Gamillusの開発
  • URL: https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/bse/research_101205_1.html
• [Remarks] 発光・蛍光タンパク質プローブの開発 耐酸性・単量体型緑色蛍光タンパク質Gamillusの開発
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/bse/research_101205_1.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 蛍光タンパク質 (2018)
  • Inventor(s): 永井健治、篠田肇、松田知己、マ ユアンキン
  • Industrial Property Rights Holder: 永井健治、篠田肇、松田知己、マ ユアンキン
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018
  • Acquisition Date: 2021
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 蛍光タンパク質 (2018)
  • Inventor(s): 永井健治、篠田肇、松田知己、マ ユアンキン
  • Industrial Property Rights Holder: 永井健治、篠田肇、松田知己、マ ユアンキン
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018
  • Acquisition Date: 2020