Decoding of time-dependent structural changes in microglia and intervening in biological functions

• Project Area: Glia decoding: deciphering information critical for brain-body interactions
• Project/Area Number: 20H05897
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: National Center of Neurology and Psychiatry (2024); The University of Tokyo (2020-2023)
• Principal Investigator: 小山 隆太 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 疾病研究第二部, 部長 (90431890)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥114,010,000 (Direct Cost: ¥87,700,000、Indirect Cost: ¥26,310,000); Fiscal Year 2024: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000); Fiscal Year 2023: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000); Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000); Fiscal Year 2021: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000); Fiscal Year 2020: ¥63,700,000 (Direct Cost: ¥49,000,000、Indirect Cost: ¥14,700,000)
• Keywords: ミクログリア / アストログリア / 細胞相互作用 / シナプス / 貪食 / ライブイメージング / ネットワーク / シナプス貪食 / アストロサイト / トリパータイトシナプス / 4者間シナプス / ミクログリアルネットワーク

Outline of Research at the Start

本研究は、脳内の複数の機能要素（神経回路、グリア、血管など）の統合メカニズムを探索し、末梢臓器や全身レベルでの応答と関連付けることで領域全体の推進と当該学問分野の変革を目指す。また、特に、脳機能の要となる神経回路の形成・成熟におけるミクログリア・アストログリア・神経細胞間の相互作用によって生じる、ミクログリアの細胞構造変化・細胞内シグナリング変化・遺伝子発現変化を3つの主要な情報としてデコーディングする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、前年度までに部分的に明らかになった、ミクログリアによるシナプス貪食における、シナプス部位におけるカスパーゼ活性の関与を詳細に検討した。神経細胞におけるカスパーゼの活性化は、細胞死の誘導だけではなく、神経新生やシナプス活動の制御といった多様な機能を有する。近年では、シナプスにおける局所的なカスパーゼの活性化と、ミクログリアによる貪食に重要な補体のタグ付けとの関連が示唆されている。しかしながら、シナプスにおけるアポトーシスの誘導メカニズムや、シナプスにおけるアポトーシスがミクログリアによるシナプス貪食を制御するかは不明である。本年度では、神経活動依存的なカスパーゼの活性化がミクログリアによるシナプス貪食を促進することを見出した。ミクログリアによるシナプス貪食を高解像度でライブイメージングする系の構築により、補体が軸索の中でもシナプスだけを選択的にタグ付けし、ミクログリアが軸索をちぎることなくシナプスの一部のみを貪食することが明らかになった。さらに、神経活動依存的なシナプス部位でのカスパーゼの活性化をリアルタイムで捉えるとともに、光遺伝学的に誘導したシナプスにおけるカスパーゼの活性化が補体によるシナプスのタグ付けおよびマイクログリアによる貪食に十分であることを示した。最後に、熱性けいれんモデルマウスでは、抑制性シナプスにおける活動依存的なアポトーシスとマイクログリアにおける補体経路の活性化が生じる結果、マイクログリアが抑制性シナプスを貪食し、けいれん発作の感受性が増大した。本研究により、カスパーゼと補体が協調してミクログリアによる特定のシナプスの除去を制御することで、神経回路の再編成に関与することが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当該年度は、ミクログリアによるシナプス貪食のメカニズムについて、論文投稿に足る一通りのデータを獲得することに成功した。また、前年度の推進方策として、これまでのグリア神経培養系をさらに三次元化し、より生体内の細胞構造に近い培養系の確立を目指すことを掲げた。それは、これにより、各種脳細胞（ミクログリア・アストログリア・ニューロン）の相互作用における分子メカニズムの、より詳細かつ正確な理解につながることが期待されるためであった。本年度は、本培養法の一定の確立に成功した。すなわち、スフェロイド型のGlioneuronal unit（GNU）培養系と名付けた系を作成し、GNUにおける、シナプス構造、ミクログリア構造、そしてアストログリア構造が生体内の各構造と非常に近似していることを確認した。また、シナプスとグリアの相互作用のライブイメージングにも成功した。ただし、ライブイメージング中の微小構造操作や各種細胞に生じる変化（遺伝子発現・細胞内シグナリング）の検証にはさらなる方法論的検討が必要である。

Strategy for Future Research Activity

まず、ミクログリアによるシナプス貪食のメカニズムについての論文報告を目指す。次に、構造的にはin vivoの状態を良く反映したGNU培養系における、グリアやシナプスの「操作」の手法の確立を目指す。すなわち、グリア細胞（ミクログリアとアストログリアの両者を含む）とシナプスの新しい相互作用形式に関して、そのメカニズムを明らかにするための研究手法の確立に重点を置く。そのために、光遺伝学的手法やケージド化合物の利用により、ライブイメージング中にシナプスやグリア突起などの微小構造の機能や形態を調節することを試みる。以上の様な細胞機能や構造の操作によって、シナプス可塑性の変化や、グリア細胞に生じる変化（遺伝子発現・細胞内シグナリングなど）を検証する。細胞内シグナリングとしては、新しい指標としてグリア細胞突起内やシナプス内の温度の変化にも着目する。

Research Products

• [Journal Article] Microglia and GABA, Diverse functions of microglia beyond GABA-receiving cells.   (2023)
  • Author(s): Andoh M, and Koyama R
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 187 Pages: 52-57
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.09.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Replacement of Mouse Microglia With Human Induced Pluripotent Stem Cell (hiPSC)-Derived Microglia in Mouse Organotypic Slice Cultures (2022)
  • Author(s): Ogaki Ari、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 16 Pages: 918442-918442
  • DOI: 10.3389/fncel.2022.918442
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermosensitive receptors in neural stem cells link stress-induced hyperthermia to impaired neurogenesis via microglial engulfment (2021)
  • Author(s): Hoshi Yutaka、Shibasaki Koji、Gailly Philippe、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 48
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj8080
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparative Review of Microglia and Monocytes in CNS Phagocytosis (2021)
  • Author(s): Andoh Megumi、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Cells Volume: 10 Issue: 10 Pages: 2555-2555
  • DOI: 10.3390/cells10102555
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Extracellular Vesicles Taken up by Astrocytes (2021)
  • Author(s): Ogaki Ari、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 19 Pages: 10553-10553
  • DOI: 10.3390/ijms221910553
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phagocytic Glial Cells in Brain Homeostasis (2021)
  • Author(s): Kono Rena、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Cells Volume: 10 Issue: 6 Pages: 1348-1348
  • DOI: 10.3390/cells10061348
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Assessing microglial dynamics by live imaging (2021)
  • Author(s): Andoh M, Koyama R.
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: - Pages: 605-605
  • DOI: 10.3389/fimmu.2021.617564
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microglia regulate synaptic development and plasticity (2021)
  • Author(s): Andoh M, Koyama R.
  • Journal Title: Developmental Neurobiology Volume: - Issue: 5 Pages: 568-590
  • DOI: 10.1002/dneu.22814
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Astrocytic cAMP modulates memory via synaptic plasticity (2021)
  • Author(s): Zhou Zhiwen、Okamoto Kazuki、Onodera Junya、Hiragi Toshimitsu、Andoh Megumi、Ikawa Masahito、Tanaka Kenji F.、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 3 Pages: 2016584118-2016584118
  • DOI: 10.1073/pnas.2016584118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] リア神経ユニットにおける細胞間相互作用解析と脳腫瘍研究への応用 (2023)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 脳腫瘍とてんかんWEBセミナー
  • Invited
• [Presentation] Glioneuronal unitにおける細胞間相互作用の可視化とメカニズム解析 (2023)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: EVIDENT CREATIVE FORUM 2023
  • Invited
• [Presentation] グリア神経ユニットにおける細胞間相互作用解析と脳腫瘍研究への応用 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第40回日本脳腫瘍学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 熱性けいれんによるシナプスE/Iバランス破綻へのマイクログリアの関与 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第5回小児てんかん丸太会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] グリア・神経相互作用の多角的研究 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第45回星薬科大学大学院研究科助手会
  • Invited
• [Presentation] Glioneuronal unitにおけるグリアの役割 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 医学研セミナー
  • Invited
• [Presentation] グリア神経複合体におけるマイクログリアの役割の解明 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第44回神経組織培養研究会
  • Invited
• [Presentation] グリア・神経複合体におけるマイクログリアの多様な機能 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: Neuro 2022
  • Invited
• [Presentation] グリア・神経複合体のライブイメージング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: Neuro 2022
  • Invited
• [Presentation] Diverse function of microglia in glioneuronal unit (2022)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: Heterogeneity of Glial Functions in Development and Disease
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local apoptosis promotes complement tagging of synapses for microglial phagocytosis (2022)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: ISN-APSN 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optogenetic manipulation of astrocytic cAMP to modulate memory (2022)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: 8th Mediterranean Neuroscience Society Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳内のグリア細胞によるシナプス制御機構の研究 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第2回日本医学会連合 Rising Starリトリート
• [Presentation] TRPV4による成体脳神経新生調節へのマイクログリアの関与 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] 小児期の赤血球貪食によるマイクログリアのヘテロ性の創出 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] グリア神経ユニットにおける細胞間相互作用のイメージング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第65回シンポジウム
• [Presentation] 貪食に伴って変化するミクログリア情報のデコーディング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第64回日本小児神経学会学術集会
• [Presentation] てんかん原性におけるグリア細胞の関与 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第63回京奈良滋賀てんかん懇話会
  • Invited
• [Presentation] Functional morphology of microglia and beyond (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: Neuro Global Online Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Local apoptosis promotes complement tagging of highly-active synapses for microglial phagocytosis (2022)
  • Author(s): 安藤めぐみ、小山隆太
  • Organizer: 第95回日本生理学会
  • Invited
• [Presentation] 貪食に伴って変化するミクログリア情報のデコーディング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第95回日本薬理学会
  • Invited
• [Presentation] グリアを使って病気を治す (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第95回日本薬理学会・市民公開講座
  • Invited
• [Presentation] マイクログリア形態とその機能 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 大阪大学・ニコンイメージングセンター シリーズセミナー
  • Invited
• [Presentation] 形態から読み出すミクログリア機能 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第3回形態解析ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] マイクログリアが持つ情報の読み出し (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 脳科学若手の会
  • Invited
• [Presentation] てんかん脳におけるシナプス変性とマイクログリア (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第41回三重てんかん研究会
  • Invited
• [Presentation] てんかん原性獲得におけるマイクログリア依存的なシナプス除去機構 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第45回日本てんかん外科学会
  • Invited
• [Presentation] The role of erythrophagocytosis by microglia in brain development (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] 外因性微粒子の脳内動態におけるマイクログリアの関与機構の解明 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第94回日本生化学大会
  • Invited
• [Presentation] 発達期海馬のミクログリアによる抑制性シナプス貪食とてんかん原性の獲得 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第54回日本てんかん学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] マイクログリアによる抑制性シナプス特異的な貪食とてんかん原性の獲得 (2021)
  • Author(s): 安藤めぐみ、小山隆太
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] 神経回路形成におけるマイクログリアの役割 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第74回日本小児神経学会関東地方会
  • Invited
• [Presentation] てんかんとグリア (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第15回てんかん学研修セミナー
  • Invited