Mechanism of generating cell assembly

• Project/Area Number: 18H04016
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 46:Neuroscience and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 八木 健 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (10241241)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥44,590,000 (Direct Cost: ¥34,300,000、Indirect Cost: ¥10,290,000); Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2021: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2020: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2019: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2018: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
• Keywords: クラスター型プロトカドヘリン / シナプス / セルアセンブリ / 記憶 / 神経回路 / 神経細胞 / エピジェネティクス / 遺伝子発現 / 短期記憶 / 細胞系譜 / 細胞接着 / 神経活動 / カドヘリン / プロトカドヘリン / 脳幹網様体 / 神経ネットワーク / セル・アセンブリ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、cPcdh遺伝子群の個々の神経細胞でのランダム発現と神経回路形成のメカニズムを捉え、操作することにより、セルアセンブリ形成のメカニズムを明らかにすることである。本年度は、以下の項目で研究成果を上げることができた。１）cPcdh遺伝子発現を可視化したノックインマウスの作製に成功し、アイソフォーム特異的なランダム発現を確認した。その結果、個体ごとに発現パターンの違いが認められ、左右対称な発現は確認できなかった。また、β3-Tomatoノックインマウスにおいてβ3-Tomato発現細胞特異的な回路について解析することができた。さらに、CreER2Tノックインマウスの作製に成功し、タモキシフェン依存的にcPcdh発現を制御することに成功した。
２）大脳皮質では、同一細胞系譜の神経細胞における回路形成、神経活動パターンの類似性が報告されている。iPS細胞キメラマウスを用いることにより、同一細胞系譜での神経細胞の分布と、cPcdh遺伝子発現細胞との関係を、単一細胞遺伝子発現解析をRamDA-seq法を用いて解析した。その結果、細胞系譜依存的に発現パターンの一致が認められた。
３）Pcdhαの多様性減少マウスでは、短期記憶の異常が認められている。このマウスを用いて新規環境下における神経活動をc-fos発現を用いて解析した。その結果、前頭前野領域での発現パターンの異常が認められた。
４）cPcdhホモフィリック結合をFRETを用いて可視化する方法を確立することに成功した。その結果、cPcdhホモフィリック結合が細胞外カルシウムにより変化することを明らかにすることができた。また、このFRETプローブを用いて海馬神経細胞におけるホモフィリック相互作用の解析を開始することができた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

１）cPcdh遺伝子発現を可視化したノックインマウス系統の作製に成功している。β3-Tomatoノックインマウスにおいてβ3-Tomato発現細胞特異的な回路について解析することができた。また、CreER2Tノックインマウスの作製に成功して、発現変化や特異的回路形成へのアプローチが可能となった。
２）iPS細胞キメラマウスを用いて同一細胞系譜におけるcPcdh遺伝子発現の関係を、単一細胞遺伝子発現解析をRamDA-seq法を用いて解析できた。その結果、細胞系譜依存的に発現パターンの一致を明らかにした。
３）短期記憶の異常が認められているPcdhαの多様性減少マウスの新規環境下における神経活動を解析し、前頭前野領域での発現パターンの異常を明らかにした。
４）cPcdhホモフィリック結合をFRETを用いて可視化する方法を確立することに成功した。

Strategy for Future Research Activity

１）cPcdh遺伝子発現を可視化したノックインマウスを用いて、発現変化や特異的回路形成へのアプローチを行う。また、ノックインマウスを用いて記憶をコードしているセルアセンブリをin vivi Caイメージング法により捉え、cPcdhアイソフォーム発現細胞とセルアセンブリとの関係を解析する。
２）短期記憶の異常が認められているPcdhαの多様性減少マウスの新規環境下における神経活動を解析し、前頭前野領域での発現パターンの異常を明らかにすることができた。今後は、この神経活動の異常と短期記憶の異常との関係を明らかにする。
３）cPcdhホモフィリック結合をFRETを用いて可視化するマウスを作製し、cPcdhホモフィリック相互作用の役割を、シナプス形成、自己忌避活性において明らかにする。
４）cPcdh特異的発現するアデノ随伴ウイルスを作製し、海馬及び大脳皮質における神経細胞に特異的に発現させ、cPcdhアイソフォーム発現と回路形成、セルアセンブリ形成への役割を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Mount Sinai(米国)
• [Int'l Joint Research] Icahn School of Medicine at Mount Sinai/Cincinnati Children's Hospital(米国)
• [Int'l Joint Research] Ottawa Hospital Research Institute(カナダ)
• [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] 量子計測とAIとの融合により脳を計測するー単分子計測による神経伝達物質の検出 (2021)
  • Author(s): 小本祐貴、鷲尾隆、八木健、谷口正輝
  • Journal Title: 化学 Volume: 76 Pages: 28-32
  • NAID: 40022440658
• [Journal Article] Pcdhb deficiency affects hippocampal CA1 ensemble activity and contextual fear discrimination (2020)
  • Author(s): Asai H, Ohkawa N, Saitoh Y, Ghandour K, Murayama E, Nishizono H, Matsuo M, Hirayama T, Kaneko R, Muramatsu S, Yagi T, Inokuchi K
  • Journal Title: Molecular Brain Volume: 13 Pages: 7-7
  • DOI: 10.1186/s13041-020-0547-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Time-resolved neurotransmitter detection in mouse brain tissue using an artificial intelligence-nanogap (2020)
  • Author(s): Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Yoshida Takeshi、Tarusawa Etsuko、Yagi Takeshi、Washio Takashi、Taniguchi Masateru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 11244-11244
  • DOI: 10.1038/s41598-020-68236-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Snf2h Drives Chromatin Remodeling to Prime Upper Layer Cortical Neuron Development (2019)
  • Author(s): Alvarez-Saavedra Mat?as、Yan Keqin、De Repentigny Yves、Hashem Lukas E.、Chaudary Nidhi、Sarwar Shihab、Yang Doo、Ioshikhes Ilya、Kothary Rashmi、Hirayama Teruyoshi、Yagi Takeshi、Picketts David J.
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 12 Pages: 243-243
  • DOI: 10.3389/fnmol.2019.00243
  • NAID: 120006956843
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Skilled movements in mice require inhibition of corticospinal axon collateral formation in the spinal cord by semaphorin signaling. (2019)
  • Author(s): Gu Z, Ueno M, Klinefelter K, Mamidi M, Yagi T, Yoshida Y.
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 39 Pages: 8885-8899
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2832-18.2019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 視覚野における特異的な神経回路形成とクラスター型プロトカドヘリンとの関係 (2021)
  • Author(s): 横田哲也、八木健、金子涼輔
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] プルキンエ細胞と登上線維の結合におけるクラスター型プロトカドヘリンの役割 (2021)
  • Author(s): 島村 朋弥、八木 健、金子 涼輔
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] PcdhγC4はマウスの生存に不可欠であり、50種以上のクラスター型プロトカドヘリン（cPcdh）に多様性を与える唯一のアイソフォームである (2021)
  • Author(s): 樋口 流音、星野 七海、渡辺 雅彦、三宝 誠、萩 瞭、大須賀 智輝、平林 真澄、八木 健
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] FRETを利用したクラスター型プロトカドヘリンのホモフィリック相互作用可視化 (2021)
  • Author(s): 星野 七海、京 卓志、足澤 悦子、松田 知己、永井 健治、八木 健
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] ヒトiPS細胞由来大脳オルガノイドにおいてDNAポリメラーゼβ欠損は神経前駆細胞にDNA２本鎖切断を引き起こす (2021)
  • Author(s): 千葉 清歌、増田 光起、恒松 大翔、黒沢 綾、足立 典隆、山本 亘彦、八木 健、菅生 紀之
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 複雑な走行運動中のマウスにおけるリズム情報は、線条体のニューロンによってコードされている (2021)
  • Author(s): 広兼 浩二朗、中村 徹、寺下 拓真、久保田 康夫、Hu Dan、八木 健、Graybiel Ann、木津川 尚史
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 神経細胞識別コードの可視化：クラスター型プロトカドヘリンの発現解析 (2021)
  • Author(s): 金子 涼輔、阿部 学、井上 由紀子、高鶴 裕介、渡辺 雅彦、崎村 建司、柳川 右千夫、八木 健
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] クラスター型プロトカドヘリン間ホモフィリック相互作用の可視化 (2020)
  • Author(s): 星野 七海, 京 卓志, 足澤 悦子, 松田 知己, 永井 健治, 八木 健
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] クラスター型プロトカドヘリンのアイソフォーム多様性は神経回路形成に必要である (2020)
  • Author(s): 小林 裕明, 竹本 健二, 長谷川 園子, 井之上 幸範, 平林 敬浩, 八木 健
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 線条体神経細胞によるリズミカルな運動制御 (2020)
  • Author(s): 木津川 尚史, 寺下 拓真, 広兼 浩二朗, 久保田 康夫, Dan Hu, 八木 健,Ann M Graybiel, 中村 徹
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] マウス視覚野における錐体細胞-PV陽性抑制性神経細胞間結合関係はクラスター型プロトカドヘリン発現の制御を受ける (2020)
  • Author(s): 河村 菜々実, 足澤 悦子, 吉村 由美子, 八木 健
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 大脳皮質神経細胞においてビタミンCトランスポーターSlc23a2の過剰発現は能動的DNA脱メチル化を介してDNA２本鎖切断を誘発する (2020)
  • Author(s): 藤本 翔太, 松本 敏幸, 植田 尭子, 山本 亘彦, 八木 健, 菅生 紀之
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 複雑パターン走行時におけるリズムチャンクの解析 (2020)
  • Author(s): 広兼 浩二朗, 中村 徹, 久保田 康夫, Hu Dan, 八木 健, Graybiel Martin Ann, 木津川 尚史
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 生体内におけるPcdhgC4の役割の解明を目的とした機能ドメイン欠損マウスの作製 (2020)
  • Author(s): 樋口 流音, 星野 七海, 足澤 悦子, 三宝 誠, 平山 晃斉, 小林 裕明, 八木 健
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 神経細胞識別コードの可視化：クラスター型プロトカドヘリンの発現解析 (2020)
  • Author(s): 金子 涼輔、阿部 学、高鶴 裕介、井上 由紀子、渡辺 雅彦、崎村 建司、柳川 右千夫、八木 健
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] クラスター型プロトカドヘリンは発達期海馬CA1錐体細胞の興奮性シナプスにプレとポストで不均一に発現する (2020)
  • Author(s): 足澤 悦子、長谷川 沙紀、深澤 有吾、金子 涼輔、八木 健
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 神経細胞におけるクラスター型プロトカドヘリン遺伝子群の組み合わせ発現は細胞系譜と神経回路に依存する (2020)
  • Author(s): 八木 健、増田 風子、梅田 茉奈、芳村 美佳、林 哲太郎、三宝 誠、木津川 尚史、平林 真澄、二階堂 愛、足澤 悦子
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] Deletion of cPcdhs affets cell ensemble activities in the hippocampus (2019)
  • Author(s): Hirotaka Asai,Noriaki Ohkawa,Yoshito Saitoh,Khaled Ghandour,Hirofumi Nishizono,Mika Matsuo,Kosei Hirayama,Shin-ichi Muramatsu,Ryosuke Kaneko,Takeshi Yagi,Kaoru Inokuchi
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] Classification of parvalbumin -positive inhibitory neurons by a difference of local microcircuits and the influence of delection of clustered protocadherin gamma in the mouse visual cortex (2019)
  • Author(s): 河村菜々実、足澤悦子、吉村由美子、 八木健
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] Patch-RamDA-seq reveals the relationship between the single-cell gene expression patterns of clustered protocadherins and neural connections (2019)
  • Author(s): Fuko Masuda、Etsuko Tarusawa、Mana Umeda、Mika Yoshimura、Tetsutaro Hayashi、Takashi Kitsukawa、Makoto Sanbo、Masumi Hirabayashi、Itoshi Nikaido、Takeshi Yagi
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] Striatal neurons encode the interval and phase of stepping in the step-wheel task (2019)
  • Author(s): Takuma Tetashita、Toru Nakamura、Yasuo Kubota、Dan Hu、Ann M Graybie、Takeshi Yagi、Takashi Kitsukaga
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] Rhythmic timing control of mice running in complex stepping patterns (2019)
  • Author(s): Koujiro Hirokane、Toru Nakamura、Yasuo Kubota、Dan Hu、Takeshi Yagi、Ann M Graybiel 、Takashi Kitsukawa
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] Ｌocalization of clustered protocadherin-γ proteins in the hippocampal neurons during synaptogenesis (2019)
  • Author(s): 長谷川沙紀、足澤悦子、星野七海、小林裕明、八木健
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] To reveal the homophilic interaction of clustered protocadherin in neurons using live cell imaging (2019)
  • Author(s): 星野七海、足澤悦子、小林裕明、八木健
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] Visualizing single-neuron identity specified by Pcdh-b cluster (2019)
  • Author(s): Ryosuke Kaneko、Manabu Abe、Yusuke Takatsuru 、Yukiko Ueno Inoue、Masahiko Watanabe、Kenji Sakimura、Yuchio Yanagawa、Takeshi Yagi
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
• [Presentation] 発達期の大脳皮質バレル野におけるソマトスタチン陽性神経細胞に発現するプロトカドヘリンガンマの役割 (2019)
  • Author(s): 足立斉子、河村菜々実、足澤悦子、八木健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 嗅神経回路形成におけるクラスター型プロトカドヘリンの機能解析 (2019)
  • Author(s): 本間貴裕、平山晃斉、三宝誠、平林真澄、八木健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Visualization of the homophilic trans interaction of clustered protocadherins using FRET (2019)
  • Author(s): Natsumi Hoshino、Takashi Kanadome、Etsuko Tarusawa、Tomoki Matsuda、Takeharu Nagai、Takeshi Yagi
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] クラスター型プロカドヘリンによる小脳プルキンエ細胞の配置制御 (2019)
  • Author(s): 金子涼輔、柳川右千夫、八木健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 大阪大学 大学院生命機能研究科 時空生物学講座 心生物学研究室
  • URL: https://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/yagi/index.htm
• [Remarks] 心生物学研究室
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/yagi/index.htm