eIF3a天然変性領域の種間多様性が生み出す学習・記憶制御機構の解析

• Project Area: Biology of Non-domain Biopolymer
• Project/Area Number: 22H05614
• 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 Institutes of Natural Sciences
• Principal Investigator: 椎名 伸之 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(機構直轄研究施設), 生命創成探究センター, 准教授 (30332175)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: RNA顆粒 / 天然変性領域 / IDR / eIF3a / 流動性 / 局所翻訳 / 神経活動 / 局所的翻訳 / 学習・記憶 / ダイナミクス

Outline of Research at the Start

長期記憶の形成には神経活動依存的な新規翻訳が必要であり、その制御はニューロンのRNA顆粒によって担われている。本研究では、RNA顆粒における翻訳開始因子eIF3aの流動性が神経活動に伴って上昇することに注目し、その流動性調節の分子機構から生物学的意義までをマウスで解析する。eIF3aの天然変性領域（IDR）は酵母からマウスやヒトへの複雑化に伴って伸長し、その伸長の有無が神経活動依存的なeIF3aの流動性上昇を左右する。本研究では、IDRの種間多様性から生まれた新たな液-液相分離制御機構を明らかにし、それが長期記憶形成という新たな機能の獲得をもたらした可能性を明らかにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

神経RNA顆粒に局在する翻訳開始因子eIF3aは、C末端に天然変性領域（IDR）を有している。このIDRは生物の複雑化に伴って伸長し、脊椎動物では酵母に比べ約400アミノ酸長いことが知られている（脊椎動物IDR, vIDR）。eIF3aのRNA顆粒における流動性は、神経の静止期では低く、神経活動に応じて増加することを見出している。この流動性の増加は、顆粒における局所翻訳の増加と密接に関連している。vIDRを欠損したeIF3aは静止期でも高い流動性を示し、顆粒における局所翻訳が増加し、神経活動依存性が失われることを明らかにしている。本研究では、このvIDRをマウスで欠損した際の生理機能への影響を明らかにすることを目指している。
今年度は、CRISPR/Cas9法を用いてvIDRを欠損したマウスの作製に取り組んだ。具体的には、C57BL/6Jマウスを用いて人工授精を行い、得られた受精卵に対してCas9タンパク質、gRNA、及び相同組換え用ssODNをマイクロインジェクション法で導入した。その結果、F0キメラマウスを得ることができ、現在F1マウスを得ている。以前の研究ではeIF3aノックアウトマウスは胎生致死であることが報告されているが、今回得られたeIF3a-ΔvIDRマウスは生存可能であり、このマウスではeIF3aの翻訳開始因子としての酵素活性は保持されている可能性が示唆された。本研究ではeIF3a-ΔvIDRマウスに加えて、eIF3a-ΔvIDR1マウスも同様に作製した。vIDR1はvIDRのN末端側半分に相当し、10アミノ酸が20回程度リピートした特徴的な配列を持つIDRである。この領域特異的な機能にも注目しつつ、今後は得られた変異型マウスの神経における活動依存的な局所翻訳や学習・記憶行動の解析を進める予定である。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Piezoelectrically induced augmented functionality of primary cultured hippocampal neurons on electrospun PVDF-(Na, K) NbO3 composite fibers (2024)
  • Author(s): Deepak Khare、Kei Nakayama、Nobuyuki Shiina、Kenichi Kakimoto、Kumar Dubey Ashutosh
  • Journal Title: Next Materials Volume: 2 Pages: 100070-100070
  • DOI: 10.1016/j.nxmate.2023.100070
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Large-scale animal model study uncovers altered brain pH and lactate levels as a transdiagnostic endophenotype of neuropsychiatric disorders involving cognitive impairment (2024)
  • Author(s): Hideo Hagihara、Takao Keizo、他129名
  • Journal Title: eLife Volume: 12 Pages: 89376-89376
  • DOI: 10.7554/elife.89376
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regulation of RNG105/caprin1 dynamics by pathogenic cytoplasmic FUS and TDP-43 in neuronal RNA granules modulates synaptic loss (2023)
  • Author(s): Tomoyo Horio、Yui Ishikura、Rie Ohashi、Nobuyuki Shiina
  • Journal Title: Heliyon Volume: 9 Issue: 6 Pages: e17065-e17065
  • DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e17065
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of Protein Synthesis in the Lens (2023)
  • Author(s): 椎名 伸之
  • Journal Title: The Journal of The Japanese Society for Cataract Research Volume: 35 Issue: 1 Pages: 65-66
  • DOI: 10.14938/cataract.35-014
  • ISSN: 0915-4302, 2188-613X
  • Open Access
• [Journal Article] ILF3 prion-like domain regulates gene expression and fear memory under chronic stress (2023)
  • Author(s): Yamashita Akira、Shichino Yuichi、Fujii Kazuki、Koshidaka Yumie、Adachi Mayumi、Sasagawa Eri、Mito Mari、Nakagawa Shinichi、Iwasaki Shintaro、Takao Keizo、Shiina Nobuyuki
  • Journal Title: iScience Volume: 26 Issue: 3 Pages: 106229-106229
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.106229
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Local translation and long-term memory formation regulated by neuronal RNA granules (2022)
  • Author(s): 大橋 りえ、椎名 伸之
  • Journal Title: 生化学 Volume: 94 Issue: 4 Pages: 529-536
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2022.940529
  • ISSN: 0037-1017
  • Year and Date: 2022-08-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expanding evidence of fundamental regulation for biological processes by liquid–liquid phase separation (2022)
  • Author(s): 椎名 伸之、奥野 浩行
  • Journal Title: 生化学 Volume: 94 Issue: 4 Pages: 483-484
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2022.940483
  • ISSN: 0037-1017
  • Year and Date: 2022-08-25
  • Open Access
• [Journal Article] Implications of RNG140(caprin2)-mediated translational regulation in eye lens differentiation (2022)
  • Author(s): 中沢 香織、椎名 伸之
  • Journal Title: The Journal of The Japanese Society for Cataract Research Volume: 34 Issue: 1 Pages: 83-83
  • DOI: 10.14938/cataract.34-018
  • ISSN: 0915-4302, 2188-613X
  • Open Access
• [Presentation] 細胞質FUS/TLSとTDP-43による神経RNA顆粒RNG105の動態変化とシナプス損失 (2023)
  • Author(s): 椎名伸之
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Arf GEF mRNAの神経樹状突起局在制御が スパイン形成・成熟に与える影響 (2023)
  • Author(s): 大橋りえ, 藤井一希, 高雄啓三, 椎名伸之
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ILF3のプリオン様ドメインは慢性ストレス下で遺伝子発現と恐怖記憶を制御する (2023)
  • Author(s): 山下映, 七野悠一, 藤井一希, 腰高由美恵, 安達真由美, 笹川恵理, 水戸麻里, 中川真一, 岩崎信太郎, 高雄啓三, 椎名伸之
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 水晶体分化におけるタンパク質合成制御 (2022)
  • Author(s): 椎名伸之
  • Organizer: 第61回日本白内障学会総会・第48回水晶体研究会
  • Invited
• [Presentation] Arf GEF, GAPファミリーmRNAの神経樹状突起局在制御がシナプス形成に与える影響 (2022)
  • Author(s): 大橋りえ, 藤井一希, 高雄啓三, 椎名伸之
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Book] Phase Separation in Living Cells -Benefits and Risks- (2023)
  • Author(s): Nobuyuki Shiina (担当:分担執筆, 範囲:Regulation of Neuronal RNA Granule Dynamics Through Phase Separation in Memory Formation and Disease)
  • Total Pages: 303
  • Publisher: Springer Singapore
• [Remarks] 神経変性疾患におけるシナプス損失の一因：RNA顆粒からのRNG105の解離
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2023/07/07.html
• [Remarks] プリオン様ドメインがストレス下でもマウスの不快記憶形成を可能にすることを発見
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2023/03/30.html