シナプス状態の光操作による記憶保存様式の理解

• 研究課題/領域番号: 18H02708
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分51010:基盤脳科学関連
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 村越 秀治 生理学研究所, 脳機能計測・支援センター, 准教授 (90608142)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2019年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2018年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: シナプス / 光応答性分子 / 2光子蛍光顕微鏡

研究成果の概要

光遺伝学的手法を用いることで高い時空間分解能で細胞活動を操作することができる。例えば広く用いられている光遺伝学的ツールであるチャネルロドプシン-2を利用することで神経細胞の活動を細胞レベルで制御することができる。しかしながら、単一シナプスのレベルでシナプス可塑性を誘導できる光遺伝学的ツールはこれまで存在しなかった。そこで私達は単一シナプスの光操作が可能な新規光遺伝学的ツールを開発した。CaMKIIαに光感受性ドメインLOV2を融合させることで、光活性化可能なCaMKIIを開発した。これにより、海馬ニューロンの単一スパインで長期増強（LTP）を誘導することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、光応答性に改変したCaMKII酵素を用いることで、生きた動物内で個々のシナプスの機能を強化することに成功した。また、本研究で開発した分子デザインは細胞内に存在する様々なタンパク質に応用が可能であるため、将来の光医療開発に繋がる画期的な成果であると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Chronic neuronal excitation leads to dual metaplasticity in the signaling for structural long-term potentiation. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueda HH, Nagasawa Y, Sato A, Onda M, and Murakoshi H
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 38 号: 1 ページ: 110153-110153
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.110153
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tension sensor based on fluorescence resonance energy transfer reveals fiber diameter-dependent mechanical factors during myelination (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimizu T, Murakoshi H, Matsumoto H, Ichino K, Hattori A, Ueno S, Ishida A, ytajiri N, Hida H.
  • 雑誌名: Front Cell Neurosci 巻: 15 ページ: 685044-685044
  • DOI: 10.3389/fncel.2021.685044
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 光応答性CaMKIIの開発と単一シナプス光操作―ローカルオプトジェネティクス― (2021)
  • 著者名/発表者名: 植田大海、長澤裕太郎、村越秀治
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 61 号: 6 ページ: 374-377
  • DOI: 10.2142/biophys.61.374
  • NAID: 130008120209
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Imaging intracellular protein interactions/activity in neurons using 2-photon fluorescence lifetime imaging microscopy. (2021)
  • 著者名/発表者名: Ueda HH, Nagasawa Y, and Murakoshi H
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: in press ページ: 00212-1
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.10.004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 二光子蛍光寿命イメージングと色素タンパク質によるタンパク質間相互作用の可視化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治、植田大海
  • 雑誌名: 光学 巻: 49 ページ: 2025-2025
• [雑誌論文] Reciprocal Activation within a Kinase-Effector Complex Underlying Persistence of Structural LTP. (2019)
  • 著者名/発表者名: Saneyoshi T, Matsuno H, Suzuki A, Murakoshi H, Hedrick NG, Agnello E, O'Connell R, Stratton MM, Yasuda R, and Hayashi Y
  • 雑誌名: Neuron 巻: 102 号: 6 ページ: 11991210-11991210
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2019.04.012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ShadowR: a novel chromoprotein with reduced non-specific binding and improved expression in living cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Murakoshi Hideji、Horiuchi Hiroshi、Kosugi Takahiro、Onda Maki、Sato Aiko、Koga Nobuyasu、Nabekura Junichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 12072-12072
  • DOI: 10.1038/s41598-019-48604-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rap2 and TNIK control Plexin-dependent tiled synaptic innervation in C. elegans. (2018)
  • 著者名/発表者名: Chen Xi, Shibata AC, Hendi A, Kurashina M., Fortes E, Weilinger N, MacVicar B, Murakoshi H, Mizumoto K.
  • 雑誌名: eLife 巻: 7
  • DOI: 10.7554/elife.38801
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neuronal Synaptic Connections Organized by Small Numbers of Molecules. (2018)
  • 著者名/発表者名: Murakoshi H.
  • 雑誌名: Minorities and Small Numbers from Molecules to Organisms in Biology. Springer Singapore. 巻: - ページ: 7-13
  • DOI: 10.1007/978-981-13-2083-5_2
  • ISBN: 9789811320828, 9789811320835
• [雑誌論文] 共焦点レーザー走査顕微鏡vi．FLIM-②タイムドメイン (2018)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 雑誌名: 羊土社 巻: - ページ: 57-58
• [学会発表] Optogenetic manipulation and imaging of signaling molecules in dendritic spines of neurons. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hideji Murakoshi
  • 学会等名: UK-Japan Neuroscience Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] Optical manipulation and imaging of signaling molecules in dendritic spines of neurons (2019)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 学会等名: 第60回日本組織細胞化学会総会・学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] シナプス内シグナル分子の光操作と分子活性イメージング (2019)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 学会等名: "Chemistry for Neuroscience 2019”研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Optical manipulation and imaging of signaling molecules in dendritic spines of neurons. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideji Murakoshi
  • 学会等名: Current Trends and Future Directions of Synapse-Circuit Plasticity Research.
  • 招待講演
• [学会発表] Optogenetic induction of synaptic plasticity at single synapses by photoactivatable CaMKII. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideji Murakoshi
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Spatiotemporal manipulation and imaging of signaling molecules in neurons (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideji Murakoshi
  • 学会等名: The 50th NIPS International Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] Optogenetic manipulation of CaMKII activity in synapses. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideji Murakoshi
  • 学会等名: The 16th International Membrane Research Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optical manipulation and imaging of signaling molecules in dendritic spines of neurons (2018)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 学会等名: 第70回日本細胞生物学会第51回日本発生生物学会合同学会
  • 招待講演
• [学会発表] Imaging Protein Activity by 2-photon Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 学会等名: The 66th NIBB Conference, ABiS International Symposium
  • 招待講演
• [備考] 生理学研究所 村越研究室
  • URL: http://www.nips.ac.jp/multiphoton/
• [備考] 村越研究室
  • URL: http://www.nips.ac.jp/multiphoton/