シナプス伝達効率を調節するアクティブゾーンの分子構造基盤と修飾機構

• 研究課題/領域番号: 19H03324
• 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46010:神経科学一般関連
• 研究機関: 山梨大学
• 研究代表者: 大塚 稔久 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40401806)
• 研究分担者: 萩原 明 東京理科大学, 理工学部応用生物科学科, 准教授 (70402849)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2021年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2020年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2019年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
• キーワード: アクティブゾーン / CAST / ELKS / ビオチンリガーゼ / 液-液相分離 / 近位依存性ビオチン標識法 / Bassoon / シナプス

研究開始時の研究の概要

神経伝達物質放出の調節が、いかにシナプス伝達の強度とその可塑性をコントロールし、最終的に個体レベルでどのように表現されるのか、その本質は未だ明らかになっていない。そこで本研究では、伝達物質放出の位置とタイミングを決定する構造体であるアクティブゾーンに着目した包括的研究を推進する。具体的には、CAST/ELKSの結合タンパク質の同定、修飾機構の解明およびマウス行動解析の３項目の研究を推進し、アクティブゾーンの分子構造基盤の全容解明とその異常がいかに病態・疾患につながるかを明らかにする。

研究成果の概要

ビオチンリガーゼとCASTのリンカーの長さを変えたコンストラクトを用いて、培養神経細胞での発現・局在解析を進めた。Bassoonとの局在を定量化し、リンカーの長さによってビオチンシグナルとBassoonシグナルとの共局在の程度に統計学的に優位な差が見られた。このことは、リンカーの長さを変えることによってCASTからの距離に応じた異なる結合分子複合体を検出できることを示唆する。
RIM1単独の発現では液滴の形成は見られず、CAST/ELKSと共発現する場合のみ、著しい液滴形成を観察することができた。この結果はアクティブゾーンの複合体形成において液ー液相分離が重要な機能を果たす可能性が示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で、アクティブゾーンにおける近位ビオチンラベル化法を確立した。アクティブゾーンタンパク質CAST/ELKSが形成するタンパク質複合体のさらなる解析から、複合体のタンパク質組成が脳内の異なる領域でどのように違っているか、分子レベルでの知見が期待される。分子・シナプスレベルでの違いが、最終的には個体レベルの機能（脳機能や行動）にどのような影響をおよぼすのか、その因果関係の解明につながる学術的な意義を有する。また、アルツハイマー病などの認知症においてもシナプスレベルの変化が知られており、本研究で開発した手法をモデルマウス等に用いることで、認知症研究の発展につながり、社会的な意義も高い。

研究成果

• [雑誌論文] An engineered channelrhodopsin optimized for axon terminal activation and circuit mapping (2021)
  • 著者名/発表者名: Hamada Shun、Nagase Masashi、Yoshizawa Tomohiko、Hagiwara Akari、Isomura Yoshikazu、Watabe Ayako M.、Ohtsuka Toshihisa
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01977-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prickle2 and Igsf9b Coordinately Regulate the Cytoarchitecture of the Axon Initial Segment (2020)
  • 著者名/発表者名: Chowdhury Md. Imrul Hasan、Nishioka Tomoki、Mishima Noriko、Ohtsuka Toshihisa、Kaibuchi Kozo、Tsuboi Daisuke
  • 雑誌名: Cell Structure and Function 巻: 45 号: 2 ページ: 143-154
  • DOI: 10.1247/csf.20028
  • NAID: 130007894945
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of an L-type Ca 2+ channel-dependent Ca 2+ transient during the radial migration of cortical excitatory neurons (2020)
  • 著者名/発表者名: Horigane S, Hamada S, Kamijo S, Yamada H, Yamasaki M, Watanabe M, Bito H, Ohtsuka T, Takemoto-Kimura S
  • 雑誌名: Neurosci Res 巻: S0168-0102(20)30391-6 ページ: 30391-6
  • DOI: 10.1016/j.neures.2020.06.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] RFC1 repeat expansion in Japanese patients with late-onset cerebellar ataxia (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Mai、Nan Haitian、Koh Kishin、Ichinose Yuta、Gao Lihua、Shimozono Keisuke、Hata Takanori、Kim Yeon-Jeong、Ohtsuka Toshihisa、Cortese Andrea、Takiyama Yoshihisa
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 65 号: 12 ページ: 1143-1147
  • DOI: 10.1038/s10038-020-0807-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neuron-enriched phosphatase and actin regulator 3 (Phactr3)/ nuclear scaffold-associated PP1-inhibiting protein (Scapinin) regulates dendritic morphology via its protein phosphatase 1-binding domain (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyata Tomoaki、Kikuchi Keietsu、Ihara Daisuke、Kaito Maki、Ishibashi Yuta、Hakamata Tomoyuki、Yamada Tetsuya、Ishikawa Mitsuru、Mizukoshi Miho、Shoji Shizuku、Fukuchi Mamoru、Tsuda Masaaki、Hida Yamato、Ohtsuka Toshihisa、Kaneda Marisa、Tabuchi Akiko
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 528 号: 2 ページ: 322-329
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.05.006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Presynaptic development is controlled by the core active zone proteins CAST/ELKS. (2020)
  • 著者名/発表者名: Radulovic, T., Dong, W., Goral, R., Thomas, C., Veeraraghavan, P., Montesinos, M., Guerrero-Given, D., Goff, K., Luebbert, M., Kamasawa, N., Ohtsuka, T., Young, S.M.*
  • 雑誌名: J. Physiol. 巻: in press 号: 12 ページ: 2431-2452
  • DOI: 10.1113/jp279736
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impaired experience-dependent maternal care in presynaptic active zone protein CAST-deficient dams (2020)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, A., Sugiyama, N., Ohtsuka, T.*
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 5238-5238
  • DOI: 10.1038/s41598-020-62072-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CAST/ELKS in the mouse forebrain causes high mortality of newborn pups. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara, A., Hamada, S., Hida, Y., Ohtsuka, T.*
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 13 号: 1 ページ: 13-13
  • DOI: 10.1186/s13041-020-0557-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] VPS13D-related disorders presenting as a pure and complicated form of hereditary spastic paraplegia (2020)
  • 著者名/発表者名: Koh K, Ishiura H, Shimazaki H, Tsutsumiuchi M, Ichinose Y, Nan H, Hamada S, Ohtsuka T, Tsuji S, Takiyama Y
  • 雑誌名: Mol Genet Genomic Med 巻: 8 号: 3
  • DOI: 10.1002/mgg3.1108
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of the active zone protein, ELKS, in insulin secretion from pancreatic β-cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohara-Imaizumi Mica、Aoyagi Kyota、Ohtsuka Toshihisa
  • 雑誌名: Molecular Metabolism 巻: 27 ページ: 1213-1226
  • DOI: 10.1016/j.molmet.2019.06.017
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vangl2 interaction plays a role in the proteasomal degradation of Prickle2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagaoka Tadahiro、Furuse Mikio、Ohtsuka Toshihisa、Tsuchida Kunihiro、Kishi Masashi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 2912-2912
  • DOI: 10.1038/s41598-019-39642-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ELKS/Voltage-dependent Ca2+ channel-β Subunit Module Regulates Polarized Ca2+ Influx in Pancreatic β-Cells. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohara-Imaizumi, M., Aoyagi, K., Yamauchi, H., Yoshida, M., Mori, M.X., Hida, Y., Tran, H.N., Ohkura, M., Abe, M., Akimoto, Y., Nakamichi, Y., Nishiwaki, C., Kawakami, H., Hara, K., Sakimura, K., Nagamatsu, S., Mori, Y., Nakai, J., Kakei, M., and Ohtsuka, T.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 26 号: 5 ページ: 1213-1226
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.12.106
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neuroimaging, genetic, and enzymatic study in a Japanese family with a GBA gross deletion. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ichinose Y, Ishiura H, Tanaka M, Yoshimura J, Doi K, Umeda T, Yamauchi H, Tsuchiya M, Koh K, Yamashiro N, Mitsui J, Goto J, Onishi H, Ohtsuka T, Shindo K, Morishita S, Tsuji S, Takiyama Y.
  • 雑誌名: Parkinsonism Relat Disord. 巻: - ページ: 57-63
  • DOI: 10.1016/j.parkreldis.2018.11.028
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] UBAP1 mutations cause juvenile-onset hereditary spastic paraplegias (SPG80) and impair UBAP1 targeting to endosomes (2019)
  • 著者名/発表者名: Nan H, Ichinose Y, Tanaka M, Koh K, Ishiura H, Mitsui J, Mizukami H, Morimoto M, Hamada S, Ohtsuka T, Tsuji S, Takiyama Y
  • 雑誌名: J Hum Genet 巻: 64 号: 11 ページ: 1055-1065
  • DOI: 10.1038/s10038-019-0670-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Role of CAST/ELKS in the active zone function via liquid-liquid phase separation (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshihisa Ohtsuka
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会（CJK第１回国際会議）
  • 国際学会
• [学会発表] An engineered channelrhodopsin optimized for axon terminal activation and circuit mapping (2021)
  • 著者名/発表者名: Shun Hamada, Masashi Nagase, Tomohiko Yoshizawa, Akari Hagiwara, Yoshikazu Isomura, Ayako M. Watabe, and Toshihisa Ohtsuka
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会（CJK第１回国際会議）
  • 国際学会
• [学会発表] 光操作ツールの紹介 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大塚稔久
  • 学会等名: CREST「オプトバイオ」領域の第5回領域会議
  • 招待講演
• [学会発表] 前シナプスアクティブゾーン因子群のプロテオーム解析と液相分離 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大塚稔久
  • 学会等名: 第93回日本生化学会シンポジウム「生体膜ダイナミクス:細胞レベルの制御機構から個体レベルの生理機能まで」
  • 招待講演
• [学会発表] Neuropsychopharmacology of relaxin-3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Toshihisa Ohtsuka
  • 学会等名: 第６回アジア神経精神薬理学会大会（AsCNP2019)
  • 国際学会
• [学会発表] シナプス分子間相互作用から捉える可塑性機構とその破綻 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大塚稔久
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会年会・日本細胞生物学会合同年次大会
  • 招待講演
• [備考] 山梨大学医学部生化学講座第一教室ホームページ
  • URL: http://www.med.yamanashi.ac.jp/basic/bioche01/
• [備考] 山梨大学医学部生化学講座第一教室ホームページ