光による有芯小胞の動態制御技術の開発とその応用

• 研究課題/領域番号: 22K19356
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分46:神経科学およびその関連分野
• 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)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 光遺伝学 / シナプス / 光ツール / 有芯小胞 / ELKS

研究開始時の研究の概要

有芯小胞の放出が制御するセカンドメッセンジャーである細胞内Ca2+、cAMPやジアシルグリセロール(DAG)を操作するオプシンを有芯小胞放出部位に集積させるタグを開発し、有芯小胞放出を光操作する系を確立する。また、有芯小胞の挙動をモニターするため、有芯小胞マーカーchromograminBにpH感受性蛍光タンパク質等を付けたマーカーを開発する。これらのツールを駆使し、有芯小胞の分泌メカニズムの解明を目指す。

研究成果の概要

プレシナプスに局在する光活性化アデニルシクラーゼ (bPAC-Syn1a) と光駆動型ホスホリパーゼCβ(opto-PLCβ) を開発した。開発した改良型bPAC(bPAC-Syn1a)を用い、マウス脳の腕傍核から扁桃体までのプロジェクションと扁桃体における光依存的短期増強が確認された。一方、opto-PLCβに関しては、扁桃体で発現させて、電気と光のペアリング刺激による強い長期増強が観察された。これらの成果は、光ツールで有芯小胞の動態を操作できる可能性を示す。

研究成果の学術的意義や社会的意義

シナプス小胞の放出において、光を用いた操作・介入できる新たな技術・ツールの開発に成功した。本研究の成果によりシナプス可塑性の人為的な介入が可能となり、神経機能における細胞制御および高次機能制御のメカニズムの解明に寄与し、将来的には、学習・記憶障害、神経変性疾患、糖尿病、肥満などの治療法の開発に貢献する可能性がある。また、細胞生物学全般に大きなインパクトを与え、新たな生命科学の分野を開拓する可能性を秘めている。これらの成果は、科学的知識の進歩だけでなく、社会全体の健康と福祉の向上にも寄与すると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] A light-controlled phospholipase C for imaging of lipid dynamics and controlling neural plasticity (2024)
  • 著者名/発表者名: Kim Yeon-Jeong、Tohyama Suguru、Nagashima Takashi、Nagase Masashi、Hida Yamato、Hamada Shun、Watabe Ayako M.、Ohtsuka Toshihisa
  • 雑誌名: Cell Chemical Biology 巻: 31 号: 7 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2024.03.001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] All-optical presynaptic plasticity induction by photoactivated adenylyl cyclase targeted to axon terminals (2024)
  • 著者名/発表者名: Nagase Masashi、Nagashima Takashi、Hamada Shun、Morishima Mieko、Tohyama Suguru、Arima-Yoshida Fumiko、Hiyoshi Kanae、Hirano Tomoha、Ohtsuka Toshihisa、Watabe Ayako M.
  • 雑誌名: Cell Reports Methods 巻: 4 号: 4 ページ: 100740-100740
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2024.100740
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Critical Role of the Presynaptic Protein CAST in Maintaining the Photoreceptor Ribbon Synapse Triad (2023)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara Akari、Mizutani Ayako、Kawamura Saki、Abe Manabu、Hida Yamato、Sakimura Kenji、Ohtsuka Toshihisa
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 24 号: 8 ページ: 7251-7251
  • DOI: 10.3390/ijms24087251
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experience-dependent changes in affective valence of taste in male mice (2023)
  • 著者名/発表者名: Hamada Shun、Mikami Kaori、Ueda Shuhei、Nagase Masashi、Nagashima Takashi、Yamamoto Mikiyasu、Bito Haruhiko、Takemoto-Kimura Sayaka、Ohtsuka Toshihisa、Watabe Ayako M.
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 16 号: 1 ページ: 28-28
  • DOI: 10.1186/s13041-023-01017-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A novel technique for large-fragment knock-in animal production without ex vivo handling of zygotes. (2023)
  • 著者名/発表者名: Abe M, NakatsukasaE, Natsume R, Hamada S, Sakimura K, Watabe AM, Ohtsuka, T.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 2245-2245
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29468-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Post-developmental plasticity of the primary rod pathway allows restoration of visually guided behaviors. (2022)
  • 著者名/発表者名: Cao Y., Fajardo D., Guerrero-Given D., Samuel AM., Ohtsuka T., Boye SE., Kamasawa N., Martemyanov KA.
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 32 号: 22 ページ: 4783-4796
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.09.016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ubap1 knock-in mice reproduced the phenotype of SPG80 (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimozono K, Nan H, Takiyama Y, et al.
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 67 号: 12 ページ: 679-686
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01073-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Novel SLC9A6 Variation in Female Carriers With Intellectual Disability and Atypical Parkinsonism. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nan, H., Kim, YJ., Tsuchiya, M., Ishida, A., Haro, H., Hiraide, M., Ohtsuka, T., Takiyama, Y.
  • 雑誌名: Neurology Genetics 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1212/nxg.0000000000000651
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Optogenetic Control of Basolateral Amygdala Plasticity and Fear Memory Formation via Engineered Phospholipase C (2024)
  • 著者名/発表者名: Yeon-Jeong Kim, Suguru Tohyama, Takashi Nagashima, Masashi Nagase, Yamato Hida, Shun Hamada, Ayako M. Watabe and Toshihisa Ohtsuka
  • 学会等名: Neuronal Circuits Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Optogenetic engineering of light-controlled phospholipase C: metabolic dynamics of phosphoinositide (2023)
  • 著者名/発表者名: Yeon-Jeong Kim, Shun Hamada, and Toshihisa Ohtsuka
  • 学会等名: ゴードンリサーチカンファレンスMolecular and Cellular Biology of Lipids
  • 国際学会
• [学会発表] Live cell-imaging of CAST/ELKS-mediated liquid-liquid phase separation regulates protein complexes in presynaptic active zone (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Yeon-Jeong, Hida Y, Ohtsuka T.
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
• [学会発表] Depletion of LKB1 at cerebellar synapses causes progressive locomotion dysfunction linked to the reduced neuromuscular transmission. (2023)
  • 著者名/発表者名: Sota Sawada, Ryo Kozawa, Masataka Yamamoto, Yuhei Mizunoe, Ryo Goitsuka, Toshihisa Ohtsuka, Hiroshi Takemura, and Akari Hagiwara.
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
• [学会発表] The future of Japan brain initiatives: BRAIN/MINDS and BRAIN/MINDS Beyond (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshihisa Ohtsuka
  • 学会等名: ヒューマンブレイン プロジェクト(HBP)サミット
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Morphological examination of the role of LKB1 in retinal horizontal cell remodeling using the AAV-based labeling system. (2022)
  • 著者名/発表者名: Saki Kawamura, Toshihisa Ohtsuka, Yamato Hida, Akari Hagiwara
  • 学会等名: 第４５回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Depletion of LKB1 in the cerebellar granule cells induces locomotor dysfunction in aged mice. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mayu Kitamura, Akari Hagiwara, Shun Hamada, and Toshihisa Ohtsuka
  • 学会等名: 第４５回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [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/