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遺伝学と全脳イメージングで解明する「複数型ドーパミン受容体による学習の多重制御」

研究課題

研究課題/領域番号 23K21325
補助金の研究課題番号 21H02533 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分45010:遺伝学関連
研究機関名古屋市立大学

研究代表者

木村 幸太郎  名古屋市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (20370116)

研究分担者 佐久間 拓人  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20753627)
加藤 昇平  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70311032)
疋田 貴俊  大阪大学, 蛋白質研究所, 教授 (70421378)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2021年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
キーワードドーパミン / イメージング / 学習 / 記憶
研究開始時の研究の概要

調節性神経伝達物質ドーパミンは、動物の報酬・認知・情動・学習といった高次脳機能を制御するがその詳細は不明である。これまでに我々は、線虫C. エレガンスの忌避匂い学習がタイプの異なる複数のドーパミン受容体によって制御されることを見出した。しかしそのメカニズムは全く明らかになっていない。
本研究では、先端的な分子遺伝学的技術・光学技術・データ科学的解析を組み合せることで、C. エレガンスで複数タイプのドーパミン受容体がひとつの「学習」を実現するメカニズムを解明する。さらに、マウスでの相同遺伝子解析により、新しいタイプのドーパミン受容体が高等動物においても重要な脳機能に関与するか否かを明らかにする。

研究実績の概要

本研究では、先端的な分子遺伝学的技術・光学技術・データ科学的解析を組み合せることで、C. エレガンスで複数タイプのドーパミン受容体がひとつの「学習」を実現するメカニズムを解明すること、さらにマウスでの相同遺伝子解析により、新しいタイプのドーパミン受容体が高等動物においても重要な脳機能に関与するか否かを明らかにすることをめざしている。R5年度の研究実績の概要は以下である。
[1] 分子遺伝学的解析による新しいタイプのドーパミン受容体の機能細胞の同定:2022年度は、新タイプドーパミン受容体変異体がどの神経細胞でcDNAを発現することで忌避匂い学習異常を回復するかについての解析を開始した。2023年度は、cDNAを発現させることで個体としての表現型が回復する神経細胞グループを複数明らかにした。
[2] カルシウムイメージングによる学習前後の全脳神経活動の計測と、情報科学的解析による学習依存的な神経活動の抽出:2022年度は新たにイメージング用の形質転換株を作り直したことで、期待された神経活動が得られ、これまでに学習あり/無しの条件で全脳神経活動を取得した。2023年度は、さらに多色蛍光による細胞同定技術 (NeuroPAL; Yemini et al., Cell 2021) と全脳活動計測を統合することで、忌避匂いに応答する神経細胞を同定するための予備的なデータを取得した。
[3] 哺乳類での新しいタイプのドーパミン受容体の解析:2022年度にAlphaFold2を用いた立体構造によって、ドーパミン結合に重要なアミノ酸残基の推定を開始し、2023年度には数個のアミノ酸残基に絞り込むことに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

[1] 分子遺伝学的解析による新しいタイプのドーパミン受容体の機能細胞の同定:順調に進行している。

[2] カルシウムイメージングによる学習前後の全脳神経活動の計測と、情報科学的解析による学習依存的な神経活動の抽出:全脳活動計測に関しては、手動で行っていた時間のかかるステップを半自動化することによって作業効率を数倍に向上させることに成功した(投稿準備中)。

[3] 哺乳類での新しいタイプのドーパミン受容体の解析:本研究開始後に人工知能などを用いた立体構造予測を開始したが、順調に進捗している。

今後の研究の推進方策

[2] カルシウムイメージングによる学習前後の全脳神経活動の計測と、情報科学的解析による学習依存的な神経活動の抽出:学習あり/無しの条件で全脳神経活動計測と多色蛍光による細胞同定を組み合せることで、どの神経細胞に学習依存的変化が生じているかを明らかにする。
[3] 哺乳類での新しいタイプのドーパミン受容体の解析:AlphaFold2などから推定したドーパミン結合に重要なアミノ酸残基をゲノム編集などによって置換し、重要性を実験的に明らかにする。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 2件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] Northeastern大学(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] コロンビア大学(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] コロンビア大学(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Seg2Link: an efficient and versatile solution for semi-automatic cell segmentation in 3D image stacks2023

    • 著者名/発表者名
      Wen Chentao、Matsumoto Mami、Sawada Masato、Sawamoto Kazunobu、Kimura Koutarou D.
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 7109-7109

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34232-6

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Electric shock causes a fleeing-like persistent behavioral response in the nematode <i>Caenorhabditis elegans</i>2023

    • 著者名/発表者名
      Tee Ling Fei、Young Jared J、Maruyama Keisuke、Kimura Sota、Suzuki Ryoga、Endo Yuto、Kimura Koutarou D
    • 雑誌名

      GENETICS

      巻: 225 号: 2

    • DOI

      10.1093/genetics/iyad148

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dual Roles for Nucleus Accumbens Core Dopamine D1-Expressing Neurons Projecting to the Substantia Nigra Pars Reticulata in Limbic and Motor Control in Male Mice2023

    • 著者名/発表者名
      Attachaipanich Suthinee、Ozawa Takaaki、Macpherson Tom、Hikida Takatoshi
    • 雑誌名

      eNeuro

      巻: 10 号: 6 ページ: 1-12

    • DOI

      10.1523/eneuro.0082-23.2023

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Neural mechanism of experience-dependent sensory gain control in C. elegans2023

    • 著者名/発表者名
      Ikejiri Yosuke、Tanimoto Yuki、Fujita Kosuke、Hiramatsu Fumie、Yamazaki Shuhei J.、Endo Yuto、Iwatani Yasushi、Fujimoto Koichi、Kimura Koutarou D.
    • 雑誌名

      Neuroscience Research

      巻: 191 ページ: 77-90

    • DOI

      10.1016/j.neures.2023.01.006

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optical Control of Cell Signaling with Red/Far-Red Light-Responsive Optogenetic Tools in Caenorhabditis elegans2023

    • 著者名/発表者名
      Oda Shigekazu、Sato-Ebine Emi、Nakamura Akinobu、Kimura Koutarou D.、Aoki Kazuhiro
    • 雑誌名

      ACS Synthetic Biology

      巻: 12 号: 3 ページ: 700-708

    • DOI

      10.1021/acssynbio.2c00461

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Tracking Moving Cells in 3D Time Lapse Images Using 3DeeCellTracker2022

    • 著者名/発表者名
      Wen Chentao、Kimura Koutarou
    • 雑誌名

      BIO-PROTOCOL

      巻: 12 号: 4

    • DOI

      10.21769/bioprotoc.4319

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Nucleus Accumbens Core Dopamine D2 Receptor-Expressing Neurons Control Reversal Learning but Not Set-Shifting in Behavioral Flexibility in Male Mice2022

    • 著者名/発表者名
      Macpherson Tom、Kim Ji Yoon、Hikida Takatoshi
    • 雑誌名

      Frontiers in Neuroscience

      巻: 16 ページ: 885380-885380

    • DOI

      10.3389/fnins.2022.885380

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Brain state discrimination based on near-infrared spectroscopy of prefrontal cortical region in patients with severe physical impairment2022

    • 著者名/発表者名
      Akira Masuo, Nobumi Abe, Takuto Sakuma, Shohei Kato
    • 雑誌名

      Journal of Nursing Science and Engineering

      巻: 10 ページ: 56-56

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Calcium Imaging of Neuronal Activity under Gradually Changing Odor Stimulation in Caenorhabditis elegans2021

    • 著者名/発表者名
      Tanimoto Yuki、Kimura Koutarou
    • 雑誌名

      BIO-PROTOCOL

      巻: 11 号: 1

    • DOI

      10.21769/bioprotoc.3866

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] クローズアップ実験法 series 338 三次元自動細胞追跡ツール:3DeeCellTrackerで解析できることと使い方2021

    • 著者名/発表者名
      Wen Chentao, 木村幸太郎
    • 雑誌名

      実験医学

      巻: 39 ページ: 2264-2272

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 記憶・意思決定・感情の原理解明を目指した線虫の全脳活動イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      木村幸太郎
    • 学会等名
      第72回「脳の医学・生物学研究会」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 一遺伝子一項説:匂い受容細胞の経験依存的活動変化の数理モデルと遺伝子との対応2023

    • 著者名/発表者名
      木村幸太郎
    • 学会等名
      第75回日本細胞生物学会、シンポジウム:環境を感じる細胞
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Toward understanding whole brain activity associated with emotion in C. elegans,2022

    • 著者名/発表者名
      Ryoga Suzuki, Yuto Endo, Ling Fei Tee, Chentao Wen, Kotaro Kimura
    • 学会等名
      NEURO2022 (The 45th Anual Meeting of the Japan Neuroscience Society), Okinawa Japan
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 3DeeCellTracker: a deep learning-based method for tracking cells in 3D time lapse images.2021

    • 著者名/発表者名
      Wen C, Kimura K
    • 学会等名
      The 15th IEEE International Conference on Nano/Molecular Medicine & Engineering (IEEE-NANOMED 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Speech-Based Dementia Classification for FTLD Diagnosis Support2021

    • 著者名/発表者名
      Shunya Hanai, Shohei Kato, Koichi Sakaguchi, Takuto Sakuma, Reiko Ohdake, Michihito Masuda, Hirohisa Watanabe
    • 学会等名
      The 2021 IEEE 3rd Global Conference on Life Sciences and Technologies (LifeTech 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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