シンギュラリティシナプスの探索と機能解析

• 研究領域: シンギュラリティ生物学
• 研究課題/領域番号: 19H05434
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円); 2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2019年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
• キーワード: シナプス / シグナル伝達 / 時空間制御

研究開始時の研究の概要

海馬や大脳皮質の興奮性神経細胞上には数千個以上のシナプス（スパイン）が存在しており、多数のシナプスからの入力を同時に受けることで活動電位を発生する。一方で、我々は最近、個々のスパインの反応性に大きなバラつきがあり、入力に対して極めて大きな出力を生むものが存在していることを見出しつつある。本研究の目的は、入力信号を大きな出力に変換し、細胞状態を大きく変えるようなキーとなるスパイン（シンギュラリティスパイン）を最先端の光学顕微鏡を駆使することで同定しその分子メカニズムを明らかにすることである。

研究実績の概要

海馬や大脳皮質の興奮性神経細胞上には数千個以上のシナプスが存在しており、多数のシナプスからの入力を同時に受けることで活動電位を発生する。本研究の目的は、入力信号を大きな出力に変換し、細胞状態を大きく変えるようなキーとなるスパイン（シンギュラリティスパイン）を同定しその分子メカニズムを明らかにすることであった。具体的には、シナプスの形態変化や長期増強にとって重要な働きをしていると考えられるCaMKII分子に着目し、その活性を青色光照射で制御できるように遺伝子改変を行った。これを神経細胞に応用し、単一スパインを定量的に活性化させた時のスパイン内シグナリングと形態変化を2光子蛍光寿命イメージング顕微鏡でモニターした。これにより、単一スパイン内で光応答性CaMKIIを活性化させるとスパイン体積の増大と低分子量Gタンパク質Cdc42の活性化が惹起されることを見出した。さらに、光応答性CaMKIIを近接する7個程度のスパインでほぼ同時に活性化させると、単一スパイン刺激の時よりも持続的なCdc42活性化とスパイン体積の増大が観察された。すなわち、CaMKIIの空間的活性化パターンが、シンギュラリティ的にシナプス可塑性のレベルを調節する機構が存在することを見出した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Photoactivatable CaMKII induces synaptic plasticity in single synapses (2021)
  • 著者名/発表者名: Shibata Akihiro C. E.、Ueda Hiromi H.、Eto Kei、Onda Maki、Sato Aiko、Ohba Tatsuko、Nabekura Junichi、Murakoshi Hideji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 751-751
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21025-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optogenetic imaging of protein activity in the synapse by using 2-photon fluorescence lifetime imaging microscopy. (2021)
  • 著者名/発表者名: Murakoshi H
  • 雑誌名: the Advances in Experimental Medicine and Biology book series 巻: - ページ: 295-308
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_18
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • 査読あり
• [雑誌論文] Short-wavelength, ultrafast thulium-doped fiber laser system for three-photon microscopy. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nomura Y, Murakoshi H, and Fuji T.
  • 雑誌名: OSA continuum 巻: 3 号: 6 ページ: 1428-1435
  • DOI: 10.1364/osac.395410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Histamine depolarizes rat intracardiac ganglion neurons through the activation of TRPC non-selective cation channels. (2020)
  • 著者名/発表者名: Aya Sato, Shiho Arichi, Fumiaki Kojima, Toru Hayashi, Tatsuko Ohba, Dennis Lawrence Cheung, Kei Eto, Madoka Narushima, Hideji Murakoshi, Yoshihiro Maruo, Yuichi Kadoya, Junichi Nabekura, Hitoshi Ishibashi.
  • 雑誌名: Eur J Pharmacol. 巻: 886 ページ: 173536-173536
  • DOI: 10.1016/j.ejphar.2020.173536
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] 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 (2019)
  • 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
• [学会発表] 2光子蛍光寿命イメージング顕微鏡によるシグナル分子活性の定量計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 学会等名: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第41回年次大会 オンライン
  • 招待講演
• [学会発表] A photoactivatable CaMKII induces synaptic plasticity in single synapses. (2020)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 学会等名: 生理研国際研究会（オンライン）「Synapse and System Plasticity of Learning and Memory」
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CaMKII経路の単一シナプス内光操作と分子活性イメージング (2020)
  • 著者名/発表者名: 村越秀治
  • 学会等名: 生理研研究会「シナプスを見る、測る、操る－新たな技術で挑むシナプス学」
  • 招待講演
• [学会発表] Spatiotemporal manipulation and imaging of signaling molecules in neurons (2020)
  • 著者名/発表者名: Hideji Murakoshi
  • 学会等名: The 50th NIPS International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [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
  • 国際学会 / 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: 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
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 生理学研究所 村越研究室
  • URL: http://www.nips.ac.jp/multiphoton/