脳の細胞社会ダイバーシティーをもたらす複雑な神経ネットワーク形成メカニズム

• 研究領域: 細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御
• 研究課題/領域番号: 20H05035
• 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: 大阪大学
• 研究代表者: 八木 健 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 教授 (10241241)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円); 2021年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2020年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
• キーワード: クラスター型プロトカドヘリン / 神経細胞 / シングルセル / 遺伝子発現 / 多様性 / カドヘリン / 細胞系譜 / 遺伝子改変マウス / エピジェネティク / 神経回路 / シナプス / シングルセル解析 / FRET解析 / 神経ネットワーク / ニューロン / １細胞 / エピジェネティックス

研究開始時の研究の概要

脳神経系を理解するためには、個々の神経細胞の多様性をもたらす遺伝子群を用いて、神経細胞の個性獲得と神経回路形成のメカニズムを明らかにする必要がある。脳で発現している多様化細胞接着分子群であるクラスター型プロトカドヘリン（cPcdh）遺伝子群は免疫グロブンリンと類似した可変領域と定常領域からなる遺伝子クラスターを構成し、神経細胞ごとに異なるランダムな組み合わせ発現をしていることが明らかとなっている。本研究では、１神経細胞におけるcPcdh遺伝子群のランダム発現と神経ネットワーク形成を捉え操作することにより、脳の細胞社会ダイバーシティーをもたらす複雑な神経ネットワーク形成メカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

我々は、脳で発現している多様化細胞接着分子群であるクラスター型プロトカドヘリン（cPcdh）遺伝子群を発見し、この遺伝子群が免疫グロブンリンと類似した可変領域と定常領域からなる遺伝子クラスターを構成し、個々の神経細胞ごとに異なるランダムな組み合わせ発現をしていることを明らかにしてきた。本研究では、複雑な神経ネットワークである脳における細胞社会ダイバーシティーを、１神経細胞におけるcPcdh遺伝子群のランダム発現と神経ネットワーク形成を捉え操作することにより明らかにする。本年度は、以下の項目について研究を行った。
１）キメラマウスの大脳皮質において、同一神経細胞系譜となる神経細胞をホールセルパッチクランプ法により細胞質を吸引してRamDA-seq法を用いてRNAシーケンスを行い、シングルセルレベルでのcPcdh遺伝子発現パターンとクローン性との関係について解析を行った。
２）cPcdh遺伝子のランダム発現を可視化したβ3-Tomatoノックインマウスを用いて、同一細胞系譜のクローン性ある細胞でのβ3-Tomato発現を解析した。また、β3-GFP及びβ19-Tomatoノックインマウスの作製に成功し、cPcdh遺伝子発現が個体間、左右間で異なるランダム発現であることを明らかにした。
３）FRETによりcPcdhアイソフォーム接着活性を可視化するFRET-cPcdhプローブの開発に成功し、このFRET-cPcdhプローブがマウス生体内で機能的であることを明らかにした。
４）58種類のcPcdhアイソフォームの内、マウス生存にはこれまでに知られているcPcdhgC3, gC4, gC5だけでなく、他の53種類のcPcdhアイソフォームもマウス生存に必須であることを明らかにし論文として発表した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] Isoform requirement of clustered protocadherin for preventing neuronal apoptosis and neonatal lethality (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Hiroaki、Takemoto Kenji、Sanbo Makoto、Hirabayashi Masumi、Hirabayashi Takahiro、Hirayama Teruyoshi、Kiyonari Hiroshi、Abe Takaya、Yagi Takeshi
  • 雑誌名: iScience 巻: 26 号: 1 ページ: 105766-105766
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105766
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Double mutation of claudin-1 and claudin-3 causes alopecia in infant mice (2023)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Koya、Yamaga Kosuke、Tokumasu Reitaro、Katsuno Tatsuya、Tanaka Hiroo、Chiba Shuhei、Yagi Takeshi、Katayama Ichiro、Tamura Atsushi、Murota Hiroyuki、Tsukita Sachiko
  • 雑誌名: Annals of the New York Academy of Sciences 巻: 1523 号: 1 ページ: 51
  • DOI: 10.1111/nyas.14980
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Early embryonic mutations reveal dynamics of somatic and germ cell lineages in mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Arikuni Uchimura, Hirotaka Matsumoto, Yasunari Satoh, Yohei Minakuchi, Sayaka Wakayama, Teruhiko Wakayama, Mayumi Higuchi, Atsushi Toyoda, Yoichi Gondo, et al.
  • 雑誌名: Genome Research 巻: 32 ページ: 945-955
  • DOI: 10.1101/gr.276363.121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CTCF loss induces giant lamellar bodies in Purkinje cell dendrites. (2022)
  • 著者名/発表者名: Teruyoshi Hirayama, Yuuki Kadooka, Etsuko Tarusawa, Sei Saitoh, Hisako Nakayama, Natsumi Hoshino, Soichiro Nakama, Takahiro Fukuishi, Yudai Kawanishi, Hiroki Umeshima, Koichi Tomita, Yumiko Yoshimura, Niels Galjart, Kouichi Hashimoto, Nobuhiko Ohno, Takeshi Yagi
  • 雑誌名: Acta Neuropathol Commun. 巻: Nov 29;10(1):172 号: 1 ページ: 172-172
  • DOI: 10.1186/s40478-022-01478-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of FRET-based indicators for visualizing homophilic trans interaction of a clustered protocadherin (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanadome Takashi、Hoshino Natsumi、Nagai Takeharu、Matsuda Tomoki、Yagi Takeshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 22237-22237
  • DOI: 10.1038/s41598-021-01481-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] クラスター型プロトカドヘリンαの発現多様性の 欠如がワーキングメモリーに障害をもたらす (2023)
  • 著者名/発表者名: 山本 裕希、大須賀智輝、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] 神経細胞識別コードの可視化：クラスター型プロトカドヘリンの発現解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 金子 涼輔、阿部 学、井上(上野) 由紀子、高鶴裕介、渡辺雅彦、崎村建司、柳川右千夫、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] Developmental integration of clonally-related cortical neural assemblies (2022)
  • 著者名/発表者名: 足澤 悦子、河村菜々実、増田風子、長谷川沙紀、三宝誠、渡辺雅彦、林哲太郎、梅田茉奈、芳村美佳、深澤有吾、平林真澄、二階堂愛、吉村由美子、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] パルブアルブミン陽性神経細胞におけるクラスター型プロトカドヘリンγの欠損が大脳皮質神経回路形成に与える影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 河村 菜々美、足澤悦子、吉村由美子、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] クラスター型プロトカドヘリンの相互作用可視化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 星野 七海、京卓志、足澤悦子、金子涼輔、井上（上野）由紀子、井上高良、松田知己、永井健治、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] 58種類のクラスター型プロトカドヘリン（cPcdh）のうち，PcdhγC4はマウスの生存に唯一必須である (2022)
  • 著者名/発表者名: 樋口 流音、梅澤 遥香、萩 暸、 渡辺 雅彦、 三宝 誠、平林 真澄、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] 脳幹網様体巨大神経細胞におけるグルタミン酸, GABA性神経伝達物質ダブルポジティブ細胞の特性解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大須賀 智輝、和氣 弘明、洲崎 悦生、松本 桂彦、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] PcdhγC4のホモフィリック接着活性を失った γC4ΔEC2マウスの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梅澤 遥香、樋口 流音、渡辺 雅彦、三宝 誠、 平林 真澄、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] Visualization of homophilic interaction of clustered protocadherin in cultured hippocampal neurons (2022)
  • 著者名/発表者名: 高杉 朋実、星野七海、足澤悦子、八木 健
  • 学会等名: NEURO2022/ 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] 視覚野における特異的な神経回路形成とクラスター型プロトカドヘリンとの関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 横田哲也、八木健、金子涼輔
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] プルキンエ細胞と登上線維の結合におけるクラスター型プロトカドヘリンの役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村 朋弥、八木 健、金子 涼輔
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] PcdhγC4はマウスの生存に不可欠であり、50種以上のクラスター型プロトカドヘリン（cPcdh）に多様性を与える唯一のアイソフォームである (2021)
  • 著者名/発表者名: 樋口 流音、星野 七海、渡辺 雅彦、三宝 誠、萩 瞭、大須賀 智輝、平林 真澄、八木 健
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] FRETを利用したクラスター型プロトカドヘリンのホモフィリック相互作用可視化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 星野 七海、京 卓志、足澤 悦子、松田 知己、永井 健治、八木 健
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] ヒトiPS細胞由来大脳オルガノイドにおいてDNAポリメラーゼβ欠損は神経前駆細胞にDNA２本鎖切断を引き起こす (2021)
  • 著者名/発表者名: 千葉 清歌、増田 光起、恒松 大翔、黒沢 綾、足立 典隆、山本 亘彦、八木 健、菅生 紀之
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 複雑な走行運動中のマウスにおけるリズム情報は、線条体のニューロンによってコードされている (2021)
  • 著者名/発表者名: 広兼 浩二朗、中村 徹、寺下 拓真、久保田 康夫、Hu Dan、八木 健、Graybiel Ann、木津川 尚史
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 神経細胞識別コードの可視化：クラスター型プロトカドヘリンの発現解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金子 涼輔、阿部 学、井上 由紀子、高鶴 裕介、渡辺 雅彦、崎村 建司、柳川 右千夫、八木 健
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [備考] 大阪大学 大学院生命機能研究科 時空生物学講座 心生物学研究室
  • URL: https://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/yagi/index.htm