発達期と成熟後のスクラップ&ビルドによる小脳神経回路の動的制御

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: スクラップ＆ビルドによる脳機能の動的制御
• 研究課題/領域番号: 16H06461
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 柚崎 通介 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 教授 (40365226)
• 研究分担者: 溝口 明 三重大学, 医学系研究科, 教授 (90181916)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: 神経科学 / 小脳 / シナプス / 樹状突起 / 発生・分化

研究実績の概要

小脳神経回路においては、発達期から成熟後にかけてさまざまな破壊を伴う創造現象（スクラップ＆ビルド）が観察される。まず、幼若プルキンエ細胞の複数の樹状突起は、生後8日目までに1本のみが選択的に強化されて残りは刈り込まれる。また生後8日目以降になり、プルキンエ細胞に入力する複数の登上線維が刈り込まれて、1本の登上線維が選択的に強化される。さらに成熟後においても、プルキンエ細胞の樹状突起上における平行線維と登上線維の支配領域は競合的に再編される。「創造と破壊」が一体どのように連動するのか、発達期と成熟期でどのような原理が連続/非連続的に用いられるのか、といった問いに答え、スクラップ＆ビルド現象の基本原理の解明を目的とする。
これまでに2光子顕微鏡を用いたin vivoイメージング法を用いてプルキンエ細胞樹状突起の発達過程について検討を行い、複数の樹状突起が一本化する分子機構を検討してきた。この過程にはカルシウムチャネルおよびNMDA型グルタミン酸受容体活性化に引き続く、カルモデュリンキナーゼ(CaMKII)の活性化が必要であることを見出した。今年度は樹状突起ごとの局所的なCaMKII活性の必要性について明らかにするために、光照射によるCaMKII活性制御法を導入して検討を進めた。一方、平行線維-プルキンエ細胞シナプス形成には補体関連分子Cbln1が必要である。Cbln1は平行線維の軸索中に存在するライソソーム内に局在し、神経活動とともにライソソーム酵素とともに放出されることを見出しNeuron誌に報告した。ライソソーム酵素は細胞外基質を破壊することが知られているので、神経活動に応じて、細胞外基質破壊（スクラップ）とCbln1によるシナプス形成（ビルド）を協調して引き起こす新しいスクラップ＆ビルド原理を提唱することができた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

幼若マウス小脳におけるin vivoイメージングは、呼吸による体動の影響を受けやすく、かつ脆弱であることに加えて、ほ乳中であるために様々な技術的困難さがつきまとった。しかし本技術の確立に成功し、樹状突起刈り込み分子機構の解明を進めることができた。技術面での確立や、当初の予定より内容が膨らんだために論文化は遅れているが、本年度には論文化できるものと考えている。一方、シナプス形成分子であるCbln1が小脳顆粒細胞の軸索中に存在するライソソーム内に局在し、神経活動とともにライソソーム酵素とともに放出されることを見出しNeuron誌に報告した。ライソソーム酵素は細胞外基質を破壊することが知られているので、神経活動に応じて、細胞外基質破壊（スクラップ）とCbln1によるシナプス形成（ビルド）を協調して引き起こす新しいスクラップ＆ビルド原理を提唱することができたため、当初の計画以上に進展していると評価した。

今後の研究の推進方策

[計画1 樹状突起の選択的強化と除去機構] プルキンエ細胞の樹状突起発達過程におけるスクラップ＆ビルド現象（単一の樹状突起の選択的強化と残りの樹状突起の除去）については、これまでに明らかにした細胞内シグナリング機構（カルモデュリンキナーゼ活性化）の果たす役割の因果関係について、光活性化カルモデュリンキナーゼ制御ツールを用いて明らかにし、本年中に論文化する。
[計画2 入力線維の選択的強化と除去を担う分子基盤] プルキンエ細胞は幼若時には複数の登上線維とシナプスを形成するが、生後3－7日の間に1本の登上線維が機能的に強化され、生後8日目以降に強い登上線維がより強化され弱い登上線維は除去される。登上線維から分泌される補体関連分子C1qL1とその受容体であるGタンパク共役型受容体Bai3によるC1qL1-Bai3シグナリングは、このような発達時の登上線維刈り込みのみでなく、成熟後の小脳神経回路においても登上線維シナプスの再形成とその刈り込みを制御することが分かってきた。そこで計画1と計画2とを統合する形で、本年度も引き続き成熟後の神経回路に焦点をおき、C1qL1-Bai3シグナリング機構の解明を推し進め論文化する。

研究成果

• [雑誌論文] Visualization of AMPA receptors in living human brain with positron emission tomography. (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki T, Nakajima W, Hatano M, Shibata Y, Kuroki Y, Arisawa T, Mimura M, Yuzaki M, Kato H, Higuchi M, Uchida H, Takahashi T.
  • 雑誌名: Nature Medicine 巻: 26 ページ: 281-288
  • DOI: 10.1038/s41591-019-0723-9..
  • 査読あり
• [雑誌論文] Craig AM. Optimizing Nervous System-Specific Gene Targeting with Cre Driver Lines: Prevalence of Germline Recombination and Influencing Factors. (2020)
  • 著者名/発表者名: Luo L, Ambrozkiewicz MC, Benseler F, Chen C, Dumontier E,Verhage M, Yuzaki M, Zoghbi HY, Kawabe H, Craig AM.,
  • 雑誌名: Neuron 巻: 20 ページ: 37-65
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2020.01.008.
  • 査読あり
• [雑誌論文] In vivo Two-Photon Imaging of Anesthesia-Specific Alterations in Microglial Surveillance and Photodamage-Directed Motility in Mouse Cortex. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sun W, Suzuki K, Toptunov D, Stoyanov S, Yuzaki M, Khiroug L, Dityatev A.
  • 雑誌名: Front Neurosci 巻: 13 ページ: 421
  • DOI: 10.3389/fnins.2019.00421.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Activity-dependent secretion of synaptic organizer Cbln1 from lysosomes in granule cell axons. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ibata K, Kono M, Narumi S, Motohashi J, Kakegawa W, Kohda K, Yuzaki M.
  • 雑誌名: Neuron 巻: 102 ページ: 1184-1198
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2019.03.044.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mice lacking EFA6C/Psd2, a guanine nucleotide exchange factor for Arf6, exhibit lower Purkinje cell synaptic density but normal cerebellar motor functions. (2019)
  • 著者名/発表者名: Saegusa S, Fukaya M, Kakegawa W, Tanaka M, Katsumata O, Sugawara T, Hara Y, Itakura M, Okubo T, Sato T, Yuzaki M, Sakagami H
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 14 ページ: e0216960
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0216960.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hyaluronan synthesis supports glutamate transporter activity. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hayashi MK, Nishioka T, Shimizu H, Takahashi K, Kakegawa W, Mikami T, Hirayama Y, Koizumi S, Yoshida S, Yuzaki M, Tammi M, Sekino Y, Kaibuchi K, Shigemoto-Mogami Y, Yasui M, Sato K.
  • 雑誌名: J Neurochem 巻: 150 ページ: 249-263
  • DOI: 10.1111/jnc.14791. Epub 2019 Jul 9.
  • 査読あり
• [学会発表] Casting new light on synaptic plasticity using optogenetic tools. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuzaki M.
  • 学会等名: Symposium on "Molecular Mechanisms of Glutamate Receptor Signaling"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Bridge Over Troubled Synapses: A New Synthetic Synapse Organizer (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuzaki M.
  • 学会等名: The Institut NeuroMyoGene (INMG) Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synaptic iGluRs: a privilege to be at synapses. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuzaki M.
  • 学会等名: Jacques Monod Conference on "ligand-gated ion channels from atomic structure to synaptic transmission"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Regulation of iGluRs by Extracellular Scaffolding Proteins (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuzaki M.
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Excitatory Synapses and Brain Function
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New tools to modify functional & structural synaptic connectivity (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuzaki M.
  • 学会等名: UK-DRI Synapse Symposium on “Physiology and Pathophysiology in Synapse”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Casting new light on synaptic plasticity using optogenetic tools (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuzaki M.
  • 学会等名: US-Japan Brain Research Cooperation Program on “Current Trends and Future Directions of Synapse-Circuit Plasticity Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] グルタミン酸受容体の人工的な活性制御を可能とする新規ケモジェネティクス法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小島憲人、掛川渉、道籏友紀子、窪田亮、柚崎通介、浜地格、清中茂樹
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
• [学会発表] Dynamic Roles of C1ql1-Bai3 Signaling in Formation and Elimination of Climbing Fibers in Adult Cerebellum (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Aimi, Wataru Kakegawa and Michisuke Yuzaki
  • 学会等名: Neuro2019
  • 国際学会
• [学会発表] Trans-synaptic control of iGluR localization and function through C1q families (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiko Matsuda, M. Abe, M. Watanabe, K. Sakimura, Michisuke Yuzaki
  • 学会等名: CNRS - Jacques Monod conference
• [学会発表] Molecular Mechanisms Underlying Dynamic Changes of Synapses in Adult Cerebellum (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Aimi, Wataru Kakegawa and Michisuke Yuzaki
  • 学会等名: Current Trends and Future Directions of Synapse-Circuit Plasticity Research
• [図書] 老年精神医学雑誌 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柚崎通介
  • 総ページ数: 110
  • 出版者: ワールドプランニング
  • ISBN: 0915-6305
• [図書] Clinical Neuroscience (2019)
  • 著者名/発表者名: 掛川渉、松田信爾、柚崎通介
  • 総ページ数: 148
  • 出版者: 中外医学社
  • ISBN: 0289-0585
• [備考] Yuzaki Lab
  • URL: http://www.yuzaki-lab.org/
• [産業財産権] 人口興奮性シナプスコネクタとその脊髄損傷処置への使用 (2019)
  • 発明者名: 柚崎通介,鈴木邦道
  • 権利者名: 柚崎通介,鈴木邦道
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-2879