大脳新皮質の層構造と機能

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: 神経細胞の多様性と大脳新皮質の構築
• 研究課題/領域番号: 22123008
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 三品 昌美 立命館大学, 総合科学技術研究機構, 教授 (80144351)
• 研究期間 (年度): 2010-06-23 – 2015-03-31
• キーワード: 神経科学 / 脳神経疾患 / 遺伝子 / 大脳新皮質 / シナプス / 学習 / 知的障害 / 自閉症

研究概要

IL1-receptor accessory protein-like 1 (IL1RAPL1) は非症候性 X染色体連鎖知的障害の原因遺伝子として同定され、その後、自閉症家系においてもその遺伝子変異が報告されている。我々は、純系C57BL/6遺伝子背景の下にIL1RAPL1欠損マウスを作成し、IL1RAPL1のシナプス形成誘導活性の消失に対応して大脳皮質および海馬の錐体神経細胞のスパイン密度が有意に減少していることを見いだすとともに空間参照記憶課題（Barnes maze test）、空間作業記憶課題（eight-arm radial maze and T-meze tests）及び恐怖条件付け学習課題のいずれにおいても障害が認められることを明らかにした。
情動は動物の評価、意思決定、行動に重要な役割を担っている。中でも恐怖記憶は、動物の生存を脅かす様な状況への適応行動に必須である。行き過ぎた恐怖学習は、時に精神障害の原因ともなっている。恐怖条件付け学習のパラダイムを用いた多くの研究の積み重ねから、扁桃体、海馬及び内側前頭皮質が恐怖記憶の獲得、保持、想起、消去に重要であることが明らかにされている。我々は、線条体の中型有棘神経細胞を誘導的に除去出来るマウス系統を樹立し、文脈依存恐怖学習に線条体神経細胞が必須であることを明らかにした。さらに、線条体特異的にドパミンD1受容体あるいはD2受容体を欠損するマウスを作成し、文脈依存恐怖学習は線条体D2受容体の有無には影響されないが、線条体D1受容体の存在に大きく依存することを見いだした。したがって、ドパミン神経はD1受容体を介して恐怖に関わる負の情動シグナルを線条体に伝え、線条体直接路が文脈依存恐怖記憶の形成に重要な役割を担っていることを明らかにした。

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

我々は、知的障害と自閉症の原因分子として知られるIL1RAPL1がシナプス前部の PTPδと相互作用することにより、大脳皮質神経細胞のシナプス形成を制御していることを明らかにし、IL1RAPL1の欠損は神経ネットワーク形成の不全を引き起こし、知的障害と自閉症の引き金となっていることを提唱した（J. Neurosci., 2011）。また、免疫・炎症反応に重要な役割を担っているIL-1受容体複合体を構成するIL-1 receptor accessory protein (IL-1RAcP)もシナプス前部のPTPδと相互作用することにより大脳皮質神経細胞の興奮性シナプス形成を制御していることを明らかにした（J. Neurosci., 2012）。さらに、純系C57BL/6遺伝子背景の下にIL1RAPL1欠損マウスを作成し、大脳皮質および海馬の錐体神経細胞のスパイン密度が有意に減少していることを見いだすとともに空間参照記憶、空間作業記憶及び恐怖条件付け学習のいずれにおいても障害が認められることを明らかにした。平行して、文脈依存恐怖学習に線条体中型有棘神経細胞が必須であることを明らかにし、線条体特異的にドパミンD1受容体あるいはD2受容体を欠損するマウスを作成・解析することにより、ドパミンD1受容体を介する線条体直接路が文脈依存恐怖記憶の形成に重要な役割を担っていることを明らかにした（Mol. Brain, 2013; Sci. Rep., 2014）。このように、脳神経細胞ネットワーク形成の鍵となるシナプス形成のメカニズム解明を大きく進展させ、本新学術領域研究「神経細胞の多様性と大脳新皮質の構築」に貢献することができた。

今後の研究の推進方策

本新学術領域研究「神経細胞の多様性と大脳新皮質の構築」に関する中間評価コメントは「今後、発達障害原因遺伝子のシナプス形成機構への関与の発見や霊長類の視覚野特異的な遺伝子発現の解析などの研究成果が、個別研究から発展して本領域の核となる仕事に発展すれば、他の脳科学領域への波及効果も大きいと思われる。」であった。中間評価コメントに従い、大脳神経細胞ネットワーク形成の鍵となるシナプス形成のメカニズム解明を推進し、大脳神経細胞シナプス形成が高次脳機能に及ぼす影響を解析するとともに精神疾患との関わりを探求する。具体的には、IL1RAPL1とtrans-synapticに相互作用するシナプス前部の受容体型チロシン脱リン酸化酵素 PTPδはLAR, PTPσと分子群を構成し多様なスプライトバリアントが存在している。同様に、GluRδ2とtrans-synapticに相互作用するシナプス前部のNeurexinも多様な分子群から成っている。我々が開発したcross-linkerを用いたシナプス形成分子のunbiased screening法を発展させることにより、大脳シナプス前部における主要なシナプス形成分子であると考えられるPTP分子群とNeurexin分子群と相互作用するシナプス後部分子群を探索し、大脳シナプス形成における機能を明らかにする。知的障害と自閉症のモデル動物としてIL1RAPL1欠損マウスの表現系解析を系統的に進め、精神疾患モデル動物としてIL1RAPL1欠損マウスを関連精神疾患研究者に提供する。

研究成果

• [雑誌論文] Tolerance to ethanol intoxication after chronic ethanol: role of GluN2A and PSD-95 (2015)
  • 著者名/発表者名: Rachel Anne Daut, Erica Faye Busch, Jessica Ihne, Daniel Fisher, Masayoshi Mishina, Seth Grant, Marguerite Camp and Andrew Holmes
  • 雑誌名: Addiction Biology 巻: 20 ページ: 259-262
  • DOI: 10.1111/adb.12110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Striatal dopamine D1 receptor is essential for contextual fear conditioning (2014)
  • 著者名/発表者名: Masaru Ikegami, Takeshi Uemura, Ayumi Kishioka, Kenji Sakimura and Masayoshi Mishina
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 3976 (E-pub)
  • DOI: 10.1038/srep03976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Consolidation of auditory fear memories formed by weak unconditioned stimuli requires NMDA receptor activation and de novo protein synthesis in the striatum. (2013)
  • 著者名/発表者名: Ayumi Kishioka, Takeshi Uemura, Fumiaki Fukushima and Masayoshi Mishina
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 6 ページ: 17 (E-pub)
  • DOI: 10.1186/1756-6606-6-17
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dock3 interaction with a glutamate-receptor NR2D subunit protects neurons from excitotoxicity (2013)
  • 著者名/発表者名: Ning Bai, Hideki Hayashi, Tomomi Aida, Kazuhiko Namekata, Takayuki Harada, Masayoshi Mishina and Kohichi Tanaka
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 6 ページ: 22 (E-pub)
  • DOI: 10.1186/1756-6606-6-22
  • 査読あり
• [雑誌論文] IL1RAPL1 associated with mental retardation and autism regulates the formation and stabilization of glutamatergic synapses of cortical neurons through RhoA signaling pathway (2013)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hayashi, Tomoyuki Yoshida, Moonjin Ra, Ryo Taguchi and Masayoshi Mishina
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 8 ページ: e66254 (E-pub)
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0066254
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of convergent activation of glutamatergic and dopaminergic systems in the nucleus accumbens in the development of methamphetamine psychosis and dependence (2013)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Miyazaki, Yukihiro Noda, Akihiro Mouri, Kazuto Kobayashi, Masayoshi Mishina, Toshitaka Nabeshima and Kiyofumi Yamada
  • 雑誌名: International Journal of Neuropsychopharmacology 巻: 16 ページ: 1341-1350
  • DOI: 10.1017/S1461145712001356
  • 査読あり
• [雑誌論文] NMDA receptor subunits have different roles in NMDA-induced neurotoxicity in the retina (2013)
  • 著者名/発表者名: Ning Bai, Tomomi Aida, Michiko Yanagisawa, Sayaka Katou, Kenji Sakimura, Masayoshi Mishina and Kohichi Tanaka
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 6 ページ: 34 (E-pub)
  • DOI: 10.1186/1756-6606-6-34
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phenotypic characterization of orofacial movement topography in mutants with disruption of amino acid mechanisms: glutamate N2A/B/D [GluRε1/2/4] subtypes and the GABA synthesizing enzyme GAD65 (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsunori Tomiyama, Risako Kato, Yaeko Hara, Masayuki Kobayashi, Masayoshi Mishina, Yuchio Yanagawa, Anthony Kinsella, Noriaki Koshikawa and John L. Waddington
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 250 ページ: 743-754
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2013.07.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Involvement of the N-methyl-D-aspartate receptor GluN2D subunit in phencyclidine-induced motor impairment, gene expression, and increased Fos immunoreactivity (2013)
  • 著者名/発表者名: Hideko Yamamoto, Etsuko Kamegaya, Wakako Sawada, Ryota Hasegawa, Toshifumi Yamamoto, Yoko Hagino, Yukio Takamatsu, Kazuhide Imai, Hisashi Koga, Masayoshi Mishina and Kazutaka Ikeda
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 6 ページ: 56 (E-pub)
  • DOI: 10.1186/1756-6606-6-56
  • 査読あり
• [学会発表] Synapse formation in the brain and developmental disorders
  • 著者名/発表者名: Masayoshi Mishina
  • 学会等名: The 12th Meeting of Asia Pacific Federation of Pharmacologists
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 招待講演
• [学会発表] IL1RAPL1 associated with mental retardation and autism regulates the formation and stabilization of glutamatergic synapses of cortical neurons through RhoA signaling pathway.
  • 著者名/発表者名: Masayoshi Mishina
  • 学会等名: International Symposium “Neocortical Organization 2”
  • 発表場所: 愛知県、岡崎カンファレンスセンター
• [学会発表] Negative emotional states in the GluN2D subunit knockout mice
  • 著者名/発表者名: Hideko Yamamoto, Etsuko Kamegaya, Yoko Hagino, Yukio Takamatsu, Toshifumi Yamamoto, Masayoshi Mishina and Kazutaka Ikeda
  • 学会等名: The 43rd Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: San Diego, California, USA
• [学会発表] 発達障害と脳のシナプス形成
  • 著者名/発表者名: 三品昌美
  • 学会等名: 第55回日本小児神経学会学術集会
  • 発表場所: 大分県、iichiko総合文化センター
  • 招待講演
• [学会発表] IL1RAPL1 regulates the formation and stabilization of glutamatergic synapses of cortical neurons through RhoA signaling pathway
  • 著者名/発表者名: Takashi Hayashi, Tomoyuki Yoshida, Masayoshi Mishina
  • 学会等名: The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: 京都府、国立京都国際会館