新規の光感受性タンパク質を利用した神経回路形成メカニズムの解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J08137
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 周 至文 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• キーワード: cyclic AMP / グリア / 光遺伝学 / アストロサイト

研究実績の概要

本研究は細胞内シグナル伝達を操作できる新規の光遺伝学手法を用い、脳のメカニズムを解明することを目的としている。
本研究ではまず、細胞内シグナル分子の1種であるcAMPを操作するための新規光感受性タンパク質である光活性化アデニル酸シクラーゼ（PAC）を発現する遺伝子改変マウスを作成し、脳における発現部位、発現細胞種を確認した。結果として、脳内の3種類の主細胞であるアストロサイト、マイクログリアおよび神経細胞それぞれにPACを発現させることに成功した。
次に、PACの機能を検証するために、PAC発現細胞に光刺激を与え、細胞内の応答を観察した。本研究では：１、培養細胞におけるcAMPの直接定量；２、培養細胞にcAMPセンサーを発現させ、イメージング法により光刺激によるcAMPの動的変化の観察；３、生きている動物脳に光刺激を与え、cAMPの下流シグナル分子の染色と言った３つの実験系において光刺激によるcAMPの上昇を確認した。これらの結果は、光刺激がin vitro / in vivo両方においてcAMPを上昇させることが可能であること、その上昇は迅速であること、そして下流シグナルを稼働できることを示した。つまり、これらの遺伝子改変マウスを利用することは、狙った脳領域において光によって高い時間分解能でcAMPを上昇させ、研究対象となる細胞腫のみで生化学的なモジュレーションができる画期的な新技術と言える。
実際、この新技術を利用し、学習時光によるアストロサイトのcAMP上昇が記憶形成にどのような影響を与えるかを調べた。記憶形成時アストロサイトにおけるcAMP上昇が、記憶の維持を促進したことを発見した。

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

1、申請研究で使用する遺伝子改変マウスを期待通りに作製し、神経細胞のみならず、各細胞種にPACを発現させることができた。
2、光遺伝学を利用するために、光刺激をin vitroとin vivoで与える系を新しく構築し、これらによるcAMP上昇の評価を可能にした。
3、in vivoで細胞内cAMPを上昇させた場合、フェノタイプが観察された。

今後の研究の推進方策

in vivoで光刺激によるcAMPの上昇を行い、健常マウスの行動や学習に与える影響を検証する。また、損傷モデルにおいて光刺激によるcAMP上昇が免疫担当細胞であるマイクログリアとアストロサイト、そして損傷を受けた神経細胞に与える影響を調べ、損傷によるフェノタイプをレスキューする可能性を検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Structural insight into photoactivation of an adenylate cyclase from a photosynthetic cyanobacterium (2016)
  • 著者名/発表者名: Mio Ohkia, Kanako Sugiyama, Fumihiro Kawai, Hitomi Tanaka, Yuuki Nihei, Satoru Unzai, Masumi Takebe, Shigeru Matsunaga, Shin-ichi Adachi, Naoya Shibayama, Zhiwen Zhou, Ryuta Koyama, Yuji Ikegaya, Tetsuo Takahashi, Jeremy R. H. Tame, Mineo Iseki, and Sam-Yong Park
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: vol. 113 no. 24 ページ: 6659-6664
  • DOI: 10.1073/pnas.1517520113
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 脳細胞における光遺伝学的cAMPのin vivo制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 周至文、小野寺純也、平木俊光、安藤めぐみ、田中謙二、小山隆太、池谷裕二
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県 千葉市）
  • 年月日: 2017-07-21 – 2017-07-21