シナプス前部と後部の相互作用機構

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01387
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岡部 繁男 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (60204012)
• 研究分担者: 原田 彰宏 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (40251441)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 分子神経生物学 / イメージング / シナプス形成 / スパイン

研究実績の概要

軸索構造の一部であり神経伝達物質を放出するシナプス前部と、樹状突起の構造の一部であり神経伝達物質を結合する受容体が集積するシナプス後部が特異的に結合することでシナプスはその機能を発揮する。本研究ではシナプス前部とシナプス後部の間での相互作用がシナプス自体の機能、発達、リモデリングをどのように制御するのかを明らかにする。そのために以下の3項目、(A) シナプス前部から放出されシナプス形成を抑制する分子の作用機構の解明　(B) シナプス前部と後部の形態変化の特徴抽出と形態・機能相関の解明　(C) シナプス前部によるシナプス動態制御機構の生体内での解析　を研究の柱として、相互に連携した研究を実施している。(A)の項目においては、培養海馬神経細胞の回路の興奮性を変化させた時に発現が変化する液性因子としてBMP4に着目して研究を実施し、BMP4が軸索内を運搬されてシナプス前部から放出され、シナプス前部・後部の構造を縮退させ、最終的にはシナプス除去を引き起こす分子であることを示した。(B)の項目においては、構造化照明によるイメージング(SIM)と画像処理技術を最適化することで、スパインの3次元構造の定量的な解析手法を実現し、この手法を用いたシナプス動態解析を実施した。(C)の項目においては視床からの投射を受けるスパインと大脳皮質内で投射を受けるスパインについて、同じ樹状突起で隣接していてもその動態が全く異なることから、パートナーとなるシナプス前部側によって制御されている可能性を検討した。

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

(A) シナプス前部から放出されシナプス形成を抑制する分子の作用機構の解明：BMP4の局在・動態を解析し、以下の点を明らかにした。(A) BMP4は軸索により多く存在し、速い軸索流によって運搬される。(B) BMP4はシナプス近傍で放出され、放出後は軸索表面に係留される。(C) BMP4の過剰発現とノックアウトの結果はシナプス前部の形成に対する負の影響を示唆する。(D) BMP4のノックアウトではスパインの密度増加と形態発達が促進される。(E) BMP受容体が軸索表面へのBMP4の係留に必要であり、BMP4によるシナプス発達の抑制という表現型も受容体のノックダウンにより消失する。これらの結果はBMP4がシナプス前部から放出され、シナプス前部と後部の発達を抑制する負のシナプス制御分子であることを強く示唆している。
(B) シナプス前部と後部の形態変化の特徴抽出と形態・機能相関の解明：構造化照明によるイメージング(SIM)と画像処理技術の改善により、スパインの3次元構造の定量的な解析を効率良く行う系を確立した。SIMにより得られた画像データと同じスパインの透過型電子顕微鏡による立体再構築データの比較により、本手法の精度を確認できた。更にグルタミン酸のuncagingとSIMによるスパイン形態の解析を組み合わせることで、シナプス可塑性を誘導する前後でのスパイン形態の変化を解析した。
(C) シナプス前部によるシナプス動態制御機構の生体内での解析：同じ樹状突起の隣接する二つのスパインにおいても、その動態が入力の性質により独立に制御されることを既に見出している。この違いはパートナーとなるシナプス前部側によって制御されている可能性が高いため、BMP4も含め軸索由来の制御分子についての検索を実施した。具体的には大脳皮質内の軸索によるシナプス結合に関して、BMP4の役割を評価した。

今後の研究の推進方策

これまでに研究計画は順調に進んでおり、特に項目(A)においてBMP4の機能がシナプス除去であることが明確になったのは大きな進展である。今後は以下の点について特に力を入れて解析を進めたい。
(A) シナプス前部から放出されシナプス形成を抑制する分子の作用機構の解明：これまでの結果はBMP4がシナプス前部から放出され、シナプス前部と後部の発達を抑制する負のシナプス制御分子であることを強く示唆しており、その神経系における発現のパターンと神経細胞における局在を更に追求する必要がある。またBMPの受容体が果たす役割と更に下流のシグナル伝達系の機能についても検討を行う。個体レベルでのBMP4の役割についても過剰発現、細胞特異的ノックアウトの実験系を活用して解析する。
(B) シナプス前部と後部の形態変化の特徴抽出と形態・機能相関の解明：SIMによるイメージングと画像処理技術を組み合わせる事により、スパインの3次元構造の定量的な解析を効率良く行う系が確立された事を踏まえて、更にSIMイメージングをシナプスの動態解析に利用することが可能かどうかを検討する。
(C) シナプス前部によるシナプス動態制御機構の生体内での解析：同じ樹状突起の隣接する二つのスパインにおいて、その動態が入力の性質により独立に制御されるメカニズムを更に追求するため、典型的な大脳皮質へのシナプス入力である皮質内の投射と視床からの投射に絞って、この両者の軸索の持つ違いの分子基盤を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] In vivo observation of structural changes in neocortical catecholaminergic projections in response to drugs of abuse (2018)
  • 著者名/発表者名: Morimoto, M. Tanaka, S., Mizutani, S., Urata, S., Kobayashi, K. Okabe, S.
  • 雑誌名: eNeuro 巻: 6 ページ: 5(1)
  • DOI: 10.1523/ENEURO.0071-17.2018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synapse Elimination Triggered by BMP4 Exocytosis and Presynaptic BMP Receptor Activation (2018)
  • 著者名/発表者名: Higashi Takahito、Tanaka Shinji、Iida Tadatsune、Okabe Shigeo
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 22 ページ: 919～929
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2017.12.101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics (2018)
  • 著者名/発表者名: Chen Shuo、Weitemier Adam Z.、Zeng Xiao、He Linmeng、Wang Xiyu、Tao Yanqiu、Huang Arthur J. Y.、Hashimotodani Yuki、Kano Masanobu、Iwasaki Hirohide、Parajuli Laxmi Kumar、Okabe Shigeo、Teh Daniel B. Loong、All Angelo H.、Tsutsui-Kimura Iku、Tanaka Kenji F.、Liu Xiaogang、McHugh Thomas J.
  • 雑誌名: Science 巻: 359 ページ: 679～684
  • DOI: 10.1126/science.aaq1144
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] AMPA glutamate receptors are required for sensory-organ formation and morphogenesis in the basal chordate (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirai Shinobu、Hotta Kohji、Kubo Yoshihiro、Nishino Atsuo、Okabe Shigeo、Okamura Yasushi、Okado Haruo
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 114 ページ: 3939～3944
  • DOI: 10.1073/pnas.1612943114
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Serotonin rebalances cortical tuning and behavior linked to autism symptoms in 15q11-13 CNV mice (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakai, N., Nagano M., Saitow F, Watanabe W., Kawamura Y., Kawamoto A., Tamada K., Mizuma H., Onoe H., Watanabe Y., Monai H., Hirase H., Nakatani J., Inagaki H., Kawada T., Miyazaki T., Watanabe M., Sato Y., Okabe S., Kitamura K., Kano M., Hashimoto K., Suzuki H., Takumi, T
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 3 ページ: e1603001
  • DOI: 10.1126/sciadv.1603001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantification of sympathetic hyperinnervation and denervation after myocardial infarction by three-dimensional assessment of the cardiac sympathetic network in cleared transparent murine hearts (2017)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Teruki、Lee Jong-Kook、Miwa Keiko、Opthof Tobias、Tomoyama Satoki、Nakanishi Hiroyuki、Yoshida Akira、Yasui Haruyo、Iida Tadatsune、Miyagawa Shigeru、Okabe Shigeo、Sawa Yoshiki、Sakata Yasushi、Komuro Issei
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 12 ページ: e0182072
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0182072
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fluorescence imaging of synapse dynamics in normal circuit maturation and in developmental disorders (2017)
  • 著者名/発表者名: OKABE Shigeo
  • 雑誌名: Proceedings of the Japan Academy, Series B. 巻: 93 ページ: 483～497
  • DOI: 10.2183/pjab.93.029
  • 査読あり
• [雑誌論文] Developmental stage-dependent regulation of spine formation by calcium-calmodulin-dependent protein kinase IIα and Rap1 (2017)
  • 著者名/発表者名: Cornelia Koeberle Solveigh、Tanaka Shinji、Kuriu Toshihiko、Iwasaki Hirohide、Koeberle Andreas、Schulz Alexander、Helbing Dario-Lucas、Yamagata Yoko、Morrison Helen、Okabe Shigeo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 13409
  • DOI: 10.1038/s41598-017-13728-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Three-dimensional reconstruction of dendritic spines by scanning electron microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirohide Iwasaki, Shinji Tanaka, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [学会発表] 海馬神経細胞スパインにおけるcortactinの機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 増田康隆、岡部繁男
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [学会発表] 海馬神経細胞樹状突起におけるVASPの機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩崎奏子、小橋一喜、岡部繁男
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [学会発表] 興奮性・抑制性ニューロンにおける転写因子Smad1の機能・動態解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小松大樹、東誉人、岡部繁男
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [学会発表] 海馬分散培養における有芯小胞の放出の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 福田裕太、柏木有太郎、岡部繁男
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [学会発表] 海馬錐体細胞へ投射する軸索切断後のシナプス後部変化のライブイメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 張琢成、柏木有太郎、岡部繁男
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [学会発表] Regulation of molecular mobility inside dendritic spines (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Obashi, Atsushi Matsuda, Yasuhiro Inoue, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [学会発表] イメージングによる脳神経回路の発達とその障害の理解 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第29回臨床MR脳機能研究会
• [学会発表] シナプスイメージングによる神経ネットワーク研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第３７回日本脳神経外科コングレス総会
• [学会発表] Imaging synapse formation and remodeling in vitro and in vivo (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: Make Life Visible” the 12th Uehara International Symposium 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular mobility and structure inside dendritic spines of cultured hippocampal neurons. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Obashi, Yasuhiro Inoue, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Kinetic and functional analysis of Smad1 transcription factor in hippocampal neurons. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Komatsu, Takahito Higashi, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Functional analysis of VASP in dendritic spine development using time-lapse live cell imaging. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kanako Iwasaki, Kazuki Obashi, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Anatomical diversity of dendritic spines and their organizational principles in a subset of central synapses. (2017)
  • 著者名/発表者名: Laxmi Kumar Parajuli, Ai Takahashi, Hirohide Iwasaki, Yugo Fukazawa, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Ultrastructural properties of synapses and glia in a mouse model of autism studied by focused ion beam-scanning microscopy (FIB-SEM). (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuka Sato, Toru Takumi, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Cortical spatial domains defined by microglia influence spine turnover in vivo. (2017)
  • 著者名/発表者名: Tadatsune Iida, Shinji Tanaka, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Quantitative analysis of spine morphology and dynamics by SIM microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Rapid clearing and labeling of mouse cochlea by modified ScaleS enable exhaustive analysis of hair cell pathology. (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinji Urata, Tadatsune Iida, Yu Mizushima, Chisato Fujimoto, Yu Matsumoto, Tatsuya Yamasoba, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Imaging technologies for the understanding of neural circuit construction and dysfunction. (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: “KBRI 5th anniversary symposium: Genes, circuit and brain function” The 20th Annual Meeting of the Korean Society for Brain and Neural Science.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 精神疾患モデルマウスでのシナプスイメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第３６回日本認知症学会学術集会
  • 招待講演
• [備考] 東京大学大学院医学系研究科神経細胞生物学分野ウェブサイト
  • URL: http://synapse.m.u-tokyo.ac.jp/index.html
• [備考] 大阪大学大学院医学系研究科細胞生物学ウェブサイト
  • URL: http://www.med.osaka-u.ac.jp/pub/acb/