フォワード・ジェネティクスによる睡眠覚醒制御機構の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06095
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 柳沢 正史 筑波大学, 国際統合睡眠医科学研究機構, 教授 (20202369)
• 研究分担者: 船戸 弘正 筑波大学, 国際統合睡眠医科学研究機構, 客員教授 (90363118) ; Liu Qinghua 筑波大学, 国際統合睡眠医科学研究機構, 教授 (90723792)
• 研究期間 (年度): 2017-04-25 – 2022-03-31
• キーワード: 睡眠覚醒 / 脳神経 / 遺伝子改変マウス / ゲノム編集 / 細胞内シグナル伝達系

研究実績の概要

睡眠は動物に普遍的に認められる行動であり、その不調は心身の疾患リスクを高める。しかし、睡眠覚醒行動を制御する神経科学的メカニズムは不明である。研究代表者らは哺乳類を用いた睡眠のフォワード・ジェネティクス研究により、新規睡眠制御分子としてリン酸化酵素SIK3およびイオンチャネルNALCNを同定した。本研究は、睡眠のフォワード・ジェネティクス研究により新規睡眠制御分子を同定するとともに、SIK3およびNALCNによる睡眠覚醒制御機構解明を目指している。前年度に引き続き脳波筋電図にもとづくランダム点突然変異マウスの睡眠異常スクリーニングを行い遺伝性の睡眠異常を示す家系を複数同定した。SIK３変異を標的としたサプレッサースクリーニングも進めている。レム睡眠短縮を示す家系で責任遺伝子変異を同定した。SIK3以外のSIKファミリーメンバーもプロテインキナーゼA（PKA）リン酸化部位の置換によってノンレム睡眠中徐波などで測られる睡眠要求が増大することを示した。PKAリン酸化部位欠失型（SLP型）SIK3の発現による睡眠要求増大はアストロサイトやミクログリア、またSIK3が発現する血球系や骨格系などの末梢組織ではなく、ニューロンで生じることを示した。さらにニューロン種の同定を進める。SIK3の上流についても検討を進めており睡眠の変化を確認した。変異型NALCN発現によるレム睡眠制御の責任神経細胞集団の同定を進めており、領域や種類によって見られる睡眠異常が異なることを確認した。

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

これまで本研究により、SIK3のPKAリン酸化部位が睡眠要求の決定に重要であることを示し（Honda et al. PNAS 2018）、若年期以降のニューロンがSIK3による睡眠要求制御の場であることを明らかにした（Iwasaki et al. JNS 2020）。SIK3を過眠モデルとして用いることで眠気の分子インデックスとなるリン酸化蛋白質群SNIPPsを同定(Wang et al. Nature 2018)、フォワード・ジェネティクス研究により樹立された過眠家系DrowsyにおけるカルシウムチャネルCacna1a遺伝子変異の同定（Miyoshi et al. PNAS 2019）、機械学習による脳波筋電に基づく睡眠覚醒解析ソフト開発（Horie et al Sci Rep）などの成果を発表した。フォワード・ジェネティクスのアプローチによる睡眠異常をもたらす遺伝子の同定は続いており、中には顕著はレム睡眠時間の短縮を示すものもある。当初の優性スクリーニングに加えて、SIK3変異による睡眠異常を標的としたサプレッサースクリーニングも進行している。またSIK3のアイソフォームごとの検討も個体レベルで進めている。これらは当初の計画を超えた進展となっている。NALCNによるレム睡眠異常については、神経細胞種ごとのにDreamless変異型NALCNを発現させるFlex型のマウスに加えて、機能欠失型となるFlox型のマウスも用いて、機能獲得型と欠失型の両面から検討を進めている。これまでレム睡眠制御部位としては注目されていなかった領域にもレム睡眠を変化させるニューロンが存在することを明らかにしている。さらに近接依存性標識法であるBioIDをin vivoで用いるためのマウス作成を進めている。

今後の研究の推進方策

各プロジェクトは計画通り、もしくは計画以上に進行しているので、現在のプロジェクトを推進していく。優性スクリーニング、サプレッサースクリーニングとも様々な段階の家系がいるので、出口に近いものから優先的に進めていく。Sik3遺伝子改変マウスを用いた睡眠要求を規定するニューロン集団の同定は、時間領域と周波数領域について進めていく。野生型および変異型SIK3を用いた脳のプロテオミクスおよびリン酸化プロテオミクス解析も進めている。またSIK3上流についても候補分子を変化させたマウスの検討を推進する。NALCNによるレム睡眠制御についてはCreドライバーマウスの種類を増やすとともに、アデノ随伴ウイルスを用いた領域検討も増やしていく。

研究成果

• [雑誌論文] Induction of narcolepsy-like symptoms by orexin receptor antagonists in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaushik Mahesh K, Aritake Kosuke, Cherasse Yoan, Imanishi Aya, Kanbayashi Takashi, Urade Yoshihiro, Yanagisawa Masashi
  • 雑誌名: Sleep 巻: 44 ページ: zsab043
  • DOI: 10.1093/sleep/zsab043
  • 査読あり
• [雑誌論文] An endothelial activin A-bone morphogenetic protein receptor type 2 link is overdriven in pulmonary hypertension (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryanto Gusty R. T., Ikeda Koji, Miyagawa Kazuya, Tu Ly, Guignabert Christophe, Humbert Marc, Fujiyama Tomoyuki, Yanagisawa Masashi, Hirata Ken-ichi, Emoto Noriaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1720
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21961-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Induction of Mutant Sik3Sleepy Allele in Neurons in Late Infancy Increases Sleep Need (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki Kanako, Fujiyama Tomoyuki, Nakata Shinya, Park Minjeong, Miyoshi Chika, Hotta-Hirashima Noriko, Ikkyu Aya, Kakizaki Miyo, Sugiyama Fumihiro, Mizuno Seiya, Abe Manabu, Sakimura Kenji, Takahashi Satoru, Funato Hiromasa, Yanagisawa Masashi
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 41 ページ: 2733～2746
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1004-20.2020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Widely Distributed Neurotensinergic Neurons in the Brainstem Regulate NREM Sleep in Mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Kashiwagi Mitsuaki, Kanuka Mika, Tatsuzawa Chika, Suzuki Hitomi, Morita Miho, Tanaka Kaeko, Kawano Taizo, Shin Jay W., Suzuki Harukazu, Itohara Shigeyoshi, Yanagisawa Masashi, Hayashi Yu
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 30 ページ: 1002～1010.e4
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.01.047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Loss of Arc attenuates the behavioral and molecular responses for sleep homeostasis in mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Ayako, Yanagisawa Masashi, Greene Robert W.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 ページ: 10547～10553
  • DOI: 10.1073/pnas.1906840117
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Loss of the conserved PKA sites of SIK1 and SIK2 increases sleep need (2020)
  • 著者名/発表者名: Park Minjeong, Miyoshi Chika, Fujiyama Tomoyuki, Kakizaki Miyo, Ikkyu Aya, Honda Takato, Choi Jinhwan, Asano Fuyuki, Mizuno Seiya, Takahashi Satoru, Yanagisawa Masashi, Funato Hiromasa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 8676
  • DOI: 10.1038/s41598-020-65647-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamics of Cortical Local Connectivity during Sleep?Wake States and the Homeostatic Process (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki Takehiro, Kanda Takeshi, Tsujino Natsuko, Ishii Ryo, Nakatsuka Daiki, Kizuka Mariko, Kasagi Yasuhiro, Hino Hideitsu, Yanagisawa Masashi
  • 雑誌名: Cerebral Cortex 巻: 30 ページ: 3977～3990
  • DOI: 10.1093/cercor/bhaa012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ablation of Ventral Midbrain/Pons GABA Neurons Induces Mania-like Behaviors with Altered Sleep Homeostasis and Dopamine D2R-mediated Sleep Reduction (2020)
  • 著者名/発表者名: Honda Takato, Takata Yohko, Cherasse Yoan, Mizuno Seiya, Sugiyama Fumihiro, Takahashi Satoru, Funato Hiromasa, Yanagisawa Masashi, Lazarus Michael, Oishi Yo
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 ページ: 101240～101240
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101240
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of a p16 Reporter Mouse and Its Use to Characterize and Target p16high Cells In Vivo (2020)
  • 著者名/発表者名: Omori Satotaka, Wang Teh-Wei, Katayama Kotoe, Yamada Yasuhiro, Yamazaki Satoshi, Iwasaki Kanako, Miyoshi Chika, Funato Hiromasa, Yanagisawa Masashi, Ueno Hiroo, Imoto Seiya, Furukawa Yoichi, Yoshida Nobuaki, Matsushima Kouji, Ueda Hiroki R., Miyajima Atsushi, Nakanishi Makoto
  • 雑誌名: Cell Metabolism 巻: 32 ページ: 814～828.e6
  • DOI: 10.1016/j.cmet.2020.09.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gut microbiota depletion by chronic antibiotic treatment alters the sleep/wake architecture and sleep EEG power spectra in mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Yukino, Miyoshi Chika, Obana Nozomu, Yajima Kaho, Hotta-Hirashima Noriko, Ikkyu Aya, Kanno Satomi, Soga Tomoyoshi, Fukuda Shinji, Yanagisawa Masashi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 19554
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76562-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 睡眠覚醒の謎に挑む (2021)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 先端創薬科学講座セミナーコース2021
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠覚醒の謎に挑む (2021)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 第30回日本呼吸ケア・リハビリテーション学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠覚醒の謎に挑む (2021)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 第101春季年会 市民公開講座 夢をかなえる科学
  • 招待講演
• [学会発表] Intracellular signals in the regulation of sleep/wakefulness (2021)
  • 著者名/発表者名: 船戸弘正
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会 / 第98回日本生理学会大会 合同大会
  • 招待講演
• [学会発表] Sparse functional connectivity of cortical neurons during sleep revealed by calcium imaging and graphical lasso (2021)
  • 著者名/発表者名: 上田壮志
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会 / 第98回日本生理学会大会 合同大会
• [学会発表] Molecular Circuits of Homeostatic Sleep Regulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Qinghua Liu
  • 学会等名: Society for Research on Biological Rhythm (SRBR) 2020 biennial conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Where does the Nalcn gene take effect in REM sleep regulation? (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤山智之、管野里美、柿﨑美代、一久綾、堀田範子、山田麻奈、岩崎加奈子、浅野冬樹、望月文子、水野聖哉、阿部学、三好千香、上田壮志、崎村健司、高橋智、船戸弘正、柳沢正史
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] SIK3 regulates sleep need and circadian rhythm through distinct neuronal pathways (2020)
  • 著者名/発表者名: 浅野冬樹、藤山智之、三好千香、堀田範子、柿﨑美代、一久綾、管野里美、中田慎也、浅間のどか、水野聖哉、杉山文博、高橋智、船戸弘正、柳沢正史
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] Hypersomnia in mice with induced Sik3Sleepy mutation in late-infancy neurons (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩崎加奈子、藤山智之、三好千香、堀田範子、柿﨑美代、一久綾、管野里美、中田慎也、浅間のどか、水野聖哉、杉山文博、高橋智、船戸弘正、柳沢正史
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] Production of Sleepy2 StoA mutant mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Nodoka Asama, Staci J. Kim, Tomoyuki Fujiyama, Fuyuki Asano, Chika Miyoshi, Noriko Hotta-Hirashima, Miyo Kakizaki, Aya Ikkyu, Satomi Kanno, Shinya Nakata, Seiya Mizuno, Satoru Takahashi, Hiromasa Funato, Masashi Yanagisawa
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] 睡眠覚醒の謎に挑む (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 第74回国立病院総合医学会
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular Substrates of Homeostatic Sleep Regulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Qinghua Liu
  • 学会等名: 25th Congress of the European Sleep Research Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 睡眠覚醒の謎に挑む (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 第27回日本時間生物学会学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] OX2R-selective orexin agonism is sufficient to ameliorate narcoleptic symptoms, cataplexy and sleep/wakefulness fragmentation in mouse models (2020)
  • 著者名/発表者名: Hikari Yamamoto, Yoko Irukayama-Tomobe, Yukiko Ishikawa, Yukiko Namekawa, Tsuyoshi Nemoto, Hiromu Tanaka, Genki Takahashi, Akihisa Tokuda, Yasuyuki Nagumo, Hiromasa Funato, Masashi Yanagisawa
  • 学会等名: Tsukuba Global Science Week 2020
• [学会発表] 睡眠覚醒の謎に挑む (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 第7回JCRベーシックリサーチカンファレンス
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠覚醒の謎に挑む～覚醒のために必要な眠り～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 次世代ヘルスケアプロジェクト特別講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Toward the Mystery of Sleep (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 学会等名: 第1回 IRPA国際シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Sleep/wake behavior of mice expressing a constitutively active form of SIK3 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤山智之、三好千香、浅野冬樹、中田慎也、一久綾、山田麻奈、Juan Calros Neira Almanza、高橋智、水野聖哉、杉山文博、船戸弘正、柳沢正史
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] フォワードジェネティクス研究による睡眠制御機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 船戸弘正
  • 学会等名: 自治医科大学大学院医学研究科大学院特別講義
  • 招待講演
• [図書] 月刊カレントテラピーVol.39 No.3 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史
  • 総ページ数: 94
  • 出版者: ライフメディコム
  • ISBN: 978-4898133255
• [図書] 睡眠学 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳沢正史, 船戸弘正
  • 総ページ数: 712
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4-254-30120-5
• [備考] 幼若期以降の神経細胞におけるタンパク質リン酸化酵素の遺伝子変異が眠気を増強する
  • URL: https://wpi-iiis.tsukuba.ac.jp/uploads/sites/2/2021/02/210225yanagisawa.pdf