大脳基底核直接路の機能におけるsmall GTPaseシグナル伝達系の役割

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K06535
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 小林 憲太 生理学研究所, 行動・代謝分子解析センター, 准教授 (70315662)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: AAVベクター / protein kinase A / small GTPase / 大脳基底核ループ / 直接路

研究実績の概要

本研究は、独自に開発したウイルスベクター遺伝子導入技術 (ダブルAAVベクターシステム) を駆使して、ドーパミンD1受容体陽性細胞 (D1R細胞)において特異的にsmall GTPaseシグナル伝達系の活性を操作し、D1R細胞から黒質へ投射する経路（直接路）の機能発現におけるsmall GTPaseシグナル伝達系の役割を明らかにすることを目的としている。
これまでに、ダブルAAVベクターシステムを利用して、D1R細胞で特異的にRhoあるいはRac small GTPaseシグナル伝達系を阻害すると、D1R細胞が顕著に変性脱落することが明らかになったことから、直接路の機能発現におけるRho familyシグナル伝達系の役割を解析することは難しいと判断した。側坐核のD1R細胞におけるprotein kinase A (PKA)-Rap1 GTPaseシグナル伝達系は、報酬行動の制御に重要な役割を果たしていることから、このシグナル伝達系は、直接路が担う運動制御にも関与している可能性が考えられる。従って、次にRap1 GTPaseシグナル伝達系に着目した。まずは、より上流で機能するシグナル伝達分子の役割を解析するために、ダブルAAVベクターシステムを駆使して、D1R細胞特異的にPKAのconstitutive active変異体 (PKA CA)を発現する遺伝子改変マウス (D1R-PKA CAマウス) の作製を試みた。D1R-PKA CAマウスの線条体を組織学的に解析した結果、D1R細胞特異的にPKA CAの発現が誘導されることが分かった。また、D1R-PKA CAマウスを利用して行動解析を行ったところ、非常に興味深い表現型が観察された。

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

ダブルAAVベクターシステムを利用して、片側の線条体のD1R細胞特異的にPKA CAを発現誘導したD1R-PKA CAマウスを作製した。D1R-PKA CAマウスの線条体を組織学的に解析したところ、D1R細胞特異的にPKA CAが発現誘導されることが分かった。つまり、D1R細胞特異的にPKAを顕著に活性化することに成功した。また、D1R-PKA CAマウスを用いてtail suspension testを行った結果、PKA CAが発現していない側に体を起こそうとする特徴的な行動パターンが観察された。これは、PKA CAによって、直接路がハイパーな状態になっていることを意味する。

今後の研究の推進方策

D1R細胞特異的にPKAを顕著に活性化した場合は、Rho familyシグナル伝達系を阻害した際に観察されたようなD1R細胞の変性脱落は起こらなかったので、直接路が司る運動制御におけるPKAシグナル伝達系の役割を解析することが可能である。今後は、D1R-PKA CAマウスを利用した1) tail suspension test、2)直接路におけるPKAシグナル伝達系の活性化による大脳皮質-大脳基底核ループの機能変化に関する電気生理学的な解析、を遂行する。また、D1R-Rap1 CAマウスが、D1R-PKA CAマウスと同様の表現型を示すか否かを検討し、直接路が担う運動制御におけるPKA-Rap1 GTPaseシグナル伝達系の役割を検討する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Layer-specific sensory processing impairment in the primary somatosensory cortex after motor cortex infarction (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukui A, Osaki H, Ueta Y, Kobayashi K, Muragaki Y, Kawamata T, Miyata M
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 10 ページ: 3771
  • DOI: 10.1038/s41598-020-60662-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impaired cortico-striatal excitatory transmission triggers epilepsy (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto H, Tatsukawa T, Shimohata A, Yamagata T, Suzuki T, Amano K, Mazaki E, Raveau M, Ogiwara I, Oba-Asaka A, Hensch TK, Itohara S, Sakimura K, Kobayashi K, Kobayashi K, Yamakawa K
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 10 ページ: 1917
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09954-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Motor cortex can directly drive the globus pallidus neurons in a projection neuron type-dependent manner in the rat (2019)
  • 著者名/発表者名: Karube F, Takahashi S, Kobayashi K, Fujiyama F
  • 雑誌名: Elife 巻: 8 ページ: e49511
  • DOI: 10.7554/eLife.49511
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Corticobasal ganglia projecting neurons are required for juvenile vocal learning but not for adult vocal plasticity in songbirds (2019)
  • 著者名/発表者名: Sanchez-Valpuesta M, Suzuki Y, Shibata Y, Toji N, Ji Y, Afrin N, Asogwa CN, Kojima I, Mizuguchi D, Kojima S, Okanoya K, Okado H, Kobayashi K, Wada K
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A 巻: 116 ページ: 22833-22843
  • DOI: 10.1073/pnas.1913575116
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic Interaction between Cortico-Brainstem Pathways during Training-Induced Recovery in Stroke Model Rats (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishida A, Kobayashi K, Ueda Y, Shimizu T, Tajiri N, Isa T, Hida H
  • 雑誌名: J Neurosci 巻: 39 ページ: 7306-7320
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0649-19.2019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gene delivery to cone photoreceptors by subretinal injection of rAAV2/6 in the mouse retina (2019)
  • 著者名/発表者名: Hori T, Fukutome M, Maejima C, Matsushima H, Kobayashi K, Kitazawa S, Kitahara R, Kitano K, Kobayashi K, Moritoh S, Koike C
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun 巻: 515 ページ: 222-227
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.05.117
  • 査読あり
• [雑誌論文] GABAergic neurons in the olfactory cortex projecting to the lateral hypothalamus in mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Murata K, Kinoshita T, Fukazawa Y, Kobayashi K, Kobayashi K, Miyamichi K, Okuno H, Bito H, Sakurai Y, Yamaguchi M, Mori K, Manabe H
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 9 ページ: 7132
  • DOI: 10.1038/s41598-019-43580-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Physiological and anatomical organization of cortico-striatal inputs in the basal ganglia (2019)
  • 著者名/発表者名: Sano H, Kobayashi K, Kato S, Chiken S, Kobayashi K, Nambu A
  • 学会等名: The 9th FAOPS Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Dendritic mechanisms underlying perceptual memory consolidation during sleep (2019)
  • 著者名/発表者名: Daichi Hirai, Daisuke Miyamoto, Yasuhiro Oisi, Maya Odagawa, Chie Matsubara, Kanako Ueno, Kenta Kobayashi, Akiko Hayashi-Takagi, Masanori Murayama
  • 学会等名: NEURO2019
• [学会発表] Gene therapy for DRPLA model mice by AAV-delivered CRISPR / Cas9 (2019)
  • 著者名/発表者名: Taisuke Kato, Yuka Koike, Sachiko Hirokawa, Kenta Kobayashi, Shoji Tsuji, Osamu Onodera
  • 学会等名: NEURO2019
• [学会発表] Differential infection pattern of AAVs in mouse retina (2019)
  • 著者名/発表者名: Masashi Fukutome, Tesshu Hori, Chisato Maejima, Kenta Kobayashi, Satoru Morito, Chieko Koike
  • 学会等名: NEURO2019
• [学会発表] Identification of stimulus coding neurons using Cosmoscopy, a new wide-field two-photon microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Ota, Yasuhiro Oisi, Takayuki Suzuki, Tsubasa Ito, Yoshiki Ito, Kenta Kobayashi, Midori Kobayashi, Maya Odagawa, Chie Matsubara, Junya Matsushita, Hiroyuki Hioki, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Masafumi Oizumi, Atsushi Miyawaki, Toru Aonishi, Takahiro Ode, Masanori Murayama
  • 学会等名: NEURO2019
• [学会発表] Role of the pathway from deeper layer of superior colliculus to amygdala in control of defense-like responses (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Isa, Thongchai Sooksawate, Sakura Ikeda, Kenta Kobayashi, Tadashi Isa
  • 学会等名: NEURO2019
• [学会発表] Dynamic interaction between the cortico-rubral and the cortico-reticular tract in rehabilitation-induced functional recovery in internal capsule hemorrhage rats (2019)
  • 著者名/発表者名: Akimasa Ishida, Kenta Kobayashi, Yoshitomo Ueda, Takeshi Shimizu, Naoki Tajiri, Tadashi Isa, Hideki Hida
  • 学会等名: NEURO2019
• [備考] 生理学研究所 ウィルスベクター開発室
  • URL: https://www.nips.ac.jp/research/group/post-30/