マイクロエクソン選択調節プログラムの獲得が人類の脳機能の高度化をもたらしたのか？

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21444
• 研究機関: 富山大学
• 研究代表者: 吉田 知之 富山大学, 学術研究部医学系, 准教授 (90372367)
• 研究分担者: 田端 俊英 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (80303270)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• キーワード: マイクロエクソン / スプライシング / 神経回路網形成

研究実績の概要

本研究では哺乳類の神経細胞において選択的に利用されるマイクロエクソンのスプライシング調節機構の獲得がヒト固有の脳機能の進化をもたらした可能性を実験的に検証することを目的としている。まず、マウスとヒトの間のマイクロエクソン選択機構の差異に関して、神経細胞接着因子Ptprd遺伝子をモデルに解析を進めた。Ptprd遺伝子（ヒトではPTPRD遺伝子）はシナプス前部に発現するシナプスオーガナイザーをコードしており、３つのマイクロエクソンに由来するマイクロエクソンペプチドの取捨選択の組み合わせによって、誘導するシナプスの種類と数が調節されることをこれまでに明らかにしてきた。そこで、Ptprd遺伝子の３つのマイクロエクソンの選択パターンの発達に伴う変化をマウス神経細胞とヒト神経細胞のそれぞれにおいて調べた。その結果、マウスPtprd遺伝子の各マイクロエクソンの選択パターンには個体差は少なく、発達期脳内に於いて時空間的に決まった選択調節をうけることが示唆された。一方、ヒトiPS細胞由来神経細胞においても同様に発達時期に応じて、固有のPTPRD遺伝子のマイクロエクソンの選択パターンを示すことが明らかになった。また、マウス神経細胞とヒト神経細胞の間でマイクロエクソン選択のパターンに差異のあることが示唆された。さらに、マウスPtprd遺伝子のマイクロエクソン選択調節領域にヒトPTPRD遺伝子の対応領域をゲノム編集技術を用いてスワップすることによってヒト型マイクロエクソン選択プログラムを持つノックインマウス系統の作製に着手した。

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

マウス神経細胞およびヒトiPS細胞由来神経細胞において標的遺伝子のマイクロエクソンの選択パターンの違いを見出している。また、マイクロエクソンのスプライシング調節プログラムをヒト型に変換したマウスを作出するためのターゲティングベクターが完成し、マウス受精卵のゲノム編集による系統作製作業に既に着手しており、当初の予定通りの進捗状況と言える。

今後の研究の推進方策

マイクロエクソン選択プログラムをヒト型に改変したモデルマウスの系統樹立をすすめる。
その後、社会性試験と認知機能試験を行い、マイクロエクソン選択プログラムのヒト化がマウスの高次脳機能に与える影響を評価する。また、樹立した系統の脳内の解剖学的解析（コネクトーム解析等）と神経機能解析（光遺伝学等による回路の活性化と不活化）によって、実際の行動変容を引き起こす神経回路基盤を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

為替レートの変動により国際誌への論文掲載費が当初予定額より低くなったため。
次年度のマウス飼育施設利用費に充当する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Canonical versus non-canonical transsynaptic signaling of neuroligin 3 tunes development of sociality in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: T Yoshida, A Yamagata, A Imai, J Kim, H Izumi, S Nakashima, T Shiroshima, A Maeda, S Iwasawa-Okamoto, K Azechi, F Osaka, T Saitoh, K Maenaka, T Shimada, Y Fukata, M Fukata, J Matsumoto, H Nishijo, K Takao, S Tanaka, S Okabe, K Tabuchi, T Uemura, M Mishina, H Mori, S Fukai
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1848
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22059-6.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional characterization of rare NRXN1 variants identified in autism spectrum disorders and schizophrenia (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanako Ishizuka, Tomoyuki Yoshida, Takeshi Kawabata, Ayako Imai, Hisashi Mori, Hiroki Kimura, Toshiya Inada, Yuko Okahisa, Jun Egawa, Masahide Usami, Itaru Kushima, Mako Morikawa, Takashi Okada, Masashi Ikeda, Aleksic Branko, Daisuke Mori, Toshiyuki Someya, Nakao Iwata, Norio Ozaki
  • 雑誌名: Journal of Neurodevelopmental Disorders 巻: 12 ページ: 25
  • DOI: 10.1186/s11689-020-09325-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characteristics of internalization of NMDA-type GluRs with antibodies to GluN1 and GluN2B (2020)
  • 著者名/発表者名: Yukitoshi Takahashi, Shigeko Nishimura, Emiko Takao, Risa Kasai, Kaoru Enokida, Kuniko Ida, Masataka Fukuoka, Takayoshi Koike, Hiroo Omatsu, Tokito Yamaguchi, Shiho Takano, Tomoyuki Yoshida, Hisashi Mori
  • 雑誌名: Journal of Neuroimmunology 巻: 349 ページ: 577427
  • DOI: 10.1016/j.jneuroim.2020.577427.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Roles of type IIa receptor protein tyrosine phosphatases as synaptic organizers (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuya Fukai, Tomoyuki Yoshida
  • 雑誌名: FEBS Journal 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1111/febs.15666.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] マイクロエクソンの取捨選択調節が作り出す脳神経回路の設計図 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田 知之
  • 学会等名: 第7回先進イメージング医学研究会・学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] グルホシネートばく露に伴う中枢神経系への影響評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 和泉 宏謙, 出村 舞奈, 今井 彩子, 吉田 知之, 小川 良平, 森 寿
  • 学会等名: 第93回日本薬理学会年会
• [学会発表] 微小電極とニューロンの分子特異的な接合にむけて (2020)
  • 著者名/発表者名: 金 三英, Hamid Sm. Ahasanul, 今康 身依子, 吉田 知之, 筒井 秀和
  • 学会等名: 第97回日本生理学会大会
• [学会発表] 大脳皮質神経細胞の電気刺激によるPtpd遺伝子の微小エクソン選択調節 (2020)
  • 著者名/発表者名: 出村 舞奈, 今井 彩子, 田端 俊英, 森 寿, 吉田 知之
  • 学会等名: 日本生化学会北陸支部第38回大会
• [学会発表] Structural basis of selective interaction between Iia RPTP and Liprin (2020)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Yamagata, Tomoyuki Yoshida, Shuya Fukai
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Microexon splicing of Ptprd gene controls locomotor activity and social behavior (2020)
  • 著者名/発表者名: Ayako Tabata-Imai, Mizuki Sendo, Hironori Izumi, Keizo Takao, Hisashi Mori, Tomoyuki Yoshida
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] 大脳皮質神経細胞の電気刺激によるPtprd遺伝子微小エクソンの選択的スプライシング調節 (2020)
  • 著者名/発表者名: 出村 舞奈, 今井 彩子, 田端 俊英, 森 寿, 吉田 知之
  • 学会等名: 第67回中部日本生理学会
• [学会発表] D-serineは脊索動物ホヤの変態時に表皮細胞からの細胞外基質の分泌を制御する (2020)
  • 著者名/発表者名: Krasovec Gabriel, 保住 暁子, 吉田 知之, 濱田 麻友子, 白石 慧, 佐竹 炎, 堀江 健生, 森 寿, 笹倉 靖徳
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会
• [備考] 富山大学大学院生命融合科学教育部ホームページ
  • URL: https://www.ils.u-toyama.ac.jp
• [備考] 富山大学医学部分子神経科学講座ホームページ
  • URL: http://www.med.u-toyama.ac.jp/molneurosci/index.html