シナプス可塑性・神経機能と神経発達制御におけるIP3受容体の役割

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25221002
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 御子柴 克彦 独立行政法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, チームリーダー (30051840)
• 研究期間 (年度): 2013-05-31 – 2018-03-31
• キーワード: IP3受容体 / スパイン形成 / 小脳性運動失調 / カルシウム振動 / アポトーシス / IRBIT / アストロサイト / クルーズ・トリパノソーマ

研究概要

小胞プルキンエ細胞でのみIP3受容体を欠損させたマウスは、生後20日後も生存し、そのスパインは過形成（数の増加と突起伸展）を示し、小脳学習は消失し、小脳失調を示した（J Neurosci 2013）。また、IP3受容体は全身性ジストニアの発症に関与していた（Frontier in Neural Circuit 2013）。IP3受容体から放出されるIRBITはCa2+とcAMPシグナルと協調してpHの制御をした（Gastroenterology 2013）。またIRBITはpHの制御に関わるNa, HCO3- cotransporter Iを活性化し、シャペロンにより制御された（J Biol Chem 2013）。アストロサイトのCa2+の変化が神経細胞の機能を制御し（Cell Calcium 2014）tripartite synapseの機能も調節した（Molecular Brain 2013）。脳幹の血流の調節はアストロサイトのCa2+変化とは独立であった（PLoS One 2013a）。ムスカリン型ニコチニッック受容体M1, M3型（Cell Calcium 2013）やPLCのサブタイプ（PLoS One 2013b）はCa2+振動を制御することを示した。
アストロサイトでのmGluRの量子ドットによる１分子イメージングを確立した（Curr Protoc Neurosci 2014）。IP3受容体から放出されるペプチドがBcl-2に働きアポトーシスをおこした（Dell Death Disease 2013）。高感度の電位センサーを開発した（J Physiol 2013）。クルーズ・トリパノソーマ原虫のIP3受容体は原虫の生存に必須であり（Molecular Microbiology 2013）、アンチセスヌクレオチド法で原虫を死滅させた（Science Report 2014）。

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

本研究課題の目的はかなりの程度達成したと考える。IP3受容体がプルキンエ細胞の樹状突起上のスパインの数と形を決定している事を明らかに出来たことは、大きな成果と考える（J. Neurosci. 2013）。またジストニアの原因としてIP3受容体が関わるという新しいメカニズムを示し、小脳起源性のジストニア発症モデルを提案出来た事は、今後小脳から出力された異常情報が大脳からの随意信号の情報とどのように交わりジストニアの姿勢異常を起こすかを明らかにしてゆく上でも、疾患の治療法を考える上でも重要である（Frontier in Neural Circuit 2013）。
神経機能を考える上で細胞内の情報の流れを明らかにすることは重要である。まずCa2+のシグナルがムスカリニック受容体や各種のPLCのサブタイプにより決定されることを発見した (PLoS One 2013b)(Cell Calcium 2013)ことはシグナルの多様性を考える上で今後重要である。また電気生理学的研究も進み、シナプス可塑性や脳機能にIP3受容体が深く関わることも明らかにしている（未発表）
これ迄は脳神経機能には神経細胞が常に中心に考えられてきたが今回アストロサイトが大きな役割を果たすことを示した事（PLoS One 2013a）(Molecular Brain 2013) は脳機能を考える上で大きな概念の転換を促す意味で大きな成果である。一方、熱帯病の一つである（クルーズ・トリパノソーマ）ではIP3受容体がその生存に必須な分子であり（Molecular Microbiology 2013）、IP3受容体のアンチセンスヌクレオチドで原虫を殺すことが出来た事は、今後の熱帯病の治療という観点からも大きな成果である（Science Report 2013）。

今後の研究の推進方策

すでに新しいカルシウム指示薬（Genetically encoded Ca2+ indicator）を使い、従来の細胞質へ発現させる事のみならず、細胞膜で発現させることにより、神経細胞・グリア細胞の細い突起で大変感度良く、検出することに成功した（未発表）。これを用いる事により神経細胞とグリア細胞間のコミュニケーションの解析が大きく進展しうると考える。我々はIP3指示薬の作製に成功しているが、更に感度の良い指示薬を作製する事により、transgenic animalを作製して、興奮により起きるIP3量の変動、Ca2+の変動を２光子顕微鏡により、イン・ビボで個体のレベルで観察出来る様になると考える。電気生理学的に従来はグルタミン受容体（NMDA受容体やAMPA受容体）が記憶・学習に関わることが示されてきたが、最近IP3受容体から放出されるIRBITが酸・塩基平衡に関わっており、かつアストロサイトにも多い事を考えると、tripartiteシナプスにおいて、pH変化を介してNMDA受容体を制御する可能性やIRBITがCaMKIIを介して（未発表）AMPA受容体を制御しており、記憶・学習をコントロールしている可能性も考えられ、今後その仮説の検証をしてゆきたい。

研究成果

• [雑誌論文] Spatiotemporal calcium dynamics in single astrocytes and its modulation by neuronal activity (2014)
  • 著者名/発表者名: Wu YW, Tang X, Arizono M, Bannai H, Shih PY, Dembitskaya Y, Kazantsev V, Tanaka M, Itohara S, Mikoshiba K, Semyanov A.
  • 雑誌名: Cell Calcium 巻: 55(2) ページ: 119-129
  • DOI: 10.1016/j.ceca.2013.12.006.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging mGluR5 Dynamics in Astrocytes Using Quantum Dots (2014)
  • 著者名/発表者名: Arizono M, Bannai H, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Curr Protoc Neurosci. 巻: 66:2.21.1-2.21.18. ページ: ―
  • DOI: 10.1002/0471142301.ns0221s66
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antisense Oligonucleotides Targeting Parasite Inositol 1,4,5-Trisphosphate Receptor Inhibits Mammalian Host Cell Invasion by Trypanosoma cruzi. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto M, Nara T, Hirawake H, Morales J, Enomoto M, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 4(4231) ページ: 1-5
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2014.02.070.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inositol 1,4,5-Trisphosphate receptor regulates replication, differentiation, infectivity, and virulence of the parasitic protist Trypanosoma cruzi (2013)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto M, Enomoto M, Morales J, Kurebayashi N, Sakurai T, Hashimoto T, Nara T, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Mol Microbiol. 巻: 97(6) ページ: 1133-1150
  • DOI: 10.1111/mmi.12155.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimal microscopic systems for long-term imaging of intracellular calcium using a ratiometric genetically-encoded calcium indicator. (2013)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto A, Bannai H, Michikawa T, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun. 巻: 434(2) ページ: 252-257
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2013.02.112.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Irbit Mediates Synergy Between Ca2+ and cAMP Signaling Pathways During Epithelial Transport in Mice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Park S, Shcheynikov N, Hong JH, Zheng C, Suh SH, Kawaai K, Ando H, Mizutani A, Abe T, Kiyonari H, Seki G, Yule D, Mikoshiba K, Muallem S.
  • 雑誌名: Gastroenterology 巻: 145(1) ページ: 232-241
  • DOI: 10.1053/j.gastro.2013.03.047.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cre recombinase using the Gpr88 promoter in mice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Hisatsune C, Ogawa N, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Transgenic Res. 巻: 22(6) ページ: 1241-1247
  • DOI: 10.1007/s11248-013-9711-x.
  • 査読あり
• [雑誌論文] IP3R2 levels dictate the apoptotic sensitivity of diffuse large B-cell lymphoma cells to an IP3R-derived peptide targeting the BH4 domain of Bcl-2. (2013)
  • 著者名/発表者名: Akl H, Monaco G, La Rovere R, Welkenhuyzen K, Kiviluoto S, Vervliet T, Molgo J, Distelhorst CW, Missiaen L, Mikoshiba K, Parys JB, De Smedt H, Bultynck G.
  • 雑誌名: Cell Death Dis. 巻: 4 ページ: e632
  • DOI: 10.1038/cddis.2013.140.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distinct roles of M1 and M3 muscarinic acetylcholine receptors controlling oscillatory and non-oscillatory [Ca2+]i increase. (2013)
  • 著者名/発表者名: Nakamura K, Hamada K, Terauchi A, Matsui M, Nakamura T, Okada T, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Cell Calcium 巻: 54(2) ページ: 111-119
  • DOI: 10.1016/j.ceca.2013.05.004.
  • 査読あり
• [雑誌論文] IRBIT plays an important role in NHE3-mediated pHi regulation in HSG cells. (2013)
  • 著者名/発表者名: Tran TM, Park MY, Lee J, Bae JS, Hwang SM, Choi SY, Mikoshiba K, Park K.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun. 巻: 434(2) ページ: 252-257
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2013.02.112.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cerebral blood flow modulation by basal forebrain or whisker stimulation can occur independently of large cytosolic Ca2+ signaling in astrocytes. (2013)
  • 著者名/発表者名: Takata N, Nagai T, Ozawa K, Oe Y, Mikoshiba K, Hirase H.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 8(6) ページ: e66525
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0066525.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved detection of electrical activity with a voltage probe based on a voltage-sensing phosphatase. (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsutsui H, Jinno Y, Tomita A, Niino Y, Yamada Y, Mikoshiba K, Miyawaki A, Okamura Y.
  • 雑誌名: J Physiology 巻: 4427-4437 ページ: 591(18)
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2013.257048.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Type 1 inositol trisphosphate receptor regulates cerebellar circuits by maintaining the spine morphology of purkinje cells in adult mice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sugawara T, Hisatsune C, Le TD, Hashikawa T, Hirono M, Hattori M, Nagao S, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: J Neuroscience 巻: 33(30) ページ: 12186-12196
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0545-13.2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] p35 Deficiency accelerates HMGB-1-mediated neuronal death in the early stages of an Alzheimer's disease mouse model. (2013)
  • 著者名/発表者名: Jang A, Liew H, Kim YM, Choi H, Kim S, Lee SH, Ohshima T, Mikoshiba K, Suh YH.
  • 雑誌名: Curr Alzheimer Res. 巻: 10(8) ページ: 829-843
  • 査読あり
• [雑誌論文] Amyloid-β25-35 induces impairment of cognitive function and long-term potentiation through phosphorylation of collapsin response mediator protein 2. (2013)
  • 著者名/発表者名: Isono T, Yamashita N, Obara M, Araki T, Nakamura F, Kamiya Y, Tursun A, Nitta A, Nabeshima T, Mikoshiba K, Ohshima T, Goshima Y.
  • 雑誌名: Neurosci Res. 巻: 77(3) ページ: 180-185
  • DOI: pii: S0168-0102(13)00190-9. 10.1016/j.neures.2013.08.005.
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2-Aminoethyl diphenylborinate (2-APB) analogues: regulation of Ca2+ signaling. (2013)
  • 著者名/発表者名: Ozaki S, Suzuki AZ, Bauer PO, Ebisui E, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun. 巻: 441(2) ページ: 286-290
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00156
  • 査読あり
• [雑誌論文] IP3R1 deficiency in the cerebellum/brainstem causes basal ganglia-independent dystonia by triggering tonic Purkinje cell firings in mice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Hisatsune C, Miyamoto H, Hirono M, Yamaguchi N, Sugawara T, Ogawa N, Ebisui E, Ohshima T, Yamada M, Hensch TK, Hattori M, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: Front Neural Circuits. 巻: 7 ページ: 156
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00156. eCollection 2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cyclin-dependent Kinase 5 (Cdk5) Regulates the Function of CLOCK Protein by Direct Phosphorylation. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kwak Y, Jeong J, Lee S, Park YU, Lee SA, Han DH, Kim JH, Ohshima T, Mikoshiba K, Suh YH, Cho S, Park SK.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 巻: 288(52) ページ: 36878-36889
  • DOI: 10.1074/jbc.M113.494856.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phospholipase C-β1 and β4 Contribute to Non-Genetic Cell-to-Cell Variability in Histamine-Induced Calcium Signals in HeLa Cells. (2013)
  • 著者名/発表者名: Ishida S, Matsu-Ura T, Fukami K, Michikawa T, Mikoshiba K.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 9(1) ページ: e86410
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0086410
  • 査読あり
• [雑誌論文] アストロサイトの活動を仕切る拡散障壁 (2013)
  • 著者名/発表者名: 有薗美沙 , 坂内博子 , 丹羽史尋 , 御子柴克彦
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 43(2) ページ: 105-106
  • 査読あり
• [学会発表] 抑制性シナプス制御におけるカルシウムの驚くべき作用 －１分子イメージングで明らかになったこと－ (2013)
  • 著者名/発表者名: 坂内博子、丹羽史尋、Antoine Triller、御子柴克彦
  • 学会等名: 第５１回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館
  • 年月日: 20131028-20131030
• [学会発表] Macropinocytosis mediates Sema3A-induced growth cone collapse (2013)
  • 著者名/発表者名: Kabayama Hiroyuki, Takeuchi Makoto, Taniguchi Masahiko, Tokushige Naoko, Kozaki Shunji, Mizutani Akihiro, Nakamura Takeshi, and Mikoshiba Katsuhiko
  • 学会等名: 18th International Conference on Calcium Binding Proteins and Calcium Function in Health and Disease
  • 発表場所: Kiruna, Sweden
  • 年月日: 20130630-20130704
• [学会発表] IP3R1 regulates cerebellar circuits by maintaining spine morphology of Purkinje cells in adult mice (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeyuki Sugawara, Le Dinh Tung, Moritoshi Hirono, Soichi Nagao, Chihiro Hisatsune and Katsuhiko Mikoshiba
  • 学会等名: 18th International Conference on Calcium Binding Proteins and Calcium Function in Health and Disease
  • 発表場所: Kiruna, Sweden
  • 年月日: 20130630-20130704
• [学会発表] Receptor-selective diffusion barrier confers enhanced IP3/Ca2+ signaling induced by metabotropic receptor stimulation on astrocytic processes (2013)
  • 著者名/発表者名: Misa Arizono, Hiroko Bannai,Kyoko Nakamura, Fumihiro Niwa, Masahiro Enomoto, Toru Matsu-ura, Akitoshi Miyamoto, Mark W Sherwood,Takeshi Nakamura,Katsuhiko Mikoshiba
  • 学会等名: 18th International Conference on Calcium Binding Proteins and Calcium Function in Health and Disease
  • 発表場所: Kiruna, Sweden
  • 年月日: 20130630-20130704
• [学会発表] Regulation of synaptic GABA-A receptor lateral mobility and clustering by IP3/Ca2+ signaling (2013)
  • 著者名/発表者名: Fumihiro Niwa, Hiroko Bannai, Mark W Sherwood, Misa Arizono, Akitoshi Miyamoto, Kotomi Sugiura, Sabine Levi, Antoine Triller and Katsuhiko Mikoshiba
  • 学会等名: 18th International Conference on Calcium Binding Proteins and Calcium Function in Health and Disease
  • 発表場所: Kiruna, Sweden
  • 年月日: 20130630-20130704
• [学会発表] 前脳基底部刺激および感覚刺激はアストロサイトCa2+シグナルとは独立に脳血流変化を起こす (2013)
  • 著者名/発表者名: 高田 則雄， 永井 てるみ， 小澤 克也， 御子柴 克彦，平瀬 肇
  • 学会等名: Neuro2013(第36回日本神経科学大会、第56回日本神経化学会大会ならびに第23回日本神経回路学会大会)
  • 発表場所: 国立京都国際会館
  • 年月日: 20130620-20130623
• [学会発表] IP3 receptor/channel and axonal guidance (2013)
  • 著者名/発表者名: Carmen Chan, Hiroki Akiyama, Katsuhiko Mikoshiba, Hiroyuki Kamiguchi
  • 学会等名: Neuro2013(第36回日本神経科学大会、第56回日本神経化学会大会ならびに第23回日本神経回路学会大会)
  • 発表場所: 国立京都国際会館、京都
  • 年月日: 20130620-20130623
• [学会発表] Structural analysis of IP3 receptors and their role in various cell functions and diseases
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: 18th International Conference on Calcium Binding Proteins and Calcium Function in Health and Disease
  • 発表場所: Kiruna, Sweden
  • 招待講演
• [学会発表] Role of IP3 receptor in cell function and diseases
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: International Society of antioxidants in nutrition & Health Award Ceremony
  • 発表場所: Paris, France
  • 招待講演
• [学会発表] The role of IP3 receptor in cell function and diseases
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: Seminar at Cardiff School of Biosciences
  • 発表場所: Cardiff, UK
  • 招待講演
• [学会発表] IP3 receptor: its discovery and establishing a new signaling concept
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: 3rd RIKEN-Liverpool Symposium
  • 発表場所: Liverpool, UK
  • 招待講演
• [学会発表] Novel technology changes the traditional concept
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: Seminar at University of Bordeaux Segalen
  • 発表場所: Bordeaux, France
  • 招待講演
• [学会発表] IP3 receptor/Ca2+ signaling: its role in development, cell function and diseases
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: 4th ECS Workshop “Ca2+ and cell death
  • 発表場所: Leuven, Belgium
  • 招待講演
• [学会発表] 超高齢社会における基礎科学の役割
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: Asian Aging Summit 2013
  • 発表場所: イイノホール、東京
  • 招待講演
• [学会発表] 脳疾患の分子病態解明と発症機構の解明
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: 脳神経系の分子病態・治療研究の最前線
  • 発表場所: 長崎大学、長崎
  • 招待講演
• [学会発表] 次代（あす）を荷う子を育てるために ～脳科学からの視点～
  • 著者名/発表者名: 御子柴克彦
  • 学会等名: 世田谷聖母幼稚園特別講演会
  • 発表場所: 世田谷、東京
  • 招待講演
• [備考] Brain Science Institute 発生神経生物研究チーム
  • URL: http://www.brain.riken.jp/jp/faculty/details/29