細胞外環境制御による脳・脊髄損傷後の再生治療とその機能回路回復

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 行動適応を担う脳神経回路の機能シフト機構
• 研究課題/領域番号: 17H05584
• 研究機関: 愛知医科大学
• 研究代表者: 武内 恒成 愛知医科大学, 医学部, 教授 (90206946)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 神経再生 / 回路シフト / 再生治療 / 脊髄損傷 / 神経糖鎖 / プロテオグリカン / コンドロイチン硫酸

研究実績の概要

細胞外マトリックス糖鎖構造発現を中心とした局所の細胞外環境制御によって、脊髄損傷後の再生神経回路はいかに再編成し、いかに機能シフトするかを解明することを目標にする。特に技術面において、本学術領域で確立した脊髄回路の再生再編のトレーシング技術を進める。さらに局所的遺伝子発現制御システムを立ち上げて、神経回路再生における機能シフトを遺伝子プロファイルから得た様々な分子との相関から検証することを目的とし研究を進めている。
①　糖鎖構造の発現に関わるChGn1KOマウスの脊髄損傷後修復は、現在知られる損傷回復モデルの中では最も回復が早い。このChGn1酵素はさまざまな器官でコンドロイチン硫酸（ＣＳ）の合成過程で重要かつ最も初期に発現制御に関わる酵素である。細胞外マトリックスのうち中枢神経再生にとって最も制御が必要かつ我々が特に注力している、このコンドロイチン硫酸（CS)が成体神経組織で機能を果たすにあたって重要な存在の場としてペリニューロナルネット（PNN）という構造体が着目されている。中枢神経再生に関わるCSの機能場であるこのPNNとの相関を中心に、CS発現とともにPNNと神経発芽回路再編成との相関を明らかにすることができた。PNNはたしかに神経再生にその発現が相関しており、PNNの組織内機能が神経発芽を抑制していることが分かった。
②　CS発現制御あるいは微細環境制御（回路再編）に関わる炎症性サイトカイン、さらにはPNN骨格のアグリカンをノックダウンコンストラクトを用いて局所にて抑制し、これらと再生の相関を調べた。再生過程の局所領域での回路再編を解析する方法を確立した。PNNによる回路再編にあたっての重要な知見を得るためのシステムを立ち上げることができた。
③　細胞外環境制御に起因する回路再編の違いと、iPS細胞はじめ再生治療に向けての細胞移植およびCS環境制御との併用による回路再編の解析系を立ち上げ、研究を開始することができた

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

糖鎖構造の発現に関わるChGn1KOマウスの脊髄損傷後修復は、現在知られる損傷回復モデルの中では最も回復が早い。中枢神経再生に関わるCSの機能場であるPNNとの相関を中心に、我々の遺伝子改変マウスを駆使して、再生過程の神経回路可視化を可能としたこと、神経発芽回路再編成をPNNとの相関で捉えることを可能としたので、ほぼ当初目標を達成することができた。

今後の研究の推進方策

細胞外環境制御に起因する回路再編の違いと、CS環境制御および細胞移植との併用による回路再編を解析を推進する。　再生における積極的な神経発芽が、脊髄損傷後のCS環境制御や細胞移植において認められることなのか、さらにそれらが増強されているかを解析する。これまでの本領域での成果と併せて、組織解析とともに網羅的分子発現（RNAseq）解析など細胞分子生物学的手法も用いることで、脊髄損傷の再生回路再編（機能シフト）を捉える

研究成果

• [国際共同研究] EMBL(ヨーロッパ分子生物学連合)/DZNE(ドイツ神経変性疾患研究所)(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: EMBL(ヨーロッパ分子生物学連合)/DZNE(ドイツ神経変性疾患研究所)
• [雑誌論文] Roles of CSGalNAcT1, a key enzyme in regulation of CS synthesis, in neuronal regeneration and plasticity. (2017)
  • 著者名/発表者名: Igarashi M, Takeuchi K,
  • 雑誌名: Neurochem Int. 巻: 17 ページ: S0197-0186
  • DOI: 10.1016/j.neuint.2017.10.001.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Abnormalities in perineuronal nets and behavior in mice lacking CSGalNAcT1, a key enzyme in chondroitin sulfate synthesis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshioka N, Miyata S, Tamada A, Watanabe Y, Kawasaki A, Kitagawa H, Takao K, Miyakawa T, Takeuchi K, Igarashi M
  • 雑誌名: Mol Brain. 巻: 10 ページ: 47
  • DOI: 10.1186/s13041-017-0328-5.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chondroitin Sulfate Is Required for Onset and Offset of Critical Period Plasticity in Visual Cortex. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hou X, Yoshioka N, Tsukano H, Sakai A, Miyata S, Watanabe Y, Yanagawa Y, Sakimura K, Takeuchi K, Kitagawa H, Hensch TK, Shibuki K, Igarashi M,
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 7 ページ: 12646
  • DOI: 10.1038/s41598-017-04007-x.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lifespan extension by peroxidase and dual oxidase-mediated ROS signaling through pyrroloquinoline quinone in C. elegans. (2017)
  • 著者名/発表者名: Sasakura H, Moribe H, Nakano M, Ikemoto K, Takeuchi K,
  • 雑誌名: J Cell Sci. 巻: 130 ページ: 2631-2643
  • DOI: 10.1242/jcs.202119.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Extracellular Signals Induce Glycoprotein M6a Clustering of Lipid Rafts and Associated Signaling Molecules. (2017)
  • 著者名/発表者名: Honda A, Ito Y, Takahashi-Niki K, Matsushita N, Nozumi M, Tabata H, Takeuchi K, Igarashi M.
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 36 ページ: 4046-4064
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3319-16.2017.
  • 査読あり
• [学会発表] In vivo regulation of chondroitin sulfate gene to recovery from spinal cord injury and brain infarction (2017)
  • 著者名/発表者名: Kosei Takeuchi
  • 学会等名: ISDN（国際神経発生学会）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 脊髄損傷修復に向けての核酸医薬治療の可能性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 武内恒成
  • 学会等名: 第2回革新的バイオ研究開発シンポジウム（日本核酸医薬学会）
  • 招待講演