2018 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamic regulation of cerebellar neural circuits by "scrap and build" mechanisms
| Project Area | Dynamic regulation of brain function by Scrap & Build system |
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| Project/Area Number |
16H06461
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
柚崎 通介 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 教授 (40365226)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
溝口 明 三重大学, 医学系研究科, 教授 (90181916)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 神経科学 / 小脳 / シナプス / 樹状突起 / 発生・分化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
小脳神経回路においては、発達期から成熟後にかけてさまざまな破壊を伴う創造現象（スクラップ＆ビルド）が観察される。まず、幼若プルキンエ細胞の複数の樹状突起は、生後8日目までに1本のみが選択的に強化されて残りは刈り込まれる。また生後8日目以降になり、プルキンエ細胞に入力する複数の登上線維が刈り込まれて、1本の登上線維が選択的に強化される。さらに成熟後においても、プルキンエ細胞の樹状突起上における平行線維と登上線維の支配領域は競合的に再編される。「創造と破壊」が一体どのように連動するのか、発達期と成熟期でどのような原理が連続/非連続的に用いられるのか、といった問いに答え、スクラップ＆ビルド現象の基本原理の解明を目的とする。
今年度は、これまでに確立した2光子顕微鏡を用いたin vivoイメージング法を活用することによって、引き続きプルキンエ細胞樹状突起の発達過程について検討を続けた。その結果、複数の樹状突起は一定期間まで破壊と除去が同時に進行する時期を経て、最終的な樹状突起が選択された後に急な成長スパートが起きることが分かった。また、この過程には神経活動による細胞内カルシウム上昇とそれに伴うカルモデュリンキナーゼの活性化が必要であることを初めて明らかにすることができた。さらにこのカルシウム上昇にはカルシウムチャネルと共にNMDA型グルタミン酸受容体活性化が必要であることも分かってきた。一方、登上線維の刈り込み現象については、登上線維から分泌される補体関連分子C1qL1とその受容体であるGタンパク共役型受容体Bai3を介した細胞内シグナリングが、成熟後の小脳神経回路においても機能することを見出した。また発達時や損傷後の筋再生時に、起きる筋芽細胞の融合時に、C1qL4-BAI3が機能してして筋線維を形成させることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
幼若マウス小脳におけるin vivoイメージングは、呼吸による体動の影響を受けやすく、かつ脆弱であることに加えて、ほ乳中であるために様々な技術的困難さがつきまとう。しかし同一プルキンエ細胞樹状突起発達過程を1週間にわたり経時的に観察する方法の確立に成功した。また、これまでにプルキンエ細胞において幼若時にNMDA型グルタミン酸受容体(NADAR）が発現することが知られていたがその機能は全く謎であった。今回、NMDARから流入するカルシウムイオンとカルモデュリンキナーゼ活性亢進が、幼若時のプルキンエ細胞における樹状突起の刈り込み現象を制御することを初めて発見した。当初の予定より内容が膨らんだために論文化は遅れているが、研究成果面では当初の計画以上に進展している。一方、シナプス形成分子であるCbln1が小脳顆粒細胞の軸索中に存在するライソソーム内に局在し、神経活動とともにライソソーム酵素とともに放出されることを見出しNeuron誌にin pressとなった。ライソソーム酵素は細胞外基質を破壊することが知られているので、神経活動に応じて、細胞外基質破壊（スクラップ）とCbln1によるシナプス形成（ビルド）を協調して引き起こす新しいスクラップ＆ビルド原理を提唱することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
[計画1 樹状突起の選択的強化と除去機構] プルキンエ細胞の樹状突起発達過程におけるスクラップ＆ビルド現象（単一の樹状突起の選択的強化と残りの樹状突起の除去）については、これまでに明らかにした細胞外からの入力（NMDA受容体とカルシウムチャネル）および細胞内シグナリング機構（カルシウムイオン入力とカルモデュリンキナーゼ活性化）の果たす役割についてさらに解析を進め、本年中に論文化する。
[計画2 入力線維の選択的強化と除去を担う分子基盤] プルキンエ細胞は幼若時には複数の登上線維とシナプスを形成するが、生後3－7日の間に1本の登上線維が機能的に強化され、生後8日目以降に強い登上線維がより強化され弱い登上線維は除去される。登上線維から分泌される補体関連分子C1qL1とその受容体であるGタンパク共役型受容体Bai3によるC1qL1-Bai3シグナリングは、このような発達時の登上線維刈り込みのみでなく、成熟後の小脳神経回路においても登上線維シナプスの再形成とその刈り込みを制御することが分かってきた。そこで計画2と計画3とを統合する形で、今年度も引き続き成熟後の神経回路に焦点をおき、C1qL1-Bai3シグナリング機構の解明を推し進め論文化の準備を進める。
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[Journal Article] Cote JF. Spatiotemporal regulation of the GPCR activity of BAI3 by C1qL4 and Stabilin-2 controls myoblast fusion.2018
Author(s)
Hamoud N, Tran V, Aimi T, Kakegawa W, Lahaie S, Thibault MP, Pelletier A, Wong GW, Kim IS, Kania A, Yuzaki M, Bouvier M,
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Journal Title
Nat Commun
Volume: 9
Pages: -
DOI
Peer Reviewed
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