研究紹介

神経薬理学

概要

 脳機能は複雑な神経回路の中で神経細胞同士が協調的に働くことによって実現されるが、コンピュータの電子回路とは異なり、シナプスと呼ばれる神経細胞同士の結合は固定的なものではなく構造的にも機能的にも「可塑性」を持っている。シナプス可塑性は学習機能をはじめとする脳の高次機能の基盤であり、精神遅滞や認知障害を伴う精神疾患の病態を理解する上でも重要である。当研究室ではシナプスの発達や可塑性への樹状突起スパイン内アクチン細胞骨格系蛋白質の役割に注目して、シナプス機能の解明を目指している。

リーディング大学院において分担しているプロジェクト
 放射線治療は悪性脳腫瘍などがん治療において広く使われている治療法だが、時に精神遅延などの発達障害を引き起こす。我々は、X線照射により、急性の学習障害や慢性の神経細胞死が引き起こされることを動物実験で見いだした。またin vitro実験で、照射後シナプスに急性の構造異常が生じることを見いだした。そこで当研究室では、放射線照射で誘発されるシナプスの異常が被爆後の学習障害の一因となっているのではないかと考え、そのメカニズム解明をめざし、研究を進めている。
我々はこれまでの研究で、海馬培養神経細胞系を用いて、(1) 発達過程の神経細胞はシナプス形成前後で、放射線誘発アポトーシスに対する耐性が有意に増強すること、しかしながらどちらの場合も、(2) 生き残った神経細胞においてはシナプスに異常が生じていることを明らかとした。さらに成熟マウスを用いたin vivo実験で、(3) X線照射直後から学習障害が惹起されることを見いだしている。
 当研究室では従来、シナプスの発達や可塑性への樹状突起スパイン内アクチン細胞骨格系蛋白質の役割に注目して、分子生物学、生化学、細胞生物学、形態学、電気生理学および行動薬理学手法を用いた多角的な研究を展開している。本リーディング大学院プロジェクトでは、これら当研究室が得意としている研究と放射線照射実験を組み合わせることにより、従来知られていなかった放射線神経生物学という新学術領域の発展を目指している。

メンバー

職名 氏名 学位 研究テーマ
教授 白尾 智明 医学博士 シナプスと高次脳機能
助教 山﨑 博幸 医学博士 シナプス形成の分子メカニズム
助教 石塚 佑太 博士(医学) シナプス後部のシグナルカスケード
助教 小金澤 紀子 博士(生命科学) 放射線が脳に及ぼす作用の細胞生物学的研究
助教 六本木 麗子 博士(医学) シナプスの可塑性メカニズム

研究内容

1. シナプス可塑性に付随して起こるアクチン細胞骨格の変化
 初代海馬神経細胞培養系は、神経細胞の微小構造である樹状突起スパインを直接に観察することができる優れた実験系である。我々はこの系を用いて、シナプス可塑性に付随して起こるスパインの構造的可塑性をアクチン細胞骨格の変化に着目して解析し、ドレブリンを構造に含む安定アクチン (F-actin & drebrin) と含まない動的アクチン (F-actin & cofilin) とのバランス調節機構がシナプス可塑性の基盤として重要であることを明らかにした。また、タイムラプスイメージングやFRAP (蛍光退色後回復法) を用いて、その分子メカニズムの解明を進めている。さらに、従来の光学顕微鏡の分解能の限界(200 nm)を大きく上回る超解像顕微鏡(分解能: 20 nm)を用いることにより、樹状突起スパイン内部におけるドレブリンを始めとするポストシナプスタンパク質の動態を明らかにしようとしている。

 

 

2. ドレブリンのシナプス可塑性における役割
 ドレブリンの完全ノックアウトマウス (DXKO) およびアイソフォーム変換機構欠損マウスA (DAKO) を作成し、ドレブリンのシナプス可塑性における役割解明を行っている。学習行動、シナプス可塑性への影響を調べた。DAKOマウスでは目立った脳の形態異常はなかったが、恐怖条件づけ記憶の障害と海馬シナプス可塑性の障害がみられた。現在その異常に関わる分子メカニズムを研究中である。さらに、DXKOマウスでは神経細胞移動に異常が起きていることが示唆されている。

3. 放射線照射のシナプス・神経細胞・高次脳機能への影響
 生体に放射線照射後、神経細胞のシナプス機能不全が引き起こされるために脳機能の障害が引き起こされていることが、行動解析および免疫組織染色により明らかになりつつある。その分子基盤を解明するために、培養神経細胞(in vitro)および動物(in vivo)を用いた放射線暴露実験を開始している。加えて、X線照射と重粒子線照射の効果の違いを比較するため、重粒子線を用いた実験も進めている。

4. ドレブリンをインデックスとしたシナプス機能画像測定法の開発とiPS由来神経細胞への応用
 ドレブリンのスパインへの集積度を再現性よく、定量的に、ハイスループットで測定する方法の開発を行っている。またこの技術をiPS由来神経細胞に応用し、ヒト神経細胞を用いた安全性薬理試験のためのガイドライン作成を目指している。

5. 新規ドレブリン結合タンパク質(spine and karyoplasm protein, spikar)のシナプス形成における役割

 シナプス形成・スパイン形成に関わる分子は多く同定され研究されているが、その多くはシナプスの細胞膜に存在する細胞接着分子やアクチン重合の調節に関わる低分子量Gタンパク質調節分子であり、F-アクチンに直接結合して働く分子がどのように機能しまたシグナルの受け取りを行っているかは不明な点が多い。そこで、シナプス後部F-アクチン構成タンパク質であるドレブリンに注目し、その周辺分子を解析することによって、新しいシナプス形成・スパイン形成機構を明らかにする事を試みている。酵母two-hybrid法により新規ドレブリン結合タンパク質を探索し、これまでシナプスタンパク質として同定されていない分子に注目し解析を行ったところ、この新規ドレブリン結合タンパク質spikarは樹状突起でスパイン形成に関与し、また核では転写調節因子として機能していることが分かった。現在、このタンパク質のノックアウトマウスを作成し固体レベルでの解析を進めているところである。

6. 海馬神経細胞を用いたスパイン脆弱性のメカニズムに関する研究
 アミロイドベータや酸化ストレスといった様々なストレスが細胞レベル、特に樹状突起スパインにどのような影響を及ぼすかを、ドレブリンの局在変化に着目して研究している。
下図(左)はアルツハイマー病におけるドレブリンのスパイン集積減少モデル。下図(右)はアミロイドβオリゴマー(ADDLs)によってドレブリンのスパイン集積が減少した培養神経細胞。

主な業績

論文

Ishizuka Y, Shimizu H, Takagi E, Kato M, Yamagata H, Mikuni M, Shirao T. “Histone deacetylase
mediates the decrease in drebrin cluster density induced by amyloid beta
oligomers.” Neurochem Int. in press

Tanabe K, Yamazaki H, Inaguma Y, Asada A, Kimura T, Takahashi J, Taoka M, Ohshima T, Furuichi T, Isobe T, Nagata K, Shirao T, Hisanaga S. “Phosphorylation of drebrin by cyclin-dependent kinase 5 and its role in neuronal migration.” PLoS One. 9:e92291 (2014)

Ishikawa M, Shiota J, Ishibashi1 Y, Hakamata T, Shoji S, Fukuchi M, Masaaki Tsuda M, Shirao T, Sekino Y, Baraban JM and Tabuchi A. “Cellular localization and dendritic function of rat isoforms of the SRF coactivator MKL1 in cortical neurons.” NeuroReport. 25:585-592 (2014)

Mizui T, Sekino Y, Yamazaki H, Ishizuka Y, Takahashi H, Kojima N, Kojima M and ShiraoT. “Myosin II ATPase activity mediates the long-term potentiation-induced exodus of stable F-actin bound by drebrin A from dendritic spines” PLoS ONE 9(1):e85367 (2014)

Yamazaki H, Kojima N, Kato K, Hirose H, Iwasaki T, Mizui T, Takahashi H, Hanamura K, Roppongi RT, Koibuchi N, Sekino Y, Mori N, Shirao T. “Spikar, a novel drebrin-binding protein, regulates the formation and stabilization of dendritic spines.” J Neurochem 128:507-522 (2014)

白尾智明、山崎博幸「樹状突起棘(スパイン)のアクチンフィラメントと微小管」Clinical Neuroscience 31: 1302-1395 (2013)

Mitsuru Ishikawa, Jun Shiota, Yuta Ishibashi, Tomoyuki Hakamata, Shizuku Shoji, Mamoru Fukuchi, Masaaki Tsuda, Tomoaki Shirao, Yuko Sekino, Toshihisa Ohtsuka, Jay M. Baraban and Akiko Tabuchi.
“Identification, expression and characterization of rat isoforms of the SRF coactivator MKL1.” FEBS Open Bio. 3:387-93 (2013)

Ishizuka Y, Kakiya N, Witters LA, Oshiro N, Shirao T, Nawa H and Takei N. “AMP-activated protein kinase (AMPK) counteracts brain-derived neurotrophic factor (BDNF)-induced mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) signaling in neurons.” J Neurochem. 127:66-77 (2013)

Yuta Ishizuka, Naomasa Kakiya, Lee A. Witters, Noriko Oshiro, Tomoaki Shirao, Hiroyuki Nawa and Nobuyuki Takei “AMP-activated protein kinase (AMPK) counteracts brain-derived neurotrophic factor (BDNF)-induced mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) signaling in neurons” J Neurochem.in press

Roppongi RT, Kojima N, Hanamura K, Yamazaki H, Shirao T. “Selective reduction of drebrin and actin in dendritic spines of hippocampal neurons by activation of 5-HT2A receptors.” Neurosci. Lett. 547:76-81 (2013)

Shirao T, González-Billault “Actin filaments and microtubules in dendritic spines.” J Neurochem 126: 155-164 (2013)

K Shirai, T Mizui, Y Suzuki, M Okamoto, K Hanamura, Y Yoshida, M Hino, S Noda, W S. AL-Jahdari, A Chakravarti, T Shirao, T Nakano, “X-Irradiation Changes Dendritic Spine Morphology and Density through Reduction of Cytoskeletal Proteins in Mature Neurons” Radiation Research in press (2012)

C.B. Canto, N. Koganezawa, P. Beed, E.I. Moser, M.P. Witter “All layers of medial entorhinal cortex receive presubicular and parasubicular inputs” J.Neuroscience, 32(49): 17620-17631 (2012)

Kenichi Kato, Tomoaki Shiraob, Hiroyuki Yamazaki, Kazuyuki Imamura, and Yuko Sekino. “Regulation of AMPA receptor recruitment by the actin binding protein drebrin in cultured hippocampal neurons.” J. Neurosci. Neuroeng. 1: 153-160(2012)

Okamotoa,T, Shirao, T, Shutoha, F, Suzukia, T, Nagaoa, S“Post-training cerebellar cortical activity plays an important role for consolidation of memory of cerebellum-dependent motor learning.” Neurosci Lett. 504: 53-56. (2011)

Annalisa Mancini, Dario Sirabella, Weijia Zhang, Hiroyuki Yamazaki, Tomoaki Shirao and Robert S Krauss “Regulation of myoblast fusion by the actin-binding factor drebrin” Skeletal Muscle 1-36 (2011)

Kobayashi-Yamazaki C, Shirao T, Sasagawa Y, Maruyama Y, Akita H, Saji M, and Sekino Y. “Lesions of the supramammillary nucleus decrease self-grooming behavior of rats placed in an open field” The Kitakanto Medical Jorunal , 61:287-292 (2011)

Tanaka K, Sato K, Yoshida T, Fukuda T, Hanamura K, Kojima N, Shirao T, Yanagawa T, and Watanabe H. “Evidence for cell density affecting C2C12 myogenesis: possible regulation of myogenesis by cell-cell communication.” Muscle and Nerve, 44:968-977 (2011)

Han W, Takamatsu Y, Yamamoto H, Kasai S, Endo S, Shirao T, Kojima N, Ikeda K. “Inhibitory role of inducible cAMP early repressor (ICER) in methamphetamine-induced locomotor sensitization” PLoS One 6(6):e21637 (2011)

Okamoto T, Endo S, Shirao T, and Nagao S. “Role of Cerebellar Cortical Protein Synthesis in Transfer of Memory Trace of Cerebellum-Dependent Motor Learning” J. Neurosci. 31: 8958-8966 (2011)

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Hanamura K, Mizui T, Kakizaki T, Roppongi TR, Yamazaki H, Yanagawa Y, Shirao T. “Low accumulation of drebrin at glutamatergic postsynaptic sites on GABAergic neurons” Neuroscience 169: 1489-1500 (2010)

Pérez-Martínez M, Gordón-Alonso M, Cabrero JR, Barrero-Villar M, Rey M, Mittelbrunn M, Lamana A, Morlino G, Calabia C, Yamazaki H, Shirao T, Vázquez J, González-Amaro R, Veiga E, Sánchez-Madrid F. “F-actin-binding protein drebrin regulates CXCR4 recruitment to the immune synapse” J. Cell Sci. 123:1160-1170 (2010)

Mercer JC, Mottram LF Qi Q, Lee YC, Bruce D, Iyer A, Yamazaki H, Shirao T, Choe MH, Peterson BR, August A “Chemico-Genetic Identification of Drebrin as a Regulator of Calcium Responses.” Int. J. Biochem. Cell Biol. 42:337-345 (2010)

Kojima N, Hanamura K, Yamazaki H, Ikeda T, Itohara S, Shirao T. “Genetic disruption of the alternative splicing of drebrin gene impairs context-dependent fear learning in adulthood” Neuroscience 165: 138-150 (2010)

Okamoto M, Suzuki Y, Shirai K, Mizui T, Yoshida Y, Noda S, Al-Jahdari WS, Shirao T, Nakano T. “Effect of Irradiation on the Development of Immature Hippocampal Neurons In Vitro” Radiat Res 172:718-724 (2009)

Aoki C, Kojima N, Sabaliauskas N, Shah L, Oakford J, Ahmed T, Yamazaki H, Hanamura K, Shirao T “Drebrin A Knock-Out Eliminates the Rapid Form of Homeostatic Synaptic Plasticity at Excitatory Synapses of Intact Adult Cerebral Cortex” J Comp Neurol 517:105-121 (2009)

Ito M, Shirao T, Doya K, Sekino Y. “Three-dimensional distribution of Fos-positive neurons in the supramammillary nucleus of the rat exposed to novel environment.” Neurosci. Res. 64: 379-402 (2009)

Mizui T., Kojima N, Yamazaki H, Katayama M, Hanamura K, Shirao T. “Drebrin E is involved in the mechanism regulating axonal growth through actin-myosin interactions.” J Neurochem 109:611-622 (2009).

Takahashi, T, Yamazaki, H, Hanamura K, Sekino Y and Shirao T “AMPA receptor inhibition causes abnormal dendritic spines by destabilizing drebrin” J Cell Sci. 122:1211-1229 (2009)

Ivanov A, Esclapez M, Pellegrino1 C, Shirao T, and Ferhat L. “Drebrin A regulates the dendritic spine plasticity and synaptic function in cultured hippocampal neurons” J. Cell Sci. 122: 524-534 (2009)

Song M, Kojima N, Hanamura K, Sekino Y, Inoue KH, Mikuni M, Shirao T, “Expression of drebrin E in migrating neuroblasts in adult rat brain: coincidence between drebrin E disappearance from cell body and cessation of migration” Neuroscience. 152:670-682 (2008)

Sekino Y, Kojima N, Shirao T. “Role of actin cytoskeleton in dendritic spine morphogenesis” Neurochem. Int. 51: 92-104 (2007)

学会発表

Brain and Health Informatics 2013, 2013, Hideo Shimizu, Yuta Ishizuka, Eiko Takagi, Reiko T Roppongi and Tomoaki Shirao. “Effects of histone Deacetyltransferase inhibitor and allopregnanolone on neuron and synapses. -New analyzing system of neuronal and synaptic function using drebrin as a functional marker-” Maebashi, Japan

Brain and Health Informatics 2013, 2013, Tomoaki Shirao, Noriko Koganezawa, Anggraeini Puspitasari, Katsuyuki Shirai, Yoshiyuki Suzuki, Natsume Tanaka, Sachiko Tanaami, Takashi Nakano, Nobuhiko Kojima “Radiation induced change in the neuronal cytoskeleton and its possible adverse effect on brain function.” Maebashi, Japan Oct. 29-31.

Society for Neuroscience 40th Annual Meeting, 2013, Ohara Y, Yamazaki H, Sato K, Shirao T, Sekino Y. “Morphological development and expression of synaptic proteins of human iPSC-derived neurons”. San Diego, California, November 9-13.

Society for Neuroscience 40th Annual Meeting, 2013, Puspitasari A, Koganezawa N, Tanaka N, Kojima N, Shirao T. “Acute effects of X-irradiation on learning, adult neurogenesis and the accumulation of drebrin.” San Diego, California, November 9-13.

Society for Neuroscience 40th Annual Meeting, 2013, M.-J. Xie, H. Yagi, T. Iguchi, Y. Oka, K. Kuroda, M. Yuzaki, S. Matsuda, T. Shirao, Y. Ishikawa, M. Sato, “Phldb2 regulates the maturation of dendritic spines and AMPA receptor endocytosis during long-term depression” San Diego, CA, Nov. 9-13.

ISN 2013 Synapse Satellite Meeting “Emerging Topics in Synapse Function: Molecular Mechanisms, Circuit Functions and Disease”. 2013, T Shirao “Role of Spikar in drebrin-mediated spine formation” (invited) Cancun, Mexico, April

24th ISN Biennial Meeting, 2013, Yamazaki, H., Shirao, T. “Spikar induces the formation of dendritic spines and filopodia in a drebrin-dependent manner.” Cancun, Mexico, April 20 -24.

The 24rd Biennial Meeting of ISN-ESN, 2013, Ishizuka Y, Shimizu T, Takagi E, Shirao T. “Histone deacetylase (HDAC) inhibitor attenuates amyloid beta-induced synaptic dysfunction.” Cancun, Mexico. April 20 -24.

The 24rd Biennial Meeting of ISN-ESN, 2013, Ishizuka Y, Shimizu T, Takagi E, Shirao T. “Acute effect of X-irradiation on adult mouse brain.” Cancun, Mexico. April 20 -24.

The 24th ISN Biennial Meeting, 2013, Roppongi RT, Hanamura K, Ishizuka Y, Shirao T. “5-HT2A receptor activation reduces the accumulation of drebrin in dendritic spines.” Cancun, Mexico. April 20 -24.

Third Conference of International Society of Radiation Neurobiology, 2013, N Koganezawa, A Puspitasari, N Kojima, T Shirao “Time-dependent effect of X-irradiation on fear conditioning and its underlying cellular mechanism.” In the Symposium “Effect on the neural cells and plasticity of the central nervous system.”, Naha, Okinawa, Jan 26. (invited)

Third Conference of International Society of Radiation Neurobiology, 2013, A Puspitasari, N Koganezawa, N Kojima, T Shirao “Acute effect of X-irradiation on adult mouse brain” Naha, Okinawa, Jan 26.

Society for Neuroscience 39th Annual Meeting, , 2012, Roppongi R T., Shirao T. “5-HT2A receptor activation reduced the accumulation of drebrin in dendritic spines.” New Orleans, LA, Oct 13-18.

5th Special Conference of the International Society for Neurochemistry: Synapses and Dendritic Spines in Health and Disease. T Shirao. “Myosin-II-mediated transient translocation of F-actin-drebrin A complex during the initial phase of synaptic plasticity.” Buenos Aires, Argentina, 12–15 September 2012 (invited)

53rd Annual Meeting of American Society for Radiation Oncology, 2011 Y. Suzuki, M. Hino, K. Shirai, Y. Yoshida, T. Mizui, K. Hanamura, T. Shirao, T. Nakano. “X ray Irradiation Induces Acute Depolymerization of Axonal and Dendritic Microfilaments in Cultured Neuron”, Miami, Florida, October 2-6.

The Synapse-From physiology to pathology, 2011, Shirao T. “Activity-dependent accumulation of F-actin associated with drebrin A facilitates spine formation.” Stresa, Italy, September 4-7.(invited)

The 23rd Biennial Meeting of ISN-ESN, 2011 Ishizuka Y, Nawa H, Takei N. (2011) AMPK regulates BDNF-induced activation of mTOR signaling and enhancement of translation in cortical neurons. Athens, Greece, August 28 – September 1

23rd ISN Biennial Meeting, 2011, Fujieda, T., Shirao, T., Sekino, Y. “Voltage-sensitive dye imaging of GABAB receptors mediated responses in the lateral nucleus of the mice amygdala.” Athens, Greece, August 28 – September 1

23rd ISN Biennial Meeting, 2011, Shirao, T., Hanamura, K., Yasuda, H., Kajita, Y., Kamata, Y., Sekino, Y., Kojima, N. “Regulatory role of drebrin in hippocampus-dependent learning.” Athens, Greece, August 28 – September 1

Emerging Concepts of Neuronal Cytoskeleton, 2011, Shirao T, Hanamura K. “Regulatory mechanism of drebrin localization at dendritic spines.” Santa Cruz, Chile, April 24-27 (invited)

Society for Neuroscience 37th Annual Meeting, 2010, Kojima N, Yasuda H, Hanamura K, Shirao T. “Neuron-specific drebrin isoform is necessary for hippocampus-dependent learning in adulthood but not in young age of mice” San Diego, USA, November 13-17

The 10th Biennial Meeting of the APSN Meeting, 2010. Shirao T, Hanamura K. “Low accumulation of drebrin at glutamatergic postsynaptic sites on GABAergic neurons.” Phuket, Thailand, October 17-20

22nd ISN Biennial Meeting, 2009, Shirao, T., Hanamura, K., Takahashi, H., Mizui, T., Sekino, Y.”Regulation of dendritic spine morphology by changing drebrin-A dynamics” Busan, Korea, August 23-28 (invited)

36th International Congress of Physiological Sciences (IUPS2009), 2009, Kojima N, Yasuda H, Hanamura K, Yamazaki H, Shirao T “Specific role of neuronal isoform of drebrin in hippocampal synaptic plasticity and fear memory.” Kyoto, July 27-August 1

36th International Congress of physiological Sciences (IUPS2009), 2009, Kato K, Yamazaki H, Shirao T, Sekino Y. “Maturation of AMPA receptors activity is regulated by expression of drebrin, an actin-binding protein, in cultured hippocampal neurons.” Kyoto, July 27-August 1

36th International Congress of physiological Sciences (IUPS2009), 2009, Shirao T “Role of synaptic activity in spine morphogenesis” in the symposium “Intercellular communications in the brain.” Kyoto, July 27-August 1 (Invited)

Society for Neuroscience 37th Annual Meeting, 2008 Hiroyuki Yamazaki, Kenichi Kato, Yuko Sekino, Tomoaki Shirao “Regulation of dendritic spine formation by Spikar-Drebrin interaction.” Washington, DC, Nov. 15-19

Society for Neuroscience 37th Annual Meeting, 2008 Kenji Hanamura, Nobuhiko Kojima, Hiroyuki Yamazaki, Tomoaki Shirao “Isoform conversion of drebrin during neuronal development regulates synapse formation and fear memory.” Washington, DC, Nov. 15-19

8th Biennial Meeting of the Asia-Pacific Society for Neurochemistry (APSN 2008) Tomoaki Shirao “Ionotropic glutamate receptors modify dendritic spine morphology by regulating drebrin dynamics.” Shanghai, PR China, June 24-26th (Invited)

Society for Neuroscience 37th Annual Meeting, 2007. Mizui T, Katayama M, and Shirao T “Roles of drebrin in the neurite outgrowth” San Diego, CA, Nov. 3-7

Society for Neuroscience 37th Annual Meeting, 2007. Takahashi H, Yamazaki H, and Shirao T “AMPA-type glutamate receptors regulate drebrin turnover during development” San Diego, CA, Nov. 3-7

7th IBRO World Congress of Neuroscience, Shirao, T. “Bidirectional regulation of NMDA receptor and actin cytoskeleton in dendritic spine” in the symposium of “Mechanisms of Structural Plasticity at Exciatory Synapses.” Melbourne, Australia July 12-17 2007 (Invited)

21th ISN Biennial Meeting,. Shirao, T., Takahashi, H., Mizui, T., Sekino, Y. “Genetic and activity-dependent control of spinous actin cytoskeleton in spine formation.” in the Symposium on “Cytoskeletal dynamics and signal transduction in neurons.” Cancun, Mexico August 23, 2007 (Invited)