RIKEN BRAIN SCIENCE INSTITUTE (理研BSI)

Faculty Detail / 研究室詳細

発生神経生物研究チーム

シニア・チームリーダー

IP3 receptor, Calcium signaling

御子柴  克彦

研究内容

我々の脳は、数千億個に及ぶニューロンとそれを取り囲むグリア細胞から構成されています。学習・記憶などの高次脳機能にはこれらの細胞の緊密なコミュニケーションが必須であります。ニューロンは互いに複雑な神経回路を形成し、各種の情報処理を効率よく行っています。脳神経系がその機能を発揮するためには、ニューロンの周囲に存在するグリア細胞も重要な役割を荷なっています。私達の研究室では、脳がどの様にして形成され、どの様に働くかをDNA-RNA-蛋白質—細胞内小器官—細胞−組織−臓器−個体の各レベルから研究を進めています。特に行動異常を起こすミュータントマウスと正常マウスを比較解析していますが、行動異常を起こすミュータントで欠落していたP400タンパク質がノシトール3リン酸受容体(IP3レセプター)であることを発見したことからIP3レセプター/カルシウムシグナルの研究へ入っていきました。当チームでIP3レセプターの全構造を決定し、小胞体にあるCa2+チャネルであることを証明しました。そこで現在はIP3レセプターを中心に細胞内カルシウム動態と高次脳機能(記憶、情動、協調運動性など)や様々な脳疾患(精神疾患を含む)との関係を分子レベルで解明を行なっています。これまでの研究で、IP3レセプターによって産生されるCa2+波やCa2+振動の時空間的な特性IP3レセプター自身がカルシウムチャネル機能に加えてsignaling hub(シグナル拠点)として、20以上もの分子が相互作用するプラットフォームを提供する事により、膵液・唾液分泌、受精、背腹軸決定など様々な生理現象に必須であることを明らかにしてきました。そこで、我々はIP3レセプター分子のチャネルの開閉メカニズムの解明、細胞内IP3動態およびCa2+動態の同時イメージング、Ca2+波やCa2+振動の発生源となる局所的Ca2+放出(Ca2+ puff)の機構解析などに力を注ぐことによりCa2+動態の時空間的制御メカニズムの解明を行っています。また、世界最高の検出感度をもつカルシウムイオンセンサー “カメレオン-Nano”の開発に成功しました。これを用いて2光子顕微鏡でのin vivo イメージングにも成功しています。最近、我々はIP3レセプターの偽リガンドであるIRBIT を発見しました。IRBITはそのN-末端部分にmultiple Ser region を有する分子で、IP3レセプターのIP3 結合領域にIP3 と競合的に結合し、IP3レセプターのIP3 感受性を調節しうることを見出しました。しかもIP3レセプターがIP3と結合することにより放出され、これが三次メッセンジャーとして働き、Na+HCO3-コトランスポーター1を活性化することをみつけ、酸・塩基平衡を制御する事を見いだしました。近年病気との関連ではIP3レセプタータイプ1型の変異がヒトの運動失調症で発見されました。また脳障害と小胞体のストレスとの関連もIP3レセプターを介していることを明らかにしています。Na+HCO3-コトランスポーター1の変異はヒトでよく知られており、酸塩基平衡障害を起こすため、知能発達障害、緑内障、白内障、低体重などの障害を起こします。IP3レセプター1型に特異的に結合する酸化・還元に関わるERP44を見つけました。これは細胞の酸化・還元に関与して過剰発現させるとニューロンのアポトーシスを阻害します。また、GRP78という分子シャペロンは小胞体ストレスに対してIP3レセプター1型と結合して神経細胞死から防御していることを明らかにしました。神経回路網形成は脳機能と直結する意味で重要です。私達は「マクロピノサイトーシス」という細胞膜回収機構が神経回路形成に重要な神経突起退縮の機構に関与することを証明しました。IP3レセプター2型はアストロサイトの機能に必須で、学習に直結することを明らかにし、IP3レセプター3型は味覚、毛の発生、破骨細胞の形成、鼻粘膜の維持に重要であることをノックアウトマウスの解析から明らかにしています。以上のように当研究室では研究手法としては分子生物学的、生化学的解析手法はもとより、構造生物学、蛍光顕微鏡による細胞イメージング、共焦点顕微鏡による解析や多光子顕微鏡を用いた解析、量子ドットを用いた1分子イメージング、パッチクランプや人工脂質二重膜を用いたチャネル活性の解析や電気生理学などの生物物理学的手法やin vivo イメージングなど多岐にわたる手法を用いて脳の高次機能発現のメカニズムの解析を行っています。

細胞内情報伝達とカルシウムシグナリング

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  1. 1

    Arizono M, Bannai H, Nakamura K, Niwa F, Enomoto M, Matsu-Ura T, Miyamoto A, Sherwood MW, Nakamura T, and Mikoshiba K: "Receptor-selective diffusion barrier enhances sensitivity of astrocytic processes to metabotropic glutamate receptor stimulation.", Sci Signal, 5(218), ra27 (2012)

  2. 2

    Higo T, Hamada K, Hisatsune C, Nukina N, Hashikawa T, Hattori M, Nakamura T, and Mikoshiba K: "Mechanism of ER stress-induced brain damage by IP(3) receptor.", Neuron, 68(5), 865-78 (2010)

  3. 3

    Horikawa K, Yamada Y, Matsuda T, Kobayashi K, Hashimoto M, Matsu-ura T, Miyawaki A, Michikawa T, Mikoshiba K, and Nagai T: "Spontaneous network activity visualized by ultrasensitive Ca(2+) indicators, yellow Cameleon-Nano.", Nat Methods, 7(9), 729-32 (2010)

  4. 4

    Mizutani A, Kuroda Y, Futatsugi A, Furuichi T, and Mikoshiba K: "Phosphorylation of Homer3 by calcium/calmodulin-dependent kinase II regulates a coupling state of its target molecules in Purkinje cells.", J Neurosci, 28(20), 5369-82 (2008)

  5. 5

    Ohshima T, Hirasawa M, Tabata H, Mutoh T, Adachi T, Suzuki H, Saruta K, Iwasato T, Itohara S, Hashimoto M, Nakajima K, Ogawa M, Kulkarni AB, and Mikoshiba K: "Cdk5 is required for multipolar-to-bipolar transition during radial neuronal migration and proper dendrite development of pyramidal neurons in the cerebral cortex.", Development, 134(12), 2273-82 (2007)

  6. 6

    Matsu-ura T, Michikawa T, Inoue T, Miyawaki A, Yoshida M, and Mikoshiba K: "Cytosolic inositol 1,4,5-trisphosphate dynamics during intracellular calcium oscillations in living cells.", J Cell Biol, 173(5), 755-65 (2006)

  7. 7

    Shirakabe K, Priori G, Yamada H, Ando H, Horita S, Fujita T, Fujimoto I, Mizutani A, Seki G, and Mikoshiba K: "IRBIT, an inositol 1,4,5-trisphosphate receptor-binding protein, specifically binds to and activates pancreas-type Na+/HCO3- cotransporter 1 (pNBC1).", Proc Natl Acad Sci U S A, 103(25), 9542-7 (2006)

  8. 8

    Ando H, Mizutani A, Kiefer H, Tsuzurugi D, Michikawa T, and Mikoshiba K: "IRBIT suppresses IP3 receptor activity by competing with IP3 for the common binding site on the IP3 receptor.", Mol Cell, 22(6), 795-806 (2006)

  9. 9

    Futatsugi A, Nakamura T, Yamada MK, Ebisui E, Nakamura K, Uchida K, Kitaguchi T, Takahashi-Iwanaga H, Noda T, Aruga J, and Mikoshiba K: "IP3 receptor types 2 and 3 mediate exocrine secretion underlying energy metabolism.", Science, 309(5744), 2232-4 (2005)

  10. 10

    Higo T, Hattori M, Nakamura T, Natsume T, Michikawa T, and Mikoshiba K: "Subtype-specific and ER lumenal environment-dependent regulation of inositol 1,4,5-trisphosphate receptor type 1 by ERp44.", Cell, 120(1), 85-98 (2005)

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