基礎医学系講座

生化学Department of Biochemistry

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生化学 生化学

神経細胞を巧妙に制御するタンパク質の活性は、単純なON・OFFだけではなく、個々のシナプスにおける局所性やタイミングといった時空間ダイナミクスを示すが、記憶における生理的意義は多くが不明である。そこで我々のグループでは、タンパク質を局所的に光不活性化する分子操作技術CALI法（Chromophore-assisted light inactivation）と二光子顕微鏡イメージングを駆使し、分子機能の時空間ダイナミクスに着目した新しい記憶研究を展開している。さらに、より多様な分子の操作的解析を可能にする新規光学技術の開発を進め、分子から行動発現に至る各階層をつなぐ未知の原理にアプローチし、脳科学における新たな学問分野の創生を目指す。

教　授
竹本　研
准教授
實木　亨
助　教
設楽　久志
学部担当科目
生化学、分子生命体科学（分担）、分子医学実習（分担）
附属病院診療科
-
居室
先端医科学教育研究棟　３階

研究・教育内容

1.神経伝達物質受容体に対する光不活化技術の開発

CALI法は、標的分子を光で酸化・不活性化する分子操作技術のひとつであり、直径数mmの微小領域においても迅速な分子不活化が可能である。この高い時空間分解能を生かし、神経伝達物質受容体を脳領域～単一シナプスのマルチスケールで光操作できれば、記憶情報の詳細かつ因果的な解析が可能になると期待できる。そこで本研究ではCALI法を応用し、各種神経伝達物質受容体に対するCALI法の開発を進めている（Takemoto K. et al. Nat. Biotechnol. 2017)。

2.二光子イメージングとCALI法による記憶貯蔵メカニズムの解明

記憶は記憶痕跡という神経細胞集団に貯蔵されるが、「どの神経細胞が記憶痕跡になるか？」という選択原理は全く不明である。我々はこれまでに、記憶痕跡選択の初期段階である記憶の獲得には、AMPA受容体の中でもGluA1/1のシナプス移行が必要なことを明らかにした。AMPA受容体は海馬において3種の複合体（GluA1/1・GluA1/2・GluA2/3）が存在するが、複合体特異的な生理機能が示唆される。そこで我々は、CALI法と二光子イメージングを駆使し、各AMPA受容体複合体の時空間ダイナミクスを可視化・操作することで、記憶痕跡細胞の選択メカニズムの解明を目指している。

3.新規CALI法の開発

他方、我々が開発したAMPA受容体CALI法は、光でタンパク質分子を操作する強力な技術として、特に脳科学分野で注目されている（Humeau Y et al. Nat. Neurosci. 2019、Paoletti P et al. Nat. Rev. Neurosci. 2019等多数）。一方で本手法は分子ごとにCALIが可能な抗体を取得する必要があるため、様々な分子に対して網羅的に適用することは困難であった。そこで本研究では、進化分子工学的手法やタンパク質工学的手法を駆使し、様々な内在性分子をハイスループットかつゲノムワイドに光不活性化可能な新規光学技術の創生を目指す。

画像1

研究業績

  1. Optical manipulation of molecular function by chromophore-assisted light inactivation.


    Takemoto K.
    Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2021;97(4):197-209. doi: 10.2183

  2. Punishment-Predictive Cues Guide Avoidance through Potentiation of Hypothalamus-to-Habenula Synapses.


    Trusel M, Nuno-Perez A, Lecca S, Harada H, Lalive AL, Congiu M, Takemoto K, Takahashi T, Ferraguti F, Mameli M.
    Neuron. 2019 Apr 3;102(1):120-127.e4. doi: 10.1016/j.neuron.2019.01.025. Epub 2019 Feb 11.

  3. Optical inactivation of synaptic AMPA receptors erases fear memory.


    Takemoto K, Iwanari H, Tada H, Suyama K, Sano A, Nagai T, Hamakubo T, Takahashi T.
    Nat Biotechnol. 2017 Jan;35(1):38-47. doi: 10.1038/nbt.3710. Epub 2016 Dec 5.

  4. SuperNova, a monomeric photosensitizing fluorescent protein for chromophore-assisted light inactivation.


    Takemoto K, Matsuda T, Sakai N, Fu D, Noda M, Uchiyama S, Kotera I, Arai Y, Horiuchi M, Fukui K, Ayabe T, Inagaki F, Suzuki H, Nagai T.
    Sci Rep. 2013;3:2629. doi: 10.1038/srep02629.

  5. Serotonin mediates cross-modal reorganization of cortical circuits.


    Jitsuki S, Takemoto K, Kawasaki T, Tada H, Takahashi A, Becamel C, Sano A, Yuzaki M, Zukin RS, Ziff EB, Kessels HW, Takahashi T.
    Neuron. 2011 Feb 24;69(4):780-92. doi: 10.1016/j.neuron.2011.01.016.

  6. Chromophore-assisted light inactivation of HaloTag fusion proteins labeled with eosin in living cells.


    Takemoto K, Matsuda T, McDougall M, Klaubert DH, Hasegawa A, Los GV, Wood KV, Miyawaki A, Nagai T.
    ACS Chem Biol. 2011 May 20;6(5):401-6. doi: 10.1021/cb100431e. Epub 2011 Jan 20.

  7. Local initiation of caspase activation in Drosophila salivary gland programmed cell death in vivo.


    Takemoto K, Kuranaga E, Tonoki A, Nagai T, Miyawaki A, Miura M.
    Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Aug 14;104(33):13367-72. Epub 2007 Aug 6.

  8. Drosophila IKK-related kinase regulates nonapoptotic function of caspases via degradation of IAPs.


    Kuranaga E, Kanuka H, Tonoki A, Takemoto K, Tomioka T, Kobayashi M, Hayashi S, Miura M.
    Cell. 2006 Aug 11;126(3):583-96.

  9. Spatio-temporal activation of caspase revealed by indicator that is insensitive to environmental effects.


    Takemoto K, Nagai T, Miyawaki A, Miura M.
    J Cell Biol. 2003 Jan 20;160(2):235-43.

PubMed