Faculty of Science and Engineering, School of Advanced Science and Engineering

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  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

  • Affiliated organization   Global Education Center

Research Institute 【 display / non-display

  • 2020

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

Degree 【 display / non-display

  • Yamanashi Medical University   MD, PhD


Research Areas 【 display / non-display

  • Anatomy and histopathology of nervous system

  • Neuroscience-general

Papers 【 display / non-display

  • Endoplasmic reticulum stress responses in mouse models of Alzheimer's disease: Overexpression paradigm versus knockin paradigm

    Shoko Hashimoto, Ayano Ishii, Naoko Kamano, Naoto Watamura, Takashi Saito, Toshio Ohshima, Makoto Yokosuka, Takaomi C. Saido

    Journal of Biological Chemistry   293 ( 9 ) 3118 - 3125  2018

     View Summary

    Endoplasmic reticulum (ER) stress is believed to play an important role in the etiology of Alzheimer's disease (AD). The accumulation of misfolded proteins and perturbation of intracellular calcium homeostasis are thought to underlie the induction of ER stress, resulting in neuronal dysfunction and cell death. Several reports have shown an increased ER stress response in amyloid precursor protein (APP) and presenilin1 (PS1) double-transgenic (Tg) AD mouse models. However, whether the ER stress observed in these mouse models is actually caused byADpathology remains unclear. APP and PS1 contain one and nine transmembrane domains, respectively, for which it has been postulated that overexpressed membrane proteins can become wedged in a misfolded configuration in ER membranes, thereby inducing nonspecific ER stress. Here, we used an App-knockin (KI) AD mouse model that accumulates amyloid-β (Aβ) peptide without overexpressing APP to investigate whether the ER stress response is heightened because ofAβ pathology. Thorough examinations indicated that no ER stress responses arose in App-KI or single APP-Tg mice. These results suggest thatPS1overexpression or mutation induced a nonspecific ER stress response that was independent of Aβ pathology in the double-Tg mice. Moreover, we observed no ER stress in a mouse model of tauopathy (P301S-Tau-Tg mice) at various ages, suggesting that ER stress is also not essential in tau pathology-induced neurodegeneration. We conclude that the role of ER stress in AD pathogenesis needs to be carefully addressed in future studies.


  • A role for CA3 in social recognition memory

    Chiang, Ming Ching, Chiang, Ming Ching, Huang, Arthur J.Y, Wintzer, Marie E, Ohshima, Toshio, McHugh, Thomas J

    Behavioural Brain Research    2018.01

     View Summary

    © 2018 Elsevier B.V. Social recognition memory is crucial for survival across species, underlying the need to correctly identify conspecifics, mates and potential enemies. In humans the hippocampus is engaged in social and episodic memory, however the circuit mechanisms of social memory in rodent models has only recently come under scrutiny. Work in mice has established that the dorsal CA2 and ventral CA1 regions play critical roles, however a more comprehensive comparative analyses of the circuits and mechanisms required has not been reported. Here we employ conditional genetics to examine the differential contributions of the hippocampal subfields to social memory. We find that the deletion of NMDA receptor subunit 1 gene (NR1), which abolishes NMDA receptor synaptic plasticity, in CA3 pyramidal cells led to deficits in social memory; however, mice lacking the same gene in DG granule cells performed indistinguishable from controls. Further, we use conditional pharmacogenetic inhibition to demonstrate that activity in ventral, but not dorsal, CA3 is necessary for the encoding of a social memory. These findings demonstrated CA3 pyramidal cell plasticity and transmission contribute to the encoding of social stimuli and help further identify the distinct circuits underlying the role of the hippocampus in social memory.


  • Cdk5 activity is required for Purkinje cell dendritic growth in cell-autonomous and non-cell-autonomous manners

    Bozong Xu, Ayumi Kumazawa, Shunsuke Kobayashi, Shin-ichi Hisanaga, Takafumi Inoue, Toshio Ohshima

    DEVELOPMENTAL NEUROBIOLOGY   77 ( 10 ) 1175 - 1187  2017.10  [Refereed]

     View Summary

    Cyclin-dependent kinase 5 (Cdk5) is recognized as a unique member among other Cdks due to its versatile roles in many biochemical processes in the nervous system. The proper development of neuronal dendrites is required for the formation of complex neural networks providing the physiological basis of various neuronal functions. We previously reported that sparse dendrites were observed on cultured Cdk5-null Purkinje cells and Purkinje cells in Wnt1(cre)-mediated Cdk5 conditional knockout (KO) mice. In the present study, we generated L7(cre)-mediated p35; p39 double KO (L7(cre)-p35(f/f); p39(-/-)) mice whose Cdk5 activity was eliminated specifically in Purkinje cells of the developing cerebellum. Consequently, these mice exhibited defective Purkinje cell migration, motor coordination deficiency and a Purkinje dendritic abnormality similar to what we have observed before, suggesting that dendritic growth of Purkinje cells was cell-autonomous in vivo. We found that mixed and overlay cultures of WT cerebellar cells rescued the dendritic deficits in Cdk5-null Purkinje cells, however, indicating that Purkinje cell dendritic development was also supported by non-cell-autonomous factors. We then again rescued these abnormalities in vitro by applying exogenous brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Based on the results from culture experiments, we attempted to rescue the developmental defects of Purkinje cells in L7(cre)-p35(f/f); p39(-/-) mice by using a TrkB agonist. We observed partial rescue of morphological defects of dendritic structures of Purkinje cells. These results suggest that Cdk5 activity is required for Purkinje cell dendritic growth in cell-autonomous and non-cell-autonomous manners. (c) 2017 Wiley Periodicals, Inc. Develop Neurobiol 77: 1175-1187, 2017


  • Wnt and Shh signals regulate neural stem cell proliferation and differentiation in the optic tectum of adult zebrafish

    Shiori Shitasako, Yoko Ito, Ryoichi Ito, Yuto Ueda, Yuki Shimizu, Toshio Ohshima

    DEVELOPMENTAL NEUROBIOLOGY   77 ( 10 ) 1206 - 1220  2017.10  [Refereed]

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    Adult neurogenesis occurs more commonly in teleosts, represented by zebrafish, than in mammals. Zebrafish is therefore considered a suitable model to study adult neurogenesis, for which the regulatory molecular mechanisms remain little known. Our previous study revealed that neuroepithelial-like neural stem cells (NSCs) are located at the edge of the dorsomedial region. We also showed that Notch signaling inhibits NSC proliferation in this region. In the present study, we reported the expression of Wnt and Shh signaling components in this region of the optic tectum. Moreover, inhibitors of Wnt and Shh signaling suppressed NSC proliferation, suggesting that these pathways promote NSC proliferation. Shh is particularly required for maintaining Sox2-positive NSCs. Our experimental data also indicate the involvement of these signaling pathways in neural differentiation from NSCs. (c) 2017 Wiley Periodicals, Inc. Develop Neurobiol 77: 1206-1220, 2017


  • Zebrafish Mecp2 is required for proper axonal elongation of motor neurons and synapse formation

    Keisuke Nozawa, Yanbin Lin, Ryota Kubodera, Yuki Shimizu, Hideomi Tanaka, Toshio Ohshima

    DEVELOPMENTAL NEUROBIOLOGY   77 ( 9 ) 1101 - 1113  2017.09  [Refereed]

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    Rett syndrome is a severe neurodevelopmental disorder. It is caused by a mutation in methyl-CpG binding protein 2 (MecP2), a transcriptional regulator that recruits protein complexes involved in histone modification and chromatin remodeling. However, the role of Mecp2 in Rett syndrome remains unclear. In this study, we investigated the function of Mecp2 in neuronal development using zebrafish embryos. Mecp2 expression was detected ubiquitously in the central nervous system and muscles at 28 h postfertilization (hpf). We injected an antisense morpholino oligonucleotide (AMO) to induce Mecp2 knockdown phenotype. In mecp2 morphants (embryos with Mecp2 knockdown by AMO) at 28 and 72 hpf, we found an increase in abnormal axonal branches of caudal primary motor neurons and a decrease in motor activity. In mecp2 morphants at 24 hpf, we observed an increase in the expression of an mecp2 downstream candidate gene, brain derived neurotrophic factor (bdnf). In mecp2 morphants at 72 hpf, the presynaptic area stained by an anti-SV2 antibody was increased at the neuromuscular junction (NMJ). Interestingly, the size of SV2-positive presynaptic area at the NMJ was also increased following bdnf mRNA injection, while it was normalized in a double knockdown of mecp2 and bdnf. These results imply that Mecp2 is an important functional regulator of bdnf gene expression during neural circuit formation in zebrafish embryo. (c) 2017 Wiley Periodicals, Inc. Develop Neurobiol 77: 1101-1113, 2017


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Books and Other Publications 【 display / non-display

  • Cyclin Dependent Kinase5

    Ohshima, T

    Spriger  2008 ISBN: 9780387788869

Awards 【 display / non-display

  • 日本神経化学会奨励賞


Research Projects 【 display / non-display

  • Cross-talk between endocrine and environmental factors in neuroimmune disorders

    Project Year :


  • CRMPをターゲットとした神経損傷・神経変性疾患治療戦略開発

    Project Year :


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    神経疾患の治療が困難である大きな理由は、神経系の乏しい再生能力にある。それは、神経再生を妨げる機構の存在に原因あり、その細胞内のシグナルに関連した因子としてCRMPが注目されている。本研究では、CRMPをターゲットとした神経変性疾患治療法開発に向けて、ヒトの病態に近いモデルマウスを用いて、CRMPの遺伝子変異の効果及びLKEなどの薬剤の効果を明らかにすることを目的とする。神経損傷のモデルとしては、脊髄損傷と視神経損傷、神経変性疾患としてはパーキンソン病を取り上げた。MPTP-induced パーキンソン病モデルにおいて、CRMP4KOでドーパミン神経細胞死が抑制されることを見出し報告した(Tonouchiら J Neurochem. 2016)が、MPTP-induced パーキンソン病モデルに比べよりヒト疾患病態に近いalpha-synuclein過剰発現によるマウスモデルを用いて検証する。alpha-synuclein過剰発現 (alpha-synuclein Tg) マウスとCRMP4KOと交配し、alpha-synuclein Tgマウスとalpha-synuclein Tg; CRMP4KOマウスの病態進行を比較することにより、CRMP4欠損のパーキンソン病態への効果を評価する。脊髄損傷と視神経損傷に関しては、野生型とCRMP変異マウスへの損傷からの回復を比較して、神経損傷からの神経再生に関するCRMPの役割を明らかにする。本年度は、alpha-synuclein Tgマウスを導入し、病態進行を組織学的、生化学的、行動学的方法により解析し、先行研究と比較した。また、alpha-synuclein TgマウスとCRMP4KOマウスの交配を行ない、alpha-synuclein Tg; CRMP4KOマウスの作成を開始した。また、視神経損傷に関して、野生型とCRMP変異マウスへの損傷からの回復を比較した。CRMP変異マウスとしては、CRMP2のSer522をAlaに置換したCRMP2KIマウスを用いて、神経損傷後の神経変性と神経再生に対するCRMP2のリン酸化抑制の効果を検討した。CRMP2KIマウスにおいては、Cdk5によるS522のリン酸化に加え、GSK3betaによるT518, T514, T509のリン酸化も起こらない。CRMP2KIマウスのおいては、視神経損傷後の視神経変性が抑制されること(Kinoshita et al., 2019)、視神経再生が促進されることを(Kondo et al., 2019)を見出して、論文発表を行なった。特に、後者の研究成果はプレスリリースを行なった。令和2年度は令和1年度に導入したパーキンソン病モデルであるalpha-synuclein Tgマウスに対するCRMP4欠損の影響を検討する。具体的には、alpha-synuclein Tgとalpha-synuclein Tg; CRMP4KOマウスの病態進行を、組織学的、生化学的、行動学的手法により比較解析して、研究成果を学会活動や学術論文等を通じて公開する

  • Elucidation of roles of CRMP in neural circuit formation and regeneration and application for the treatment of spinal cord injury

    Project Year :


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    In present study, we analyzed the role of CRMP family proteins in brain development and neural regeneration by using mutant mice of CRMP genes. We reported orientation abnormality of basal dendrites of layer V neurons in cerebral cortex of CRMP4 KO mice and this phenotype became worse in CRMP 1/4 double KO mice (Takaya et al., 2017). We also reported the involvement of CRMP2 phosphorylation in dendritic spine formation (Jin et al., 2016). In neural regeneration, we found that suppression of CRMP2 phosphorylation promoted functional recovery of motor and sensory system after spinal cord injury (Nagai et al., 2016). We further showed that LKE, which modified the function of CRMP2, also promoted recovery of motor function after spinal cord injury (Kotaka et al., 2017). These results indicate the importance of CRMP family proteins in brain development and their involvements in neural regeneration

  • 神経特異的サイクリン依存性キナーゼ(cdk5)の個体レベルでの機能解析

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    Cdk5の個体レベルでの機能解析のため、これまでにCdk5及び活性化subunit p35の欠損マウスを作製し、Cdk5/p35キナーゼが大脳,小脳,海馬などの皮質において神経細胞のcontrolされたmigrationに基づく層構造形成にcell-autonomousに必須であることを明らかにしてきた(Ohshima et al.,1999)。しかしセリン・スレオニンキナーゼであるCdk5/p35の欠損がなぜ神経細胞のmigrationの異常をきたすのかは不明である。標的タンパク質としてPak1や、その欠損マウスの表現型の類似性などから、Reelin/Dab1シグナリングなどへの関与が推定されている。本研究ではPak1に関してはdeletion mutantの解析などからCdk5/p35によりPak1 N-terminal(1-252)のThrがリン酸化される事が明らかになった(未発表)。またReelin/Dab1との関係を明らかにするため、p35とReelinあるいはDab1の二重欠損マウスを作製し表現型を解析した。その結果、二重欠損マウスはその神経細胞のmigrationの障害がより増悪する事からCdk5/p35はReelinシグナルの直接の下流ではないと考えた。しかし、p35欠損にReelinあるいはDab1のheterozygosityか加わる事によりmigrationの増悪が認められる事から、両者は共働的に皮質神経細胞のmigrationのcontrolに寄与している事が明らかとなった(Ohshima et al.,2001)。またNIHの研究グループとの共同研究により、Cdk5の神経細胞での機能発現はマウスのsurvivalに必須である事を明らかにした(Tanaka et al.,2001)

  • Identification and functional analysis of Cdk5-mediated phosphorylation of the proteins that are related to brain formation and development

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    Purpose and Method :Cdk5 is a neuron-specific Ser/Thr protein kinase and Cdk5 KO mice exhibit defective brain development particularly in layer formation of cortical structures. Abnormalities of brain development in Cdk5 KO mice are caused by defects in the phosphorylations of brain development related-proteins. Using brains from Cdk5 KO mice, we conducted a screening to identify Cdk5 substrate(s). Functional analysis of newly identified substrate(s) is further performed. We also studied the functional significance of Cdk5-mediated phosphorylation of Dab1 which is a intracellular mediator of Reelin signaling.Results :Through the screening, we identified CRMP2 as a substrate of Cdk5. Under the collaboration with Dr.Goshima's group in Yokohama City University School of Medicine, we found Cdk5 phosphorylates CRMP2 at Ser522. This phosphorylation is required for Ser509 phosphorylation by GSK3β. This sequential phosphorylation by Cdk5 and GSK3β reduces the affinity between CRMP2 and tubulins. We also demonstrate that this sequential phosphorylation of CRMP2 is related to the production of 3F4 reactivity specifically in the brains from Alzheimer's patients. In another study, we showed that Cdk5 phosphorylates Dab1 at multiple sites in its C-terminal. Cdk5-mediated Ser/Thr phosphorylations of Dab1 inhibit tyrosine phosphorylation of Dab1 induced by Reelin. This result indicates a negative modulation of Reelin signaling by Cdk5

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Presentations 【 display / non-display

  • Requirement of Cdk5 for proper cerebellar development and function

    2nd international symposium on Cdk5 Tokyo 

    Presentation date: 2009.06

Specific Research 【 display / non-display

  • ゼブラフィッシュを用いたCRMPの神経発生・神経再生への関与の解明


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    CRMP2はCRMP1-5からなる遺伝子ファミリーの一つであり、発生期の神経系に発現している。本研究では、CRISPR/Cas9を用いてCRMP2 knockout zebrafishの作成を行ない、その表現型を解析した。CRISPR/Cas9によるゲノム編集により1塩基挿入が起こり、結果的に短いN末のみが翻訳される変異が導入された。神経細胞をGFPで可視化するためTg(isl1:GFP)と交配して解析したところ、顔面神経核の形成不全が明らかとなった。また、この表現型は野生型CRMP2 mRNAで正常化したことから、変異導入によるCRMP2の機能喪失に特異的な表現型であることが証明された。

  • CRMPの神経発生・神経疾患への関与の解明


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    本研究は神経発達におけるCRMP遺伝子の機能解析を行なうことを目的としている。CRMPは神経発生期に発現が高く、CRMP1-5のfamily遺伝子があり、これらが機能的に相補的であることが示されている。そのため、単独欠損では他の代償のため表現型が軽症化するため重複欠損で解析する必要があり、今回はCRMP1KO; CRMP2KI; CRMP4KOマウスの小脳発達を野生型と比較した。その結果、プルキンエ細胞の配置異常が特に第X小葉において顕著に認められ、協調平衡運動が障害されていることが明らかとなった。以上の結果より、小脳発達特にプルキンエ細胞の位置決定にCRMPの機能が重要であることが示された。

  • CRMPタンパク質を標的とした神経損傷・神経変性疾患治療戦略開発


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    CRMPは神経細胞の多く発現しているリン酸化タンパク質で、CRMP1-5のサブタイプがあり、4量体を形成していることが知られている。神経回路形成時に働くセマフォリン3Aの細胞内シグナル伝達に関与することが報告されたが、その後様々な軸索ガイダンス分子のシグナル伝達に関与し、神経損傷の修復や神経疾患への関与が示唆されている。我々は、CRMP4欠損が脊髄損傷からの回復に有利に働くことを報告している。CRMP2を介して機能すると考えられている薬剤LKEが脊髄損傷や神経変性疾患の治療に行こうであるか検討を続けている。また、共同研究により、CRMP2のリン酸化が躁うつ病の治療薬であるリチウムの作用点であることを明らかにした(Tobeet al., 2017)。

  • ゼブラフィッシュ成魚を用いた神経新生の制御メカニズムの解明


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    ヒトなどの哺乳類では成体脳での神経新生が限られた脳部位でのみ起きるのに対して、ゼブラフィッシュなどの硬骨魚類では、多くの脳部位で神経新生が観察される。本研究では、ゼブラフィッシュ成魚脳の損傷時に、どの様な分子メカニズムで神経新生が促されて、損傷が修復されるかを検討した。その結果、Wntシグナルが神経新生の元になるラジアルグリア(RG)の増殖と神経細胞への分化に関与することを明らかにした(Shimizu et al., Glia 2018)。Wntシグナル以外にも、ShhシグナルやNotchシグナルの関与も示唆されるため、これらのシグナル伝達の関与も検討を進めている。研究成果が、ヒトの神経系の再生医療への応用につながることが期待される。

  • ゼブラフィッシュにおけるグリア細胞内シグナルと機能連携の可視化


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    成体脳において神経新生が行われる現象は、ヒトを含む哺乳類では限られた脳領域で行なわれているが、ゼブラフィッシュなどの硬骨魚類では、比較的広範囲の脳領域で行なわれている。本研究では、神経幹細胞であるラジアルグリア細胞の増殖・分化のプロセスと、Ca動態を可視化することにより、グリア内細胞シグナルと幹細胞増殖・分化の関連を明らかにすることを目的とした。バイオリソースセンターよりGFAP:GCaMP6a導入して、解析を開始した。また、Gal4-UAS系を用いて、GFAP:GalFF Tg fish(Shimizuら2015)とUAS:GCaMP7を交配する予定である。

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