JP2013040894A - Method for evaluating whether non-hominid animal is in state of having normal learning abilities or not, and medicine screening method - Google Patents

Method for evaluating whether non-hominid animal is in state of having normal learning abilities or not, and medicine screening method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating whether a non-hominid animal is in a state of having normal learning abilities or not by analyzing and interpreting the learning abilities and brain state of the animal on the basis of a concept different from conventional LTP.SOLUTION: A method for evaluating whether a non-hominid animal is in a state of having normal learning abilities or not includes a learning step of causing the animal to take learning action, a detection step of examining a localized state of CapZ in brain neurons of the animal, and an evaluation step of evaluating the brain state through observation of the localized state of CapZ.

Description

本発明は、非ヒト科動物が正常な学習能力を有する状態であるか否かを評価する方法に関する。より詳しくは、非ヒト科動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在を調べることにより、当該動物の脳が正常に学習できる状態であるか否かを評価する方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating whether or not a non-human animal has a normal learning ability. More specifically, the present invention relates to a method for evaluating whether or not the brain of the animal can be normally learned by examining the localization of CapZ in the nerve cells of the brain of the non-human animal.

従来の薬物スクリーニングの場合、記憶能、学習能の判定に齧歯類の行動変化を指標とする試験法が一般的である。例えば「文脈依存的恐怖条件付け文脈学習」の場合、過去に痛みを与えられた場所に置かれた動物が、その痛みを想起して表す恐怖反応、全く動かなくなる「すくみ行動」、の時間率を学習能として評価する。   In the case of conventional drug screening, a test method using changes in rodent behavior as an index is generally used to determine memory ability and learning ability. For example, in the case of “context-dependent fear conditioning contextual learning”, an animal placed in a place where pain has been given in the past is used to calculate the time rate of the fear reaction that expresses the pain, and the “freezing behavior” that stops moving at all. Evaluate as learning ability.

また、神経細胞・分子レベルで記憶や学習の根本的なメカニズムを研究するために、主に生体外で切片標本を用いたLTP(Long Term Potentiation)が、研究材料として使用されている。LTPで観察されるAMPA型グルタミン酸受容体による電流の増加は、記憶の素過程であると考えられおり(非特許文献1及び2)、記憶や学習に影響を及ぼす薬物のスクリーニング等への応用研究も盛んである。ところで、記憶の素過程として現れるはずの現象(神経回路の可塑性を示す現象)は、少ない頻度でしか起こらない可能性があることに留意しなければならない。発明者らの過去の研究(非特許文献3,4)からも、記憶が形成される刺激によって変化するスパインの数は、全体の数%程度である可能性が示唆されている。   In addition, in order to study the fundamental mechanisms of memory and learning at the neuronal and molecular level, LTP (Long Term Potentiation) using section specimens in vitro is mainly used as research material. The increase in current due to AMPA-type glutamate receptors observed in LTP is considered to be an elementary process of memory (Non-Patent Documents 1 and 2), and applied research to screening for drugs that affect memory and learning. Is also thriving. It should be noted that a phenomenon that should appear as an elementary process of memory (a phenomenon that indicates plasticity of a neural circuit) may occur only infrequently. The inventors' past research (Non-Patent Documents 3 and 4) also suggests that the number of spines that change due to stimuli that form a memory may be about several percent of the total.

“Memory enhancement: the search for mechanism-based drugs.” Lynch G. Nat Neurosci. 2002 Nov;5 Suppl:1035-8.“Memory enhancement: the search for mechanism-based drugs.” Lynch G. Nat Neurosci. 2002 Nov; 5 Suppl: 1035-8. ”Learning from LTP: a comment on recent attempts to identify cellular and molecular mechanisms of memory.” Learn Mem. 1996 Sep-Oct;3(2-3):61-73.“Learning from LTP: a comment on recent attempts to identify cellular and molecular mechanisms of memory.” Learn Mem. 1996 Sep-Oct; 3 (2-3): 61-73. ”Experience-dependent, rapid structural changes in hippocampal pyramidal cell spines.” Kitanishi T, Ikegaya Y, Matsuki N, Yamada MK. Cereb Cortex. 2009 Nov;19(11):2572-8. Epub 2009 Feb 24.“Experience-dependent, rapid structural changes in hippocampal pyramidal cell spines.” Kitanishi T, Ikegaya Y, Matsuki N, Yamada MK. Cereb Cortex. 2009 Nov; 19 (11): 2572-8. Epub 2009 Feb 24. ”Contextual learning induces an increase in the number of hippocampal CA1 neurons expressing high levels of BDNF.” Chen J, Kitanishi T, Ikeda T, Matsuki N, Yamada MK. Neurobiol Learn Mem. 2007 Nov;88(4):409-15. Epub 2007 Aug 31.“Contextual learning induces an increase in the number of hippocampal CA1 neurons expressing high levels of BDNF.” Chen J, Kitanishi T, Ikeda T, Matsuki N, Yamada MK. Neurobiol Learn Mem. 2007 Nov; 88 (4): 409-15 Epub 2007 Aug 31.

従来の薬物スクリーニングに用いられている、動物の学習能の判定に用いられる試験法は、健康な動物を試験対象とする場合には適当な方法であるとしても、疾患モデル動物を試験対象とする場合には、単に行動だけが変化したのか、或いは学習能が変化したのか、を弁別して解釈することは難しいという問題がある。例えば、学習能が低下していると考えられている鬱病モデル動物や統合失調症モデル動物を対象にする場合は、従来の試験法では、だるさや無気力等が原因で不動状態になっているのか、恐怖反応を示して不動状態になっているのか、を弁別することが難しい。このように、特に疾患モデル動物の場合には、学習とは異なる原因の不動も考えられるので、従来の試験法が本当に学習能を反映するのかは確実ではない。また、薬物のスクリーニングを行う場合、投与した被検薬物が副作用を与えて、体が不調になったことが原因で不動状態になっているにも関わらず、当該被検薬物して学習が達成されたために不動状態になっている、と誤って解釈される危険もある。   The test methods used to determine the learning ability of animals used in conventional drug screening are subject to disease model animals even if they are appropriate when healthy animals are used as test subjects. In some cases, it is difficult to discriminate and interpret whether only the behavior has changed or whether the learning ability has changed. For example, when studying depression model animals or schizophrenia model animals that are thought to have poor learning ability, is the conventional test method in a state of immobility due to dullness or lethargy? It is difficult to discriminate whether it is immobile due to fear reaction. Thus, especially in the case of disease model animals, immobility of a cause different from learning can be considered, so it is not certain that the conventional test method really reflects learning ability. In addition, when screening a drug, the administered test drug has side effects and learning has been achieved with the test drug, even though the drug has become immobile due to a malfunction. There is also a danger of being misinterpreted as being in a stationary state because of

したがって、従来の学習試験の不確実性を回避する方法としては、脳の記憶担当部位に起こる変化を直接解析する手法が望ましい。   Therefore, as a method for avoiding the uncertainty of the conventional learning test, a method of directly analyzing the change occurring in the memory charge portion of the brain is desirable.

脳の記憶担当部位に起こる変化を捉えるために、従来からLTPを用いる方法が一般的に考えられている。しかし、近年の研究の進展によって、LTP形成に基づいた記憶の素過程の研究について、疑念が生じつつある。そもそも、従来のLTPの研究に用いられてきた、in vitroの神経細胞を人為的に直接発火させる刺激は、動物が活動や学習する際に神経細胞に自然に入力する刺激とは同じでなく、その人為的な刺激は生体中の自然な刺激を再現できていない可能性が高いことが明らかになりつつある。また、ここ数年間の技術進歩により、LTPを観察する手法は格段に進化しており、もし生体内でLTP形成が起これば確実に観察結果の報告があっていいはずである。それにも関わらず、LTPと同様の現象が生体内で起こったという報告は未だになされていない。   In order to capture the changes that occur in the memory area of the brain, methods using LTP have been generally considered. However, recent progress in research has raised doubts about the study of elementary processes of memory based on LTP formation. In the first place, stimuli that have been used in conventional LTP research to directly ignite neurons directly in vitro are not the same as stimuli that are naturally input to neurons during animal activity and learning. It is becoming clear that the artificial stimulus is not likely to reproduce the natural stimulus in the living body. Also, due to technological progress in recent years, the method of observing LTP has evolved dramatically, and if LTP formation occurs in vivo, the observation results should be reported reliably. Nevertheless, no report has been made that a phenomenon similar to LTP has occurred in vivo.

これらのことから、今まで研究されてきたLTPと部分的に共通の分子メカニズムを持ちつつも、生体内で生じる自然な刺激によって起きる新たな現象を、記憶との相関という原点に戻って確認する必要がある。
記憶が形成されるメカニズムについて理解しようと試みた従来の実験手法は、脳全体を見る分子科学か、ランダムに選んだ一部の神経細胞を見る生理学かのどちらかであった。このような実験手法だけを用いて研究していると、記憶が形成されるメカニズムにおいて重要となりうる、少数の特定の神経細胞に起こる変化(現象)を見逃してしまう危険がある。
Based on these facts, while having a molecular mechanism partially in common with LTP that has been studied so far, new phenomena that occur due to natural stimuli occurring in the living body are returned to the origin of correlation with memory and confirmed. There is a need.
Traditional experimental approaches that have attempted to understand the mechanism by which memory is formed have been either molecular science, which looks at the entire brain, or physiology, which looks at some randomly selected neurons. When research is conducted using only such experimental methods, there is a risk of overlooking changes (phenomena) that occur in a small number of specific neurons, which may be important in the mechanism by which memory is formed.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来のLTPとは異なった概念を基盤とし、動物の学習能力及びその脳の状態を解析・解釈することで、非ヒト科動物が正常な学習能力を有する状態であるか否かを評価する方法の提供を課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is based on a concept different from conventional LTP. By analyzing and interpreting the learning ability of an animal and its brain state, a non-human animal is normal. It is an object of the present invention to provide a method for evaluating whether or not a student has a sufficient learning ability.

本発明者が鋭意研究したところ、動物が学習することに伴う記憶の形成と、当該動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在とに相関があることを見出した。この知見に基づき、以下の方法を提供する。   As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that there is a correlation between the formation of memory associated with learning by an animal and the localization of CapZ in nerve cells of the brain of the animal. Based on this finding, the following method is provided.

本発明の請求項1に記載の非ヒト科動物の学習能力の評価方法は、非ヒト科動物が正常な学習能力を有する状態であるか否かを評価する方法であって、前記動物に学習行動を行わせる学習工程と、前記動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在状態を調べる検出工程と、前記CapZの局在状態の観察に基づき、前記脳の状態を評価する評価工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の評価方法は、請求項1において、前記評価工程において、CapZが一部のスパインに局在している場合、前記動物が正常な学習能力を有する状態であると評価することを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の評価方法は、請求項1又は2において、前記非ヒト科動物が、CapZとマーカータンパク質及び/又はペプチドタグとを結合させた融合タンパク質をコードする遺伝子が導入された、トランスジェニック動物であり、前記マーカータンパク質に由来するシグナル、及び/又は前記ペプチドタグに特異的に結合する抗体に由来するシグナルを検出することにより、CapZの局在を調べることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の評価方法は、請求項3において、前記トランスジェニック動物における前記融合タンパク質の発現を、前記学習行動に伴って入力を受ける脳部位において、前記入力により誘導させることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の評価方法は、請求項1〜4の何れか一項において、前記動物が疾患モデル動物であることを特徴とする。
本発明の請求項6に記載の評価方法は、請求項1〜5の何れか一項において、CapZが、以下の(i)又は(ii)のタンパク質であることを特徴とする。
(i)配列番号1〜5の何れかで表されるアミノ酸配列を有するタンパク質。
(ii)配列番号1〜5の何れかで表されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換又は付加されたアミノ酸配列を有し、且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能を有するタンパク質。
本発明の請求項7に記載の医薬のスクリーニング方法は、学習障害若しくは精神疾患を呈する請求項5に記載の疾患モデル動物に対して、被検物質を投与する工程と、前記動物に学習行動を行わせる学習工程と、前記動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在を調べる検出工程と、前記CapZの局在に基づき、前記脳の状態を評価する評価工程と、
を含み、前記評価工程において、CapZが一部のスパインに局在している場合、前記被検物質を、前記学習障害若しくは精神疾患を治療又は予防する医薬として有用であると判断することを特徴とする。
The method for evaluating the learning ability of a non-human animal according to claim 1 of the present invention is a method for evaluating whether or not a non-human animal is in a state having normal learning ability. A learning step for performing an action, a detection step for examining a localized state of CapZ in nerve cells of the brain of the animal, and an evaluating step for evaluating the brain state based on observation of the localized state of CapZ It is characterized by including.
The evaluation method according to claim 2 of the present invention is the evaluation method according to claim 1, wherein, in the evaluation step, when CapZ is localized in a part of the spine, the animal has a normal learning ability. It is characterized by evaluating.
The evaluation method according to claim 3 of the present invention is the method according to claim 1 or 2, wherein the non-human animal is introduced with a gene encoding a fusion protein in which CapZ and a marker protein and / or a peptide tag are bound. Further, the present invention is a transgenic animal, characterized in that the localization of CapZ is examined by detecting a signal derived from the marker protein and / or a signal derived from an antibody that specifically binds to the peptide tag. .
The evaluation method according to claim 4 of the present invention is the method according to claim 3, wherein the expression of the fusion protein in the transgenic animal is induced by the input in a brain region that receives the input in accordance with the learning behavior. Features.
The evaluation method according to claim 5 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 1 to 4, the animal is a disease model animal.
The evaluation method according to claim 6 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 1 to 5, CapZ is the following protein (i) or (ii).
(i) A protein having an amino acid sequence represented by any one of SEQ ID NOs: 1 to 5.
(ii) an amino acid sequence represented by any one of SEQ ID NOs: 1 to 5, having an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added, and spine depending on input to a neuron; A protein that has a function localized in.
The method for screening a medicine according to claim 7 of the present invention comprises a step of administering a test substance to the disease model animal according to claim 5 exhibiting a learning disorder or a mental disease, and a learning behavior for the animal. A learning step for performing, a detection step for examining the localization of CapZ in nerve cells of the brain of the animal, and an evaluation step for evaluating the state of the brain based on the localization of CapZ;
In the evaluation step, when CapZ is localized in some spines, it is determined that the test substance is useful as a medicament for treating or preventing the learning disorder or psychiatric disorder And

本発明の評価方法によれば、学習行動を行わせた動物の脳が、当該学習に関する記憶を蓄積(記銘)できる正常な学習能力を有するか否かを評価することができる。本発明の評価方法を用いることによって、動物の学習と記憶に関して、LTP形成とは異なる現象に基づいた新たな研究基盤を提供できる。
本発明の医薬のスクリーニング方法によれば、学習障害若しくは精神疾患を治療又は予防する医薬として有用な医薬候補となる物質を見出すことができる。
According to the evaluation method of the present invention, it is possible to evaluate whether or not the brain of an animal that has performed a learning action has a normal learning ability that can accumulate (memorize) the memory related to the learning. By using the evaluation method of the present invention, it is possible to provide a new research base based on a phenomenon different from LTP formation regarding learning and memory of animals.
According to the pharmaceutical screening method of the present invention, a substance that is a drug candidate useful as a medicine for treating or preventing a learning disorder or a mental illness can be found.

実施例1で使用したトランスジェニックマウスに導入した遺伝子の模式図である。2 is a schematic diagram of genes introduced into the transgenic mice used in Example 1. FIG. 実施例1で使用したトランスジェニックマウスの脳切片を蛍光顕微鏡で観察して検出された、EGFP-CapZに由来する緑色蛍光シグナルを示す写真である。It is a photograph which shows the green fluorescence signal derived from EGFP-CapZ detected by observing the brain section | slice of the transgenic mouse used in Example 1 with the fluorescence microscope. 図2と同じ観察視野において、Rhodamine-phalloidinの赤色蛍光で染色されたスパインを示す写真である。FIG. 3 is a photograph showing a spine stained with red fluorescence of Rhodamine-phalloidin in the same visual field as in FIG. 2. 左は図2と同じEGFP-CapZに由来する蛍光シグナルを示す写真であり、右は図3と同じRhodamine-phalloidin染色によって観察された蛍光シグナルを示す写真である。The left is a photograph showing a fluorescence signal derived from the same EGFP-CapZ as in FIG. 2, and the right is a photograph showing the fluorescence signal observed by Rhodamine-phalloidin staining as in FIG. 図2と同じ観察視野において、MAP2が存在する樹状突起を図2のEGFP-CapZのシグナルに重ねて示した写真である。FIG. 3 is a photograph showing a dendrite in which MAP2 exists in the same observation visual field as FIG. 2 superimposed on the signal of EGFP-CapZ in FIG. 2. 図5と同じ観察視野において、EGFP-CapZに由来するシグナルを除き、MAP2が存在する樹状突起のみを示した写真である。In the same observation visual field as FIG. 5, it is the photograph which showed only the dendrite in which MAP2 exists except the signal derived from EGFP-CapZ. 図2よりも広い視野で観察した(ズームなしで観察した)写真である。FIG. 3 is a photograph observed with a wider field of view than FIG. 2 (observed without zooming). 比較例1で使用したトランスジェニックマウスの脳切片を蛍光顕微鏡で観察して検出された、EGFP-CapZに由来する緑色蛍光シグナルを示す写真である。It is a photograph which shows the green fluorescence signal derived from EGFP-CapZ detected by observing the brain section | slice of the transgenic mouse used in the comparative example 1 with the fluorescence microscope. 図8と同じ写真において、画像の全体のシグナル強度を下げた写真である。FIG. 9 is a photograph in which the signal intensity of the entire image is lowered in the same photograph as FIG. 8. 左は図7と同一視野におけるファロイジン染色の写真であり、右は図8と同一視野におけるファロイジン染色の写真である。The left is a photograph of phalloidin staining in the same visual field as in FIG. 7, and the right is a photograph of phalloidin staining in the same visual field as in FIG. 実施例2で使用した野生型マウスの脳切片における、抗CapZ抗体に由来するシグナルを示す写真である。2 is a photograph showing a signal derived from an anti-CapZ antibody in a brain section of a wild-type mouse used in Example 2. 比較例2で使用した野生型マウスの脳切片における、抗CapZ抗体に由来するシグナルを示す写真である。4 is a photograph showing a signal derived from an anti-CapZ antibody in a brain section of a wild-type mouse used in Comparative Example 2. 比較例3で使用した疾患モデルマウスの脳切片における、抗CapZ抗体に由来するシグナルを示す写真である。6 is a photograph showing a signal derived from an anti-CapZ antibody in a brain section of a disease model mouse used in Comparative Example 3. 恐怖条件付けを行ったトランスジェニックマウスの学習能力を表すグラフである。It is a graph showing the learning ability of the transgenic mouse which performed fear conditioning.

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
<評価方法>
本発明の非ヒト科動物の学習能力の評価方法は、非ヒト科動物が正常な学習能力を有する状態であるか否かを評価する方法であって、前記動物に学習行動を行わせる学習工程と、前記動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在状態を調べる検出工程と、前記CapZの局在状態の観察に基づき、前記脳の状態を評価する評価工程と、を含むものである。
前記学習工程、検出工程及び評価工程以外の工程は、必要に応じて組み入れられる。
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings.
<Evaluation method>
The method for evaluating the learning ability of a non-human animal of the present invention is a method for evaluating whether or not a non-human animal is in a state having normal learning ability, wherein the learning step causes the animal to perform learning behavior. And a detection step of examining the localized state of CapZ in the nerve cells of the animal brain, and an evaluation step of evaluating the brain state based on observation of the localized state of CapZ.
Steps other than the learning step, the detection step, and the evaluation step are incorporated as necessary.

本発明において、「動物が正常な学習能力を有する状態である(あった)」又は「動物が正常な学習能力を有する状態でない(なかった)」と評価・判断する際の根拠は、
「正常な学習能力を有することを予め別の方法で確かめている動物が、本発明の学習工程における学習行動を行うことにより記憶を蓄積すること」と「当該学習行動に伴って信号が入力される神経細胞においてCapZが一部のスパインに局在すること」が高い相関を有すること、及び
「学習障害を呈し、正常な学習能力を有さないことを別の方法で予め確かめている動物が、本発明の学習工程における学習行動を行うことにより記憶を蓄積しないこと」と「正常である場合には、当該学習行動に伴って信号が入力される神経細胞においてCapZが一部のスパインに局在しないこと」が高い相関を有すること、
を本発明者が見出したことである。
In the present invention, the basis for evaluating and judging that "the animal is in a state having normal learning ability (was)" or "the animal is not in a state having normal learning ability (was not)"
“An animal that has previously confirmed that it has normal learning ability by another method accumulates memory by performing learning behavior in the learning process of the present invention” and “a signal is input along with the learning behavior. In other neurons, CapZ is localized in a part of spines in a neuron, and there is a high correlation between them and "an animal that has previously confirmed that it has a learning disorder and does not have normal learning ability". , “Do not accumulate memory by performing learning actions in the learning process of the present invention” and “when normal, CapZ is localized in some spines in the nerve cells to which signals are input along with the learning actions. `` Not present '' has a high correlation,
The present inventors have found out.

本明細書及び特許請求の範囲において「CapZが一部のスパインに局在している」とは、学習行動を行うことに伴って信号(活動電位)が入力される脳部位において、当該脳部位に含まれる一部のスパインにおけるCapZの濃度が、そのスパインを持つ樹状突起本体におけるCapZの濃度よりも高く、且つ、当該神経回路に含まれるスパイン間で、CapZの濃度に明らかな偏りがあることを意味する。通常、CapZの濃度は、CapZに由来するシグナル強度に正の相関をもって反映される。   In the present specification and claims, “CapZ is localized in some spines” means that the brain region where a signal (action potential) is input in accordance with learning behavior The concentration of CapZ in some spines contained in the spine is higher than the concentration of CapZ in the dendritic body having the spine, and there is a clear bias in the concentration of CapZ between the spines contained in the neural circuit. Means that. Usually, the concentration of CapZ is reflected with a positive correlation with the signal intensity derived from CapZ.

本発明における非ヒト科動物としては、学習行動を行わせて、当該学習行動に関する記憶を蓄積しうる動物であれば特に制限されず、例えば、マウス、ラット、モルモット、ウサギ等のげっ歯類、サル、オランウータン等の霊長類、ブタ、ウシ、ウマ、イヌ、ネコ、イルカ等の哺乳類、インコ、ジュウシマツ等の鳥類、コイ、ゼブラフィッシュ等の魚類などが挙げられる。これらの中でも、比較的高等な学習行動を学んで記憶できる霊長類、哺乳類およびげっ歯類が好ましく、飼育が容易であり、医薬の候補化合物のスクリーニングにも用いられるげっ歯類がより好ましい。
前記動物として、内在性又は外来性のCapZを予め導入した動物を用いることができる。前記導入した動物については、後で詳述する。
なお、ヒトにおいても、本発明の評価方法を適用することは原理的には可能であるが、安全性及び倫理的な問題について、十分に検討がなされるべきである。
The non-human animal in the present invention is not particularly limited as long as it is an animal that allows learning behavior to be performed and accumulates memory relating to the learning behavior, for example, rodents such as mice, rats, guinea pigs, rabbits, Examples include primates such as monkeys and orangutans, mammals such as pigs, cows, horses, dogs, cats and dolphins, birds such as parakeets and juvenile pine, and fishes such as carp and zebrafish. Among these, primates, mammals, and rodents that can learn and memorize relatively high learning behavior are preferable, and rodents that are easy to breed and that are also used for screening drug candidate compounds are more preferable.
As the animal, an animal into which endogenous or exogenous CapZ has been introduced in advance can be used. The introduced animal will be described in detail later.
In addition, it is possible in principle to apply the evaluation method of the present invention to humans, but sufficient consideration should be given to safety and ethical issues.

[学習工程]
本発明の評価方法における学習工程は、前記動物に学習行動を行わせる工程である。
前記学習行動は、動物に刺激を与えることにより、当該動物がその刺激を記憶できるものであれば特に制限されない。例えば、動物を一定の条件下に置いたとき、当該動物に快適な又は不快な体性感覚を与えることによって、当該動物が前記一定の条件下に置かれた状況と前記体性感覚とを連合学習して、両者が関連すると理解できるようにする「条件付け」が挙げられる。前記「条件付け」を利用した従来方法としては、記憶・学習にかかる研究で用いられてきた「文脈依存的恐怖条件付け学習」が挙げられる。
[Learning process]
The learning step in the evaluation method of the present invention is a step of causing the animal to perform learning behavior.
The learning behavior is not particularly limited as long as the animal can memorize the stimulus by applying the stimulus to the animal. For example, when an animal is placed under certain conditions, it gives the animal a comfortable or unpleasant somatic sensation, thereby associating the situation where the animal is placed under the certain conditions with the somatic sensation. One example is “conditioning” that allows you to learn and understand that the two are related. As a conventional method using the “conditioning”, there is “context-dependent fear conditioning learning” that has been used in research related to memory and learning.

従来の「文脈依存的恐怖条件付け文脈学習」の代表的な実施方法としては、電気ショック(無条件刺激)と動物が居る場所から得られる視覚刺激などの中立刺激(条件刺激)を組み合わせて条件付けを成立させた動物が、再び電気ショックを与えられた場所に置かれた際に表す恐怖反応(すくみ行動)を、文脈学習として評価する方法である。具体的には,電気グリッドを設置したチャンバー内に動物をいれ、痛みを感じる電気刺激を短時間与える。条件付けの一定時間 (1 時間、24 時間など)後に、電気刺激のない条件付けチャンバー内でのすくみ行動を2〜5分間測定し、全測定時間に対するすくみ行動時間の百分率(%)を算出し、これを学習能の指標とする   As a typical implementation method of the conventional “context-dependent fear conditioning context learning”, conditioning is performed by combining an electrical shock (unconditional stimulus) and a neutral stimulus (conditional stimulus) such as a visual stimulus obtained from a place where an animal is present. This is a method for evaluating the fear reaction (shrinking behavior) expressed when the established animal is placed again in the place where the electric shock is given as context learning. Specifically, an animal is placed in a chamber in which an electric grid is installed, and electrical stimulation that feels pain is given for a short time. After a certain period of conditioning (1 hour, 24 hours, etc.), the freezing behavior in the conditioning chamber without electrical stimulation is measured for 2 to 5 minutes, and the percentage (%) of the freezing action time relative to the total measurement time is calculated. Is an index of learning ability

本発明の評価方法において、動物に学習行動を行わせる場合、当該学習行動が当該動物に記憶されたか否かは、「学習工程」の段階では評価・判定しない点が、従来の方法とは相違する。つまり、従来の文脈依存的恐怖条件付け学習においては、特定条件(条件刺激)と電気刺激とを組み合わせて提示した後、所定の時間後に再び特定条件を提示した場合の当該動物の反応(すくみ行動)を解析する。一方、本発明の学習工程において文脈恐怖条件付けを行う場合、前記特定条件と電気刺激とを組み合わせて提示する方法は同様に行うが、所定の時間経過後に再び特定条件を提示して当該動物の反応を解析することは行う必要はない。
すなわち、本発明の評価方法は、学習工程では、当該学習が成立して、当該動物がその学習行動に関する記憶を蓄積したか否かは評価・判定せず、後段の検出工程において、当該動物の脳の状態を直接観察し、評価工程において、当該動物がその学習行動に関する記憶を蓄積したか否かを評価・判定する。
したがって、本発明の学習工程において、動物に行わせる学習行動は、従来から用いられ、その学習行動が当該動物によって記憶されうることが予め確認されている学習行動が好ましい。そのような学習行動としては、例えば、Y字型迷路試験、ロータロッド試験、恐怖条件付け学習試験、水探索試験、新奇物質探索試験、受動回避試験、放射状迷路試験、Morris水迷路試験及び遅延見本見合わせ・非見本見合わせ試験等の従来方法における、特定条件と特定刺激の提示にかかる部分の方法が、好適なものとして例示できる。
In the evaluation method of the present invention, when making an animal perform a learning behavior, whether or not the learning behavior is stored in the animal is different from the conventional method in that it is not evaluated / determined in the “learning step” stage. To do. In other words, in conventional context-dependent fear conditioning learning, after a specific condition (conditional stimulus) and electrical stimulation are presented in combination, the reaction of the animal when the specific condition is presented again after a predetermined time (shrinking behavior) Is analyzed. On the other hand, when context fear conditioning is performed in the learning process of the present invention, the method of presenting a combination of the specific condition and electrical stimulation is performed in the same manner, but the specific condition is presented again after a predetermined period of time and the animal's response There is no need to do the analysis.
That is, the evaluation method of the present invention does not evaluate / determine whether or not the learning has been established and the animal has accumulated memory regarding the learning behavior in the learning step. The state of the brain is directly observed, and in the evaluation step, it is evaluated / determined whether or not the animal has accumulated memory regarding its learning behavior.
Therefore, in the learning process of the present invention, the learning behavior to be performed by the animal is conventionally used, and the learning behavior in which it is confirmed in advance that the learning behavior can be stored by the animal is preferable. Such learning behaviors include, for example, Y-shaped maze test, rotarod test, fear conditioning learning test, water search test, novel substance search test, passive avoidance test, radial maze test, Morris water maze test and delayed sample matching. -The method of the part concerning presentation of a specific condition and a specific stimulus in conventional methods, such as a non-sample comparison test, can be illustrated as a suitable thing.

[検出工程]
本発明の評価方法における検出工程は、前記動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在状態を調べる工程である。
前記CapZの局在状態を調べる方法としては、前記学習工程を経た動物の脳を所定の時間後に直接観察するか、化学的に固定して摘出し、前記学習行動に関連する脳部位を含む切片を作製して、CapZの分布を調べる方法が好適である。
[Detection process]
The detection step in the evaluation method of the present invention is a step of examining the localized state of CapZ in the nerve cells of the animal brain.
As a method for examining the localized state of the CapZ, the brain of the animal that has undergone the learning process is directly observed after a predetermined time, or is chemically fixed and removed, and a section including a brain part related to the learning behavior A method of manufacturing Caps and examining the distribution of CapZ is suitable.

前記所定の時間は特に制限されず、学習行動に関する記憶が脳部位に蓄積されると考えられる時間とすればよい。
前記学習行動が恐怖条件付けであり、当該動物の海馬を解析する場合、前記所定の時間は4時間〜72時間が好ましく、8時間〜48時間がより好ましく、12時間〜24時間が更に好ましい。
上記範囲であることにより、当該動物の海馬に学習行動に関する記憶が蓄積されると考えられ、当該記憶と相関の高い現象としてCapZの局在を検出することができる。上記範囲の下限値未満の時間で脳を調べると、後段の評価工程における当該シグナルの解釈が困難になる場合がある。記憶は海馬で数日〜数週間は保持されると考えられるが、上記範囲の上限値を超えた時間で調べると、別の新しい記憶が上書きされることによって、当該学習依存のCapZの局在を示すシグナルを検出できなくなる恐れがある。
The predetermined time is not particularly limited, and may be a time at which memory related to learning behavior is considered to be accumulated in the brain region.
When the learning behavior is fear conditioning and the hippocampus of the animal is analyzed, the predetermined time is preferably 4 hours to 72 hours, more preferably 8 hours to 48 hours, and even more preferably 12 hours to 24 hours.
By being in the above range, it is considered that memory regarding learning behavior is accumulated in the hippocampus of the animal, and the localization of CapZ can be detected as a phenomenon highly correlated with the memory. If the brain is examined for a time less than the lower limit of the above range, it may be difficult to interpret the signal in the subsequent evaluation step. The memory is thought to be retained in the hippocampus for several days to several weeks, but when it is examined at a time exceeding the upper limit of the above range, another new memory is overwritten, thereby localizing the learning-dependent CapZ. May not be able to detect the signal indicating.

前記脳を直接観察する方法、化学的に工程し摘出する方法及び脳の切片を作製する方法は公知の方法が適用できる。
脳内に多数存在する部位のうち、どの部位を調べるかは特に制限されない。学習工程で動物に行わせる学習行動と関連性の高い脳部位の状態を調べることが好ましい。例えば、空間認知に関する学習の記憶は、脳における海馬に蓄積されることが報告されている。従って、空間認知に関する学習行動を行わせた動物の脳における海馬を調べることによって、当該学習行動に関する記憶の蓄積と相関する現象を捉えることができる。
本発明の評価方法において、記憶の蓄積と相関する現象は、当該脳部位若しくは神経細胞を構成するスパインの一部に、CapZと呼ばれるタンパク質が局在する現象である。
Known methods can be applied to the method of directly observing the brain, the method of chemically treating and removing the brain, and the method of preparing a brain slice.
There are no particular restrictions on which site to examine among the many sites in the brain. It is preferable to examine the state of the brain region highly relevant to the learning behavior to be performed by the animal in the learning process. For example, it has been reported that learning memory related to spatial cognition is accumulated in the hippocampus in the brain. Therefore, by examining the hippocampus in the brain of an animal that has made a learning action related to spatial cognition, it is possible to capture a phenomenon that correlates with the accumulation of memory related to the learning action.
In the evaluation method of the present invention, the phenomenon that correlates with the accumulation of memory is a phenomenon in which a protein called CapZ is localized in a part of the spine constituting the brain region or nerve cell.

CapZは、F-アクチン キャッピング プロテイン(F-actin capping protein)とも呼ばれる約270〜290アミノ酸残基のタンパク質であり、当初、F-アクチンに結合する機能を有するタンパク質として同定された。その後、本発明者らによって、CapZが神経細胞のシナプス可塑性に関与している可能性が検討された。その結果、本発明者は、動物が学習行動を行うことにより記憶を蓄積する事象と、当該学習行動に伴って発火する神経細胞においてCapZの少なくとも一部が、スパインの一部に局在する事象と、が高い相関を有することを見出した。   CapZ is a protein of about 270 to 290 amino acid residues, also called F-actin capping protein, and was originally identified as a protein having a function of binding to F-actin. Subsequently, the present inventors examined the possibility that CapZ is involved in synaptic plasticity of neurons. As a result, the present inventor confirmed that an event in which an animal accumulates memory by performing a learning action and an event in which at least a part of CapZ is localized in a part of a spine in a neuron that fires with the learning action. And have a high correlation.

動物の臓器別に、異なるアイソタイプのCapZが存在する場合があり、これらのアイソタイプがホモ複合体又はヘテロ複合体を形成して機能している。例えば、マウスにはCapZ beta1、CapZ beta2及びCapZ alphaの少なくとも3種類のアイソタイプが確認されている。このうち、主にCapZ beta2及びCapZ alphaがマウスの脳内に発現している。   Depending on the organ of the animal, different isotypes of CapZ may exist, and these isotypes function by forming a homocomplex or heterocomplex. For example, at least three isotypes of CapZ beta1, CapZ beta2, and CapZ alpha have been confirmed in mice. Among these, CapZ beta2 and CapZ alpha are mainly expressed in the mouse brain.

本発明におけるCapZとしては、当該動物の内在性CapZであってもよいし、当該動物に遺伝子導入若しくはタンパク質導入された外来性CapZであってもよい。
前記外来性のCapZは、神経細胞において、信号の入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-アクチンに結合する機能を有するものであれば特に制限されず、同種の動物に由来するCapZであってもよいし、異種の動物に由来するCapZであってもよい。また、同種若しくは異種の動物に由来するCapZのアミノ酸配列において1若しくは数残基のアミノ酸が欠失・置換・付加された変異型CapZであってもよい。さらに、CapZにマーカータンパク質及び/又はペプチドタグを結合させた融合タンパク質を、外来性CapZとして導入してもよい。
前記外来性のCapZは、由来する動物において脳内に発現しているものが好ましい。また、異種の動物に由来するCapZを導入する場合、その異種の動物は、導入する動物に近縁であるものが好ましい。
CapZ in the present invention may be endogenous CapZ of the animal, or exogenous CapZ introduced into the animal by gene introduction or protein introduction.
The exogenous CapZ is not particularly limited as long as it has a function of localizing in spines and / or a function of binding to F-actin in nerve cells depending on signal input, and is derived from the same species of animal. CapZ may be sufficient and CapZ derived from a different animal may be sufficient. Further, it may be a mutant CapZ in which one or several amino acid residues are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of CapZ derived from the same or different animal species. Furthermore, a fusion protein in which a marker protein and / or a peptide tag is bound to CapZ may be introduced as exogenous CapZ.
The exogenous CapZ is preferably expressed in the brain of the animal from which it is derived. In addition, when CapZ derived from a different animal is introduced, the different animal is preferably closely related to the animal to be introduced.

動物からクローニングされたCapZのcDNA情報は、NCBIのデータバンクUniGeneで一括して見ることができる。CapZ alphaのID番号はUGID:905681であり、CapZ beta2のID番号はUGID:256943である。このデータバンク及びリンクされたデータバンクで検索できるCapZを前記外来性のCapZとして導入することが可能である。   The cDNA information of CapZ cloned from animals can be viewed in a batch at NCBI's data bank UniGene. The ID number of CapZ alpha is UGID: 905681, and the ID number of CapZ beta2 is UGID: 256943. CapZ that can be searched in this data bank and linked data bank can be introduced as the exogenous CapZ.

ほ乳類に属する動物間でのCapZのアミノ酸配列の相同性は大変高い。例えばヒトとマウス間で比較したアミノ酸配列の相同性は、サブユニットalphaでは98%、サブユニット betaでは100%である。このため、ほ乳類内では、異種の動物由来のCapZが遺伝子導入された動物において、導入されたCapZは機能すると考えられる。   The homology of the amino acid sequence of CapZ is very high between animals belonging to mammals. For example, the homology of amino acid sequences compared between human and mouse is 98% for subunit alpha and 100% for subunit beta. For this reason, in mammals, it is considered that the introduced CapZ functions in an animal into which CapZ derived from a different animal is introduced.

前記外来性又は内在性のCapZとして、マウス(Mus musculus)由来のCapZを用いる場合、当該CapZは、
配列表の配列番号1で表される272アミノ酸残基のタンパク質(CapZ beta2);
配列表の配列番号2で表される286アミノ酸残基のタンパク質(CapZ alpha);
配列番号1若しくは配列番号2のアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換又は付加されたアミノ酸を有し、且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-アクチンに結合する機能を有するタンパク質;
配列番号1若しくは配列番号2のアミノ酸配列と相同性が90%以上であり且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-アクチンに結合する機能を有するタンパク質、が好ましい。
When using CapZ derived from a mouse (Mus musculus) as the exogenous or endogenous CapZ, the CapZ is:
A protein of 272 amino acid residues (CapZ beta 2) represented by SEQ ID NO: 1 in the sequence listing;
A protein of 286 amino acid residues (CapZ alpha) represented by SEQ ID NO: 2 in the Sequence Listing;
A function of having one or several amino acids deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2, and localized in a spine in an input-dependent manner to nerve cells; A protein having a function of binding to F-actin;
A protein having a homology with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 of 90% or more and having a function of localizing in spines and / or a function of binding to F-actin depending on input to nerve cells is preferable. .

配列番号1のアミノ酸配列(CapZ beta2)は、GenBank Accession No.NM_009798で登録されているMus musculus capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (Capzb), transcript variant 2, mRNAと同一の配列である。配列番号2のアミノ酸配列(CapZ alpha)は、GenBank Accession No. NM_009797.2で登録されているMus musculus capping protein (actin filament) muscle Z-line, alpha 1 (Capza1), mRNAと同一の配列である。   The amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 (CapZ beta2) is the same sequence as Mus musculus capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (Capzb), transcript variant 2, mRNA registered in GenBank Accession No. NM_009798 is there. The amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 (CapZ alpha) is the same sequence as Mus musculus capping protein (actin filament) muscle Z-line, alpha 1 (Capza1), mRNA registered in GenBank Accession No. NM_009797.2 .

前記外来性又は内在性のCapZとして、ラット(Rattus norvegicus)由来のCapZを用いる場合、当該CapZは、
配列表の配列番号3で表される272アミノ酸残基のタンパク質(CapZ beta);
配列番号3のアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換又は付加されたアミノ酸を有し、且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-actinに結合する機能を有するタンパク質;
配列番号3のアミノ酸配列と相同性が90%以上であり且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-actinに結合する機能を有するタンパク質、が好ましい。
When using CapZ derived from rat (Rattus norvegicus) as the exogenous or endogenous CapZ, the CapZ is:
A protein of 272 amino acid residues represented by SEQ ID NO: 3 in the sequence listing (CapZ beta);
In the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3, one or several amino acids have an amino acid deleted, substituted or added, and function to localize spine depending on input to nerve cells and / or F-actin A protein having the function of binding;
A protein having a homology with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3 of 90% or more and a function of localizing in spines and / or a function of binding to F-actin in an input dependent manner to nerve cells is preferable.

配列番号3のアミノ酸配列(CapZ beta)は、GenBank Accession No.NM_001005903.1で登録されているRattus norvegicus capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (Capzb), mRNAと同一の配列である。   The amino acid sequence of SEQ ID NO: 3 (CapZ beta) is the same sequence as Rattus norvegicus capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (Capzb), mRNA registered in GenBank Accession No. NM_001005903.1.

前記外来性又は内在性のCapZとして、ヒト由来のCapZを用いる場合、当該CapZは
配列表の配列番号4で表される272アミノ酸残基のタンパク質(CapZ beta1);
配列表の配列番号5で表される286アミノ酸残基のタンパク質(CapZ alpha1);
配列番号4若しくは配列番号5のアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換又は付加されたアミノ酸を有し、且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-アクチンに結合する機能を有するタンパク質;
配列番号4若しくは配列番号5のアミノ酸配列と相同性が90%以上であり且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-アクチンに結合する機能を有するタンパク質、が好ましい。
When human-derived CapZ is used as the exogenous or endogenous CapZ, the CapZ is a protein of 272 amino acid residues (CapZ beta1) represented by SEQ ID NO: 4 in the Sequence Listing;
A protein of 286 amino acid residues represented by SEQ ID NO: 5 in the sequence listing (CapZ alpha1);
A function of having one or several amino acids deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 or SEQ ID NO: 5 and being localized in a spine in an input-dependent manner to nerve cells; and / or A protein having a function of binding to F-actin;
A protein having a homology with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 or SEQ ID NO: 5 of 90% or more and having a function of localizing in spines and / or a function of binding to F-actin depending on input to nerve cells is preferable. .

配列番号4のアミノ酸配列(CapZ beta1)は、GenBank Accession No.NM_004930.3で登録されているHomo sapiens capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (CAPZB), transcript variant 1, mRNAと同一の配列である。配列番号5のアミノ酸配列(CapZ alpha1)は、GenBank Accession No.NM_006135.2で登録されているHomo sapiens capping protein (actin filament) muscle Z-line, alpha 1 (CAPZA1), mRNAと同一の配列である。   The amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 (CapZ beta1) is identical to Homo sapiens capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (CAPZB), transcript variant 1, mRNA registered in GenBank Accession No. NM_004930.3 Is an array. The amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 (CapZ alpha1) is the same sequence as homo sapiens capping protein (actin filament) muscle Z-line, alpha 1 (CAPZA1), mRNA registered in GenBank Accession No. NM_006135.2 .

作製した脳の切片標本において、どの部位にCapZが局在しているかを調べる方法は特に制限されず、従来公知の方法を適用できる。例えば、CapZに選択的(特異的)に結合する抗体を用いた免疫染色法が適用できる。当該抗体は市販のものを購入して用いても良いし、常法に従って抗CapZ抗体を作製して用いても良い。   In the prepared brain slice specimen, a method for examining in which region CapZ is localized is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied. For example, an immunostaining method using an antibody that selectively (specifically) binds to CapZ can be applied. A commercially available antibody may be purchased and used, or an anti-CapZ antibody may be prepared and used according to a conventional method.

CapZが神経細胞のどの部位に分布しているかを調べるために、神経細胞を構成する構造体を染色することが好ましい。例えば、抗MAP2抗体を使用して当該切片を染色すると、MAP2が存在する樹状突起の位置、形状及び輪郭を観察することができる。また、ローダミン−ファロイジン(Rhodamine-phalloidine)を使用して当該切片を染色すると、F-アクチンを含むスパインの位置、形状及び輪郭を観察することができる。したがって、当該切片の観察視野において、樹状突起およびスパインの位置や大きさ等を確認し、同じ視野におけるCapZ(融合タンパク質)に由来するシグナルを検出することによって、CapZが神経細胞のどの部位に分布しているか、又はCapZが神経細胞のどの部位に局在しているか、を調べられる。   In order to examine in which part of the nerve cell CapZ is distributed, it is preferable to stain the structure constituting the nerve cell. For example, when the section is stained using an anti-MAP2 antibody, the position, shape and contour of dendrites where MAP2 is present can be observed. Further, when the section is stained using Rhodamine-phalloidine, the position, shape and contour of the spine containing F-actin can be observed. Therefore, by confirming the position and size of dendrites and spines in the observation field of the section, and detecting a signal derived from CapZ (fusion protein) in the same field, CapZ is located in any part of the nerve cell. It can be examined whether it is distributed or where CapZ is localized in the nerve cell.

また、より好適な別の方法として、CapZを遺伝子導入したトランスジェニック動物(以下、CapZ-TG動物ということがある。)の使用が例示できる。
前記CapZ-TG動物としては、CapZとマーカータンパク質及び/又はペプチドタグとを結合させた融合タンパク質をコードする遺伝子が導入されたものが好ましい。
前記融合タンパク質は、マーカータンパク質又はペプチドタグが結合されているので、それを利用すると、検出がより容易となるので好ましい。なお、前記CapZ-TG動物は、常法によって作製できる。
As another more preferable method, the use of a transgenic animal into which CapZ is introduced (hereinafter sometimes referred to as CapZ-TG animal) can be exemplified.
The CapZ-TG animal is preferably a gene into which a gene encoding a fusion protein in which CapZ is bound to a marker protein and / or a peptide tag is introduced.
Since the marker protein or peptide tag is bound to the fusion protein, it is preferable to use the fusion protein because detection becomes easier. The CapZ-TG animal can be prepared by a conventional method.

学習工程を経た動物の脳の切片において、CapZに選択的に結合した一次抗体を検出する方法、及び前記マーカータンパク質又はペプチドタグを検出する方法は特に制限されず、公知方法が適用できる。例えば、前記一次抗体に結合する蛍光標識付きの二次抗体を使用し、蛍光顕微鏡で検出する方法や、前記マーカータンパク質が発する蛍光を顕微鏡で検出する方法が挙げられる。これらの方法で検出されるシグナルは、当該切片におけるCapZの分布を示すものである。   A method for detecting a primary antibody selectively bound to CapZ and a method for detecting the marker protein or peptide tag in a slice of an animal brain that has undergone a learning process and a method for detecting the marker protein or peptide tag are not particularly limited, and known methods can be applied. Examples thereof include a method of detecting with a fluorescence microscope using a fluorescently labeled secondary antibody that binds to the primary antibody, and a method of detecting fluorescence emitted by the marker protein with a microscope. The signal detected by these methods indicates the distribution of CapZ in the section.

前記CapZ-TG動物に導入するCapZとして、前述の外来性CapZを適用できる。当該CapZは、同種の動物からクローニングされたCapZであってもよいし、異種の動物からクローニングされたCapZであってもよい。例えば、マウスに導入するCapZは、マウス由来のCapZであってもよいし、ヒト、ラット、ウサギ等の別種のほ乳類に由来するCapZであってもよい。ここで、導入するCapZは、神経細胞において、信号の入力依存的にスパインに局在する機能及び/又はF-アクチンに結合する機能を有するものである。この機能を有する限り、導入するCapZのアミノ酸配列において1若しくは数残基のアミノ酸の欠失・置換・付加が行われていてもよい。   The aforementioned exogenous CapZ can be applied as CapZ to be introduced into the CapZ-TG animal. The CapZ may be CapZ cloned from the same species of animal or CapZ cloned from a heterogeneous animal. For example, the CapZ introduced into the mouse may be a CapZ derived from a mouse or a CapZ derived from another mammal such as a human, a rat, or a rabbit. Here, CapZ to be introduced has a function of localizing in spines and / or a function of binding to F-actin in nerve cells depending on signal input. As long as it has this function, deletion, substitution, or addition of one or several amino acid residues may be performed in the amino acid sequence of CapZ to be introduced.

前記マーカータンパク質は特に制限されず、従来公知のマーカータンパク質が適用可能であり、例えばアルカリフォスファターゼ、HRP、GFP、EGFP等が挙げられる。
前記ペプチドタグは特に制限されず、従来公知のペプチドタグが適用可能であり、例えばHAタグ、Mycタグ、Hisタグ、FLAGタグ、GSTタグ等が挙げられる。
前記マーカータンパク質に由来するシグナル、及び/又は前記ペプチドタグに特異的に結合する抗体に由来するシグナルを検出することにより、前記CapZを含む融合タンパク質の局在を調べることがより容易となるので好ましい。
The marker protein is not particularly limited, and conventionally known marker proteins can be applied, and examples thereof include alkaline phosphatase, HRP, GFP, EGFP and the like.
The peptide tag is not particularly limited, and a conventionally known peptide tag can be applied, and examples thereof include an HA tag, Myc tag, His tag, FLAG tag, and GST tag.
Detecting a signal derived from the marker protein and / or a signal derived from an antibody that specifically binds to the peptide tag is preferable because it becomes easier to examine the localization of the fusion protein containing the CapZ. .

前記CapZ-TG動物を用いる場合、学習行動を行わせたことに対する反応を増幅するために、当該CapZ-TG動物における前記融合タンパク質の発現を、前記学習行動を行わせた期間に対応する、できるだけ狭い時間的な幅で誘導させることが好ましい。
具体的には、前記融合タンパク質の発現を特定のプロモーターによって制御することが好ましい。前記プロモーターとして、神経活動入力依存的に発現誘導されるArcプロモーター、c-Fos プロモーター等が好適なものとして例示できる。また、所望のタイミングで発現を制御できる、テトラサイクリン誘導プロモーター、cre依存性プロモーター構造なども好適なものとして例示できる。
When using the CapZ-TG animal, the expression of the fusion protein in the CapZ-TG animal corresponds to the period during which the learning behavior was performed, as much as possible, in order to amplify the response to the learning behavior being performed. It is preferable to induce with a narrow temporal width.
Specifically, the expression of the fusion protein is preferably controlled by a specific promoter. Examples of suitable promoters include Arc promoters, c-Fos promoters, and the like, whose expression is induced depending on neural activity input. In addition, a tetracycline-inducible promoter, a cre-dependent promoter structure, and the like that can control expression at a desired timing can also be exemplified as suitable ones.

例示した中でも、Arcプロモーターがより好ましい。Arcプロモーターを用いることによって、例えばCapZを遺伝子導入したトランスジェニックマウス(以下、CapZ-TGマウスと呼ぶことがある。)に空間認識に関する学習行動を行わせた場合、当該CapZ-TGマウスの脳における海馬のCA1野の放線層に属する神経細胞に信号が入力され、当該入力に伴って、前記融合タンパク質を当該神経細胞において発現させることができる。すなわち、学習行動に関する記憶を蓄積すると考えられる神経細胞において、融合タンパク質の発現が当該学習行動を行わせることを引き金としてなされる。このメカニズムを利用して、当該学習行動に関する記憶の蓄積の際、新たに発現した融合タンパク質の分布を、もともと存在していた内在性のCapZと区別することができる。つまり、当該学習行動を行わせる以前に蓄積されていた記憶に関するCapZと、当該学習行動を行わせたことにより発現したEGFP-CapZ(融合タンパク質)とを区別することが可能となる。この結果、新たに発現した融合タンパク質の分布が、当該学習行動に関する記憶の蓄積におけるCapZの、学習マーカーとして果たす役割をよりよく反映していると考えられる。   Among those exemplified, the Arc promoter is more preferable. By using the Arc promoter, for example, when a transgenic mouse into which CapZ has been introduced (hereinafter sometimes referred to as a CapZ-TG mouse) is allowed to perform learning behavior related to spatial recognition, the CapZ-TG mouse in the brain A signal is input to a neuron belonging to the ray layer of the CA1 field of the hippocampus, and the fusion protein can be expressed in the neuron with the input. That is, the expression of the fusion protein is triggered by causing the learning behavior to be performed in a neuron cell that is considered to accumulate memory regarding the learning behavior. This mechanism can be used to distinguish the distribution of newly expressed fusion protein from the endogenous CapZ that originally existed when accumulating memory regarding the learning behavior. That is, it becomes possible to distinguish between CapZ related to memory accumulated before performing the learning behavior and EGFP-CapZ (fusion protein) expressed by performing the learning behavior. As a result, it is considered that the distribution of the newly expressed fusion protein better reflects the role of CapZ as a learning marker in the accumulation of memory related to the learning behavior.

[評価工程]
本発明の評価方法における評価工程は、前記CapZの局在状態の観察に基づき、前記脳の状態を評価する工程である。
評価工程において、検出工程で検出したCapZに由来するシグナルの分布を解析して、前記CapZが一部のスパインに局在している場合、前記動物が正常な学習能力を有する状態である、又は前記動物が少なくとも学習工程において正常な学習能力を有する状態であった、と評価・判断する。
また、評価工程において、検出工程で検出したCapZに由来するシグナルの分布を解析して、前記CapZが一部のスパインに局在していない場合、前記動物が正常な学習能力を有する状態ではない(異常な状態である)、又は前記動物が少なくとも学習工程において正常な学習能力を有する状態ではなかった(異常な状態であった)、と評価・判断する。
[Evaluation process]
The evaluation step in the evaluation method of the present invention is a step of evaluating the brain state based on observation of the localized state of the CapZ.
In the evaluation step, analyzing the distribution of signals derived from CapZ detected in the detection step, and when the CapZ is localized in some spines, the animal is in a state having normal learning ability, or The animal is evaluated and judged to have a normal learning ability at least in the learning process.
In addition, in the evaluation process, when the distribution of the signal derived from CapZ detected in the detection process is analyzed and the CapZ is not localized in some spines, the animal is not in a state having normal learning ability. (It is an abnormal state), or it is evaluated and judged that the animal is not in a state having a normal learning ability at least in a learning process (it was in an abnormal state).

本明細書では、前記学習行動を行うことに伴って信号が入力される脳部位に含まれるスパインのうち、CapZのシグナルが強く検出されたスパインの割合を「CapZのスパイン局在率」又は単に「局在率」と呼ぶ。局在率は、脳切片を観察した画像全体から、ファロイジン染色により定義される各スパイン内の、CapZ強度を取得して、その強度分布(ヒストグラム)が最尤値付近にまとまらず、突出して高い値を有する強度が分布に占める割合で規定できる。   In the present specification, the ratio of spines in which the CapZ signal is strongly detected among the spines contained in the brain region to which signals are input in accordance with the learning behavior is referred to as “CapZ spine localization rate” or simply This is called “localization rate”. The localization rate is obtained by capturing the CapZ intensity in each spine defined by phalloidin staining from the entire image of the brain slice, and the intensity distribution (histogram) is not close to the maximum likelihood value, but prominently high. The intensity having a value can be defined by the ratio of the distribution.

観察した神経細胞及び脳部位において、スパインは多数存在することが普通である。ここで、「CapZの一部がスパインに局在する」とは、複数のスパインの全てにおいてCapZの濃度が高まるのではなく、一部のスパインにおいてのみCapZの濃度が高まることを意味する。
最近の研究では、記憶に関する神経細胞のシナプス可塑性の変化は、一部の神経細胞にのみ起きることが示唆されている。これと符号するように、本発明者の検討によれば、正常な学習能力を有する野生型のマウスに学習行動を行わせて24時間経過した脳の海馬においては、特定の神経回路をなす神経細胞群が有する全スパインのうち、1〜5%のスパインにのみCapZのシグナルが強く検出されている。
Many spines are usually present in the observed nerve cells and brain regions. Here, “a part of CapZ is localized in the spine” means that the concentration of CapZ is not increased in all of the plurality of spines but the concentration of CapZ is increased only in some of the spines.
Recent studies suggest that changes in neuronal synaptic plasticity related to memory occur only in some neurons. According to the study by the present inventor, as described above, in the hippocampus of a brain that has passed a learning behavior in a wild-type mouse having normal learning ability and has passed for 24 hours, a nerve that forms a specific neural circuit The CapZ signal is strongly detected only in 1 to 5% of all spines of the cell group.

本発明において、当該動物が正常な学習能力を有するか否かを局在率に基づいて判定することができる。具体的には、動物に学習行動を行わせた後、所定時間経過時の脳の切片において、学習行動に関する記憶が形成されると考えられる脳部位の神経細胞群が有するスパインのうち、所定割合のスパインにのみCapZのシグナルが強く検出された場合、すなわち局在率が高い場合に、当該動物は正常な学習能力を有する、と判定できる。
前記所定時間としては、4時間〜72時間が好ましく、8時間〜48時間がより好ましく、12時間〜24時間がさらに好ましい。この範囲であると、学習行動に関する記憶が神経細胞に蓄積(形成)されたことをより確実に判定できる。
前記局在率としては、0.01〜10%が好ましく、0.1〜10%がより好ましく、0.1〜5%がさらに好ましい。この範囲であると、学習行動に関する記憶が蓄積された場合(正常な学習能力を有する場合)と蓄積されていない場合(正常な学習能力を有さない場合)とをより確実に区別して判定できる。
In the present invention, whether or not the animal has normal learning ability can be determined based on the localization rate. Specifically, after letting an animal perform a learning action, a predetermined percentage of the spines of nerve cells in a brain region that is considered to form a memory related to the learning action in a section of the brain at a predetermined time elapsed When the CapZ signal is strongly detected only in the spine, that is, when the localization rate is high, it can be determined that the animal has normal learning ability.
The predetermined time is preferably 4 hours to 72 hours, more preferably 8 hours to 48 hours, and even more preferably 12 hours to 24 hours. Within this range, it can be more reliably determined that the memory relating to learning behavior has been accumulated (formed) in the nerve cell.
The localization rate is preferably 0.01 to 10%, more preferably 0.1 to 10%, and still more preferably 0.1 to 5%. Within this range, it is possible to more reliably discriminate between the case where memory related to learning behavior is accumulated (when normal learning ability is possessed) and the case where memory is not accumulated (when normal learning ability is absent). .

本発明の評価方法において、前記動物として、疾患の状態を呈する疾患モデル動物を使用できる。前記疾患としては、ダウン症、統合失調症、認知症、公知の学習障害を呈する疾患又は公知の精神疾患が挙げられる。このような疾患モデル動物は、公知のものを適用できる。
また、前記疾患モデル動物として、前記融合タンパク質をコードする遺伝子が導入されたCapZ-TG動物を疾患モデル動物となるように加工して用いてもよい。この疾患モデル化CapZ-TG動物を用いることにより、当該動物中のCapZを検出することがより容易となるので好ましい。以下では、「疾患モデル動物」は、特に明記しない限り「疾患モデル化CapZ-TG動物」を含むものとする。
In the evaluation method of the present invention, a disease model animal exhibiting a disease state can be used as the animal. Examples of the disease include Down's syndrome, schizophrenia, dementia, a disease exhibiting a known learning disorder, or a known mental illness. A well-known thing can be applied to such a disease model animal.
Further, as the disease model animal, a CapZ-TG animal into which a gene encoding the fusion protein is introduced may be processed so as to become a disease model animal. It is preferable to use this disease-modeled CapZ-TG animal because it becomes easier to detect CapZ in the animal. Hereinafter, “disease model animal” includes “disease modeled CapZ-TG animal” unless otherwise specified.

前記疾患モデル動物の作製方法は特に制限されず、例えば、受精卵に当該疾患関連遺伝子を導入する方法、当該疾患関連遺伝子を欠損または置換したノックアウトマウスを常法により作製する方法、疾患関連遺伝子をウイルスベクターや電気穿孔法などで神経細胞に導入する方法、脳に作用し疾患様症状を呈する薬物を投与する方法、脳に部分的に損傷を与える方法、疾患様症状を誘導する強度のストレスを与える方法などが挙げられる。   The method for producing the disease model animal is not particularly limited. For example, a method for introducing the disease-related gene into a fertilized egg, a method for producing a knockout mouse lacking or replacing the disease-related gene by a conventional method, a disease-related gene A method of introducing into a nerve cell by a viral vector or electroporation, a method of administering a drug that acts on the brain and exhibits a disease-like symptom, a method of partially damaging the brain, or a stress that induces a disease-like symptom The giving method etc. are mentioned.

前記疾患関連遺伝子としては、例えばダウン症、統合失調症、認知症、公知の学習障害を呈する疾患又は公知の精神疾患に関連する遺伝子が挙げられる。
前記疾患モデル動物は、当該疾患の症状又は当該疾患に近い症状を呈する。また、前記疾患モデル化CapZ-TG動物は、当該疾患の症状又は当該疾患に近い症状を呈し、且つ前記融合タンパク質が導入された動物である。
例えばダウン症に関連する遺伝子を含む染色体が導入された疾患モデルマウスは、学習障害を呈することが知られている。
疾患モデル動物と健康な動物とを用いることによって、当該疾患に関連する学習障害若しくは精神疾患を呈する脳の状態と、正常な学習能力を有する脳の状態とを、CapZ(融合タンパク質)の分布の違いに基づいて比較検討することができる。
Examples of the disease-related gene include Down's syndrome, schizophrenia, dementia, a disease presenting a known learning disorder, or a gene associated with a known mental disease.
The disease model animal exhibits symptoms of the disease or symptoms close to the disease. In addition, the disease modeled CapZ-TG animal is an animal that exhibits symptoms of the disease or symptoms close to the disease, and into which the fusion protein has been introduced.
For example, it is known that a disease model mouse into which a chromosome containing a gene related to Down's syndrome has been introduced exhibits a learning disorder.
By using a disease model animal and a healthy animal, the state of the brain exhibiting a learning disorder or mental illness related to the disease and the state of the brain having normal learning ability are expressed in the distribution of CapZ (fusion protein). Comparisons can be made based on differences.

<医薬のスクリーニング方法>
本発明の医薬のスクリーニング方法は、学習障害若しくは精神疾患を呈する前記疾患モデル動物に対して、被検物質を投与する工程と、前記動物に学習行動を行わせる学習工程と、前記動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在を調べる検出工程と、前記CapZの局在に基づき、前記脳の状態を評価する評価工程と、を含み、前記評価工程において、前記CapZが一部のスパインに局在している場合、前記被検物質を、前記学習障害若しくは精神疾患を治療又は予防する医薬として有用であると判断する方法である。
<Medicine screening method>
The pharmaceutical screening method of the present invention comprises a step of administering a test substance to the disease model animal exhibiting a learning disorder or a mental disorder, a learning step for causing the animal to perform learning behavior, A detection step for examining the localization of CapZ in a neuron, and an evaluation step for evaluating the state of the brain based on the localization of the CapZ. In the evaluation step, the CapZ is localized in some spines. In this case, the test substance is judged to be useful as a medicament for treating or preventing the learning disorder or mental illness.

本発明の医薬のスクリーニング方法における学習工程は、予め動物に被検物質を投与することを除いて、前述の本発明の評価方法における学習工程と同様に行えばよい。
前記動物は、学習障害若しくは精神疾患を呈する前述の疾患モデル動物が好ましい。
The learning step in the pharmaceutical screening method of the present invention may be performed in the same manner as the learning step in the evaluation method of the present invention described above, except that a test substance is administered to an animal in advance.
The animal is preferably the above-mentioned disease model animal that exhibits learning disabilities or mental illness.

医薬のスクリーニング方法に用いる疾患モデル動物としては、前記学習行動を行わせても当該学習行動に関連する記憶が正常に蓄積されないこと又は学習記憶が正常に成立しないこと、が予め別の方法で示唆又は確認されているものが好ましい。さらに、前記疾患モデル動物としては、前記学習行動を行わせても、学習記憶に関連する脳部位においてCapZが正常に局在しないことが、予め確認されているものが好ましい。
また、前記疾患モデル動物としては、前記学習行動を行わせても、当該学習行動に関連する記憶が正常に蓄積されないこと又は学習記憶が正常に成立しないこと、が予め別の方法で示唆又は確認されていて、且つ同じ学習行動を行わせた場合、その学習記憶に関連する脳部位においてCapZが正常に局在しないことが、予め確認されているものがより好ましい。ただし、本方法においては、従来の学習試験での効果の判定とは違う結果となる可能性がある。例えば、恐怖条件付けのテストの際、被験物質での腹痛のため動けない動物は記憶していなくてもすくみ反応をしたと誤解されて解釈される場合や、恐怖を記憶しているにも関わらず、錯乱して動いてしまい(すくみ反応を示さず)、記憶していないと判断される場合など、従来の記憶試験では判断が誤ってしまうケースにおいても、本発明の医薬のスクリーニング方法によれば、正確に判断できる可能性があることに十分留意する。記憶など認知の障害が、体のだるさ(倦怠感)等の他の症状にマスクされがちな統合失調症や鬱病のモデルの場合には特に留意する。
As a disease model animal to be used in a pharmaceutical screening method, it is suggested in advance that the memory related to the learning behavior is not normally accumulated or the learning memory is not normally established even if the learning behavior is performed. Or what has been confirmed is preferable. Furthermore, it is preferable that the disease model animal has been confirmed in advance that CapZ is not normally localized in a brain region related to learning memory even when the learning behavior is performed.
In addition, as the disease model animal, even if the learning behavior is performed, it is suggested or confirmed in advance by another method that the memory related to the learning behavior is not normally accumulated or the learning memory is not normally established. More preferably, it is confirmed in advance that CapZ is not normally localized in the brain region related to the learning memory when the same learning behavior is performed. However, in this method, there is a possibility that the result is different from the determination of the effect in the conventional learning test. For example, during a fear conditioning test, animals that cannot move due to abdominal pain with the test substance may be misinterpreted as having a freezing reaction even if they are not remembered, or even though they remember fear According to the pharmaceutical screening method of the present invention, even if the judgment is incorrect in the conventional memory test, such as when it is judged that it is not memorized because it moves in a confusion (not showing a freezing reaction) Please note that it may be possible to judge accurately. Special attention should be paid to models of schizophrenia and depression, in which cognitive impairments such as memory tend to be masked by other symptoms such as dullness (malaise).

前記被検物質としては、疾患モデル動物に対して毒性が低いものが好ましく、さらに当該疾患を改善すると見込まれるものがより好ましい。
前記被検物質の投与量および投与方法は特に制限されず、薬理学的に許容される投与量で公知の方法で投与すればよい。
As the test substance, those having low toxicity with respect to disease model animals are preferable, and those expected to improve the disease are more preferable.
The dose and administration method of the test substance are not particularly limited, and may be administered by a known method with a pharmacologically acceptable dose.

本発明の医薬のスクリーニング方法における検出工程は、前述の本発明の評価方法における学習工程と同じ様に行えばよい。前記疾患モデル化CapZ-TG動物を用いると、CapZに結合されたマーカータンパク質又はペプチドタグを利用することにより、CapZの検出がより容易となるので好ましい。   The detection step in the pharmaceutical screening method of the present invention may be performed in the same manner as the learning step in the aforementioned evaluation method of the present invention. It is preferable to use the disease-modeled CapZ-TG animal because the detection of CapZ becomes easier by using a marker protein or peptide tag bound to CapZ.

本発明の医薬のスクリーニング方法における評価工程は、前記CapZの局在に基づき、前記被検物質が投与された疾患モデル動物の脳の状態を評価する工程である。   The evaluation step in the pharmaceutical screening method of the present invention is a step of evaluating the state of the brain of the disease model animal to which the test substance has been administered based on the localization of the CapZ.

前記評価は、前述の本発明にかかる評価方法と同様に行うことができる。CapZ-TG動物を含む健康な動物が示す、当該CapZの局在状態(一部のスパインに局在する)を正常の指標とし、被検物質を投与する前の疾患モデル動物が示す当該CapZの局在状態(一部のスパインに局在しない)を異常の指標とし、被検物質を投与した疾患モデル動物が示す当該CapZの局在状態が異常から正常へ近づいた場合、又は被検物質を投与した疾患モデル動物が示す当該CapZの前記局在率が上昇した場合、当該疾患モデル動物の異常であった学習能力が正常に回復した若しくは正常に近づいたと評価できる。
この評価に基づき、当該被検物質を、当該疾患モデル動物が呈する学習障害若しくは精神疾患を治療又は予防する医薬として有用であると判断できる。
The evaluation can be performed in the same manner as the evaluation method according to the present invention described above. The CapZ-TG animal shows the CapZ localization state (localized in some spines) as a normal indicator, and the CapZ of the disease model animal before the test substance is administered Localized state (not localized in some spines) is used as an index of abnormality, and when the localized state of the CapZ indicated by the disease model animal to which the test substance is administered approaches from normal to normal, or the test substance is When the localization rate of the CapZ indicated by the administered disease model animal increases, it can be evaluated that the learning ability of the disease model animal that has been abnormal has been restored to normal or has become close to normal.
Based on this evaluation, it can be judged that the test substance is useful as a medicine for treating or preventing learning disorders or mental disorders exhibited by the disease model animals.

医薬のスクリーニング方法の評価工程において、前段の検出工程で検出した前記CapZが一部のスパインに局在している場合、当該疾患モデル動物の異常であった学習能力が正常に回復した若しくは正常に近づいたと評価し、前記被検物質を、当該疾患モデル動物が呈する学習障害若しくは精神疾患を治療又は予防する医薬として有用であると判断する。
また、当該評価工程において、前段の検出工程で検出した前記CapZの前記局在率が上昇した場合、当該疾患モデル動物の異常であった学習能力が正常に回復した若しくは正常に近づいたと評価し、前記被検物質が有する、当該疾患モデル動物が呈する学習障害若しくは精神疾患を治療又は予防する作用効果の程度を判断することもできる。
In the evaluation step of the pharmaceutical screening method, when the CapZ detected in the previous detection step is localized in some spines, the abnormal learning ability of the disease model animal has been restored to normal or is normally The test substance is evaluated as approaching, and it is determined that the test substance is useful as a medicine for treating or preventing a learning disorder or a mental disorder exhibited by the disease model animal.
Further, in the evaluation step, when the localization rate of the CapZ detected in the detection step in the previous stage is increased, it is evaluated that the learning ability that was an abnormality of the disease model animal has been restored normally or is close to normal, It is also possible to determine the degree of the effect of the test substance that treats or prevents the learning disorder or mental disorder exhibited by the disease model animal.

<本発明と、従来の記憶に関する研究との関係>
記憶などの脳の高次機能を発揮するためには、各神経細胞は個性を持ち、役割を分担して働く必要がある。もし、役割分担をせずに大多数の神経細胞が同期して活動した場合は、てんかん発作のような痙攣を起こすはずである。しかし、記憶に関する従来の研究では、どの神経細胞のどの部分が、どのように変化して働いているのかを解析する手法はなかった。
<Relationship between the present invention and conventional memory research>
In order to exert high-order functions of the brain such as memory, each nerve cell must have individuality and work in a shared role. If the majority of neurons act in synchrony without sharing their roles, they should have convulsions such as epileptic seizures. However, in previous research on memory, there was no method for analyzing which part of which neuronal cell is changing and how it works.

脳の一部に人工的に長期増強を起こす刺激をした後に長期増強部位にCapZの濃度(免疫組織染色強度)が上昇すること、全てのスパインに均一に存在するのではなく染色強度が高いスパインが一部にあること、はすでに発明者らが下記の論文(6)で報告している。
Genes Cells. 2010 Jun;15(7):737-47. Epub 2010 Jun 10. “Activity-dependent localization in spines of the F-actin capping protein CapZ screened in a rat model of dementia.” Kitanishi T, Sakai J, Kojima S, Saitoh Y, Inokuchi K, Fukaya M, Watanabe M, Matsuki N, Yamada MK.
しかし、この論文の実験では二つの問題点があった。1.刺激が人工的であるため、学習に関連した入力と同じである保証がない。2.免疫組織染色の場合、抗体の浸透性の問題があり、とりわけシナプス後部では存在しても染色されない分子があることが知られている。そこで、本発明者は、免疫染色とは異なる方法として、CapZとEGFPを融合タンパク質として発現するトランスジェニックマウス(CapZ-TGマウス)を作製し、脳の自然な活動に伴ってCapZの局在を検出しうることを見出した。具体的には、そのCapZ-TGマウスに学習行動を行わせ(文脈依存恐怖条件づけを行い)、記憶が固定されているはずの24時間後に脳切片を作成して、文脈と恐怖の連合記憶に必要な背側海馬を観察すると、学習行動を行わせていない動物の脳に比べて特徴的なパターンが現れる。それは、背側海馬CA1野の一部のスパインに、他と比べて正常な分散範囲を超えた(目立って高い)EGFP強度をもつものがあるパターンである。また、そうしたスパインを多数持つ樹状突起があることも分かった。この、EGFP-CapZ融合タンパク質発現トランスジェニックマウスでの結果により、免疫組織染色での問題点であった、抗体の浸透性からみかけだけスパイン間の存在量に差が出た可能性は否定された。
Increased concentration of CapZ (immunohistological staining intensity) at the site of long-term enhancement after artificial stimulation of a part of the brain to cause long-term enhancement, and spines with high staining intensity rather than being uniformly present in all spines Has already been reported by the inventors in the following paper (6).
Genes Cells. 2010 Jun; 15 (7): 737-47. Epub 2010 Jun 10. “Activity-dependent localization in spines of the F-actin capping protein CapZ screened in a rat model of dementia.” Kitanishi T, Sakai J, Kojima S, Saitoh Y, Inokuchi K, Fukaya M, Watanabe M, Matsuki N, Yamada MK.
However, there were two problems in the experiment of this paper. 1. Since the stimulus is artificial, there is no guarantee that it is the same as the input related to learning. 2. In the case of immunohistochemical staining, there is a problem of antibody permeability, and it is known that there are molecules that are not stained even if present in the post-synaptic region. Therefore, the present inventor prepared a transgenic mouse (CapZ-TG mouse) expressing CapZ and EGFP as a fusion protein as a method different from immunostaining, and localized CapZ with the natural activity of the brain. It was found that it could be detected. Specifically, let the CapZ-TG mouse perform learning behavior (context-dependent fear conditioning), create a brain section 24 hours after memory should have been fixed, and associate memory of context and fear Observing the dorsal hippocampus necessary for the study reveals a characteristic pattern compared to the brains of animals that are not learning. It is a pattern in which some spines in the dorsal hippocampal CA1 field have EGFP intensity that exceeds the normal dispersion range (conspicuously high) compared to others. It was also found that there are dendrites with many such spines. The result of this transgenic mouse expressing EGFP-CapZ fusion protein denied the possibility that there was a difference in the abundance between spines due to the permeability of the antibody, which was a problem in immunohistochemical staining. .

そもそも、神経細胞間での情報の伝達は、少数の神経細胞によって担われていると考えられる。その根拠として、神経細胞の活動電位の発生について、どのような学習行動を行った場合でも最大10%の神経細胞しか活動しないと考えられる実験事実がある(Henze et al. JNP)。そのような少数の神経活動による情報処理を前提とすると、機能的な神経回路では情報入力が、川をながれる水のように、ある部分だけを伝播する状態が形成される必要がある。そして、学習に関する記憶が蓄積されるためには、神経のつながりにおいて一部が周りと異なった状態となって、新しく入力を受けやすい部分、水の流れやすくなる部分が生じる必要がある。その変化は「少数」でないと拡散してしまう。
発明者らの過去の実験から、人工的に長期増強を起こす刺激をした実験において長期増強部位(神経伝達効率が上がった部位)にCapZの濃度が上昇したことがわかっている。そこから類推すると、EGFP-CapZ強度の高いスパインには長期増強が起きてcoding(記憶情報の流れやすい部位の形成)をしている可能性が高い。また、そのスパインが集積している樹状突起があれば神経細胞はcoding neuronとして働きうる。本発明者が見出したEGFP-CapZ強度の高いスパインが出現する頻度は少数であり、特定の記憶に関連して活動する神経細胞が少数であることから考えて妥当である。
(参考文献;J Neurophysiol. 2000 Jul;84(1):390-400. “Intracellular features predicted by extracellular recordings in the hippocampus in vivo.” Henze DA, Borhegyi Z, Csicsvari J, Mamiya A, Harris KD, Buzsa’ki G.)
本発明の評価方法においては、正常な分散範囲を超えて、CapZが一部のスパインに局在する局在率が高い場合に、学習ができた脳と定義して、脳機能の評価に用いる。
In the first place, the transmission of information between neurons is thought to be carried by a small number of neurons. The basis for this is the experimental fact that only about 10% of neurons are active in any learning behavior regarding the generation of action potentials of neurons (Henze et al. JNP). Assuming information processing by such a small number of neural activities, it is necessary for a functional neural circuit to form a state in which information input propagates through only a certain part, such as water flowing through a river. In order to accumulate the memory related to learning, it is necessary that a part of the nerve connection is different from the surroundings, and a part that easily receives a new input and a part that easily flows water are generated. The change spreads if it is not a “few”.
From past experiments by the inventors, it is known that the concentration of CapZ increased in a long-term potentiating site (a site where the nerve transmission efficiency was increased) in an experiment that artificially stimulated long-term potentiation. By analogy, there is a high probability that spines with a high EGFP-CapZ strength have undergone long-term potentiation and coding (formation of a part where stored information can easily flow). In addition, if there is a dendrite in which the spine is accumulated, the nerve cell can work as a coding neuron. The frequency of appearance of spines with high EGFP-CapZ intensity found by the present inventor is small, and it is reasonable in view of the small number of neurons that are active in relation to specific memory.
(Reference: J Neurophysiol. 2000 Jul; 84 (1): 390-400. “Intracellular features predicted by extracellular recordings in the hippocampus in vivo.” Henze DA, Borhegyi Z, Csicsvari J, Mamiya A, Harris KD, Buzsa ' ki G.)
In the evaluation method of the present invention, when the localization ratio of CapZ localized to some spines is high beyond the normal dispersion range, it is defined as a brain that has been learned and used for evaluation of brain function. .

<実施例1>
[非ヒト科動物の準備]
非ヒト科動物として、トランスジェニックマウス(以下、CapZ-TGマウスと呼ぶ。)を準備して用いた。CapZ-TGマウスの作製は、以下の方法でEGFPを融合した CapZを発現させるために行った。導入遺伝子は、遺伝子組み換えにより、以下の(1)〜(8)のDNA配列又はアミノ酸配列をコードするDNA配列を順に連結して作製した(図1)。
(1)mouse Arc promoter (SmaI-NaeI断片;7.1kb)
(2)Tetracyclin-responsive transcriptional activator (Clontech社;pTet-off由来)
(3)P2A配列(TSATNFSLLKQAGDVEENPGPVAT;人工合成)
(4)EGFP (Clontech社;pEGFP-N1由来)
(5)Spacer(SGRTQISSS;人工合成)
(6)HAtag(YPYDVPDYA;人工合成)
(7)mouse CapZ beta 2 完全長272a.a.(Met-Cys)(RT-PCRにより単離;Genbank Accession No. NM_009798;Mus musculus capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (Capzb), transcript variant 2, mRNA)
(8)SV40-polyA(Clontech社;pEGFP-N1由来)
<Example 1>
[Preparation of non-human animals]
As a non-human animal, a transgenic mouse (hereinafter referred to as CapZ-TG mouse) was prepared and used. CapZ-TG mice were produced in order to express CapZ fused with EGFP by the following method. The transgene was prepared by sequentially recombining DNA sequences encoding the following DNA sequences or amino acid sequences (1) to (8) by genetic recombination (FIG. 1).
(1) mouse Arc promoter (SmaI-NaeI fragment; 7.1 kb)
(2) Tetracyclin-responsive transcriptional activator (Clontech; derived from pTet-off)
(3) P2A sequence (TSATNFSLLKQAGDVEENPGPVAT; artificial synthesis)
(4) EGFP (Clontech; derived from pEGFP-N1)
(5) Spacer (SGRTQISSS; artificial synthesis)
(6) HAtag (YPYDVPDYA; artificial synthesis)
(7) mouse CapZ beta 2 full length 272a.a. (Met-Cys) (isolated by RT-PCR; Genbank Accession No. NM_009798; Mus musculus capping protein (actin filament) muscle Z-line, beta (Capzb), transcript variant 2, mRNA)
(8) SV40-polyA (Clontech; derived from pEGFP-N1)

(1)のマウスArcプロモーターは、マウスゲノムの該当部分(Ch15、 74.50M-74.51Mの間)を含むBACクローン(B6Ng01-232C07など)をBACライブラリ(http://dna.brc.riken.jp/ja/MSMbac.htmlなど)から入手し、SmaI-NaeI消化物の7.1kb付近からクローニングできる。
(3)のP2A配列は、異なる二つのたんぱく質(この場合は(2)と(4)-(7)融合タンパク質)を一連のcDNAから等量合成するためのシグナルである(Donnelly et al. J Gen Virol 2001, 82:1013-1025.)。なお、(2)は、本CapZ-TGマウスで将来別の遺伝子発現をする場合に備えた転写因子である。
(7)CapZ はalphaとbetaの二量体でbetaには1と2のSplicing Variantがある。脳ではbeta2が主要であるため、これを用いている。
The mouse Arc promoter in (1) is a BAC clone (B6Ng01-232C07, etc.) containing the relevant part of the mouse genome (between Ch15 and 74.50M-74.51M), and the BAC library (http://dna.brc.riken.jp). /ja/MSMbac.html etc.) and can be cloned from around 7.1 kb of digested SmaI-NaeI.
The P2A sequence in (3) is a signal to synthesize equal amounts of two different proteins (in this case (2) and (4)-(7) fusion proteins) from a series of cDNAs (Donnelly et al. J Gen Virol 2001, 82: 1013-1025.). Note that (2) is a transcription factor in preparation for the future expression of another gene in this CapZ-TG mouse.
(7) CapZ is a dimer of alpha and beta, and beta has 1 and 2 splicing variants. Since beta2 is the main in the brain, this is used.

上記の作製した導入遺伝子を、制限酵素を用いてベクター部分を除きつつ直線化したのち、フェノールクロロフォルム法及びエタノール沈殿により精製した。さらに、ゲル電気泳動を行い、ベクター部分を含まないよう該当長のバンドを切り出して、キアゲン社のgel extraction kitを用いた精製を二回繰り返して高度に精製した。
精製した導入遺伝子を受精卵の核に注入し、正常に発生した胚を借り腹に移植した。産仔42匹のうち、CapZ-TGマウスとして7lineが同定された。各lineの導入コピー数は(1,3,10,10,10,10,100)であったため、実験には100コピー導入されたlineを用いた。
The transgene prepared above was linearized using a restriction enzyme while removing the vector portion, and then purified by the phenol chloroform method and ethanol precipitation. Furthermore, gel electrophoresis was performed, a band of the corresponding length was cut out so as not to contain the vector portion, and purification using a Qiagen gel extraction kit was repeated twice to highly purify.
The purified transgene was injected into the nucleus of the fertilized egg, and a normally developed embryo was borrowed and transferred to the abdomen. Among 42 pups, 7 lines were identified as CapZ-TG mice. Since the number of copies introduced for each line was (1, 3, 10, 10, 10, 10, 100), 100 lines were used for the experiment.

作製したCapZ-TGマウスでは、Arcプロモーターが有るので、最近活動した神経細胞に選択的に、EGFP-HA-CapZ融合タンパク質を発現させることができる。   Since the produced CapZ-TG mouse has an Arc promoter, EGFP-HA-CapZ fusion protein can be selectively expressed in recently activated neurons.

[学習行動を行わせる工程]
作製したCapZ-TGマウスに、以下の方法で、学習行動として文脈恐怖条件付けを行った。
小原医科産業の文脈恐怖条件付け装置(ショックジェネレーター型番:SGA-2010、実験チャンバー:型番CL-3002)及び防音箱(型番CL-4210C)を使用した。まず、防音された装置のチャンバー内にマウスを5分間置いた。この5分間のうち、1分経過時に1回、4分経過時に1回、合計2回の電気ショック(0.2mA、2秒間)を、マウスの足に与えた。電気ショックの様子をカメラを通して観察し、確認した。5分の条件付けセッションの後、マウスを通常飼育しているケージに戻した。
この学習行動後において、電気ショックを受けたマウスが、「特定のチャンバーに入れられること」と「電気ショックを受けること」とを結び付ける文脈依存性恐怖条件を学習・記憶することが一般に知られているが、該当マウスでは記憶のテストはしていない。
この工程とは別に、24時間後にテストを行うことによって、当該CapZ-TGマウスが上記文脈恐怖条件を学習・記憶できることは、従来方法により別途確認している。すなわち、この確認において、CapZ-TGマウスと野生型マウスとで、正常な学習能力が発揮されることに有意差はなかった(図14参照)。テストでは常法に従い、ショックを与えたチャンバーに5分間マウスを置き、恐怖反応であるFreezingを起こしていた時間的割合(%)を記録した。記録はチャンバー上部のカメラから0.5秒おきに撮影した画像のマウス部分(黒)に一定のずれが生じないことが2秒続いた場合にFreezingとカウントした。上記小原医科産業の装置により画像を取得しPCに転送後、ソフトウェアTimeFZ1により自動測定した。
[The process of performing learning behavior]
The prepared CapZ-TG mice were subjected to contextual fear conditioning as a learning behavior by the following method.
Ohara Medical Industry's contextual fear conditioning device (shock generator model number: SGA-2010, experimental chamber: model number CL-3002) and soundproof box (model number CL-4210C) were used. First, the mouse was placed in the chamber of the soundproofed device for 5 minutes. Of these 5 minutes, a total of 2 electric shocks (0.2 mA, 2 seconds) were applied to the mouse paw, once at 1 minute and once at 4 minutes. The state of electric shock was observed through a camera and confirmed. After a 5 minute conditioning session, the mice were returned to their normal cage.
After this learning behavior, it is generally known that mice that receive an electric shock learn and memorize context-dependent fear conditions that link "being placed in a specific chamber" and "being subjected to an electric shock" However, the mouse is not tested for memory.
Separately from this step, it has been separately confirmed by a conventional method that the CapZ-TG mouse can learn and memorize the context fear condition by performing a test after 24 hours. That is, in this confirmation, there was no significant difference between the CapZ-TG mouse and the wild type mouse that normal learning ability was exhibited (see FIG. 14). In the test, mice were placed in a shocked chamber for 5 minutes in accordance with a conventional method, and the percentage of time during which freezing, a fear reaction, occurred was recorded. The recording was counted as Freezing when the mouse part (black) of the image taken every 0.5 seconds from the camera at the top of the chamber did not cause a constant shift for 2 seconds. Images were acquired by the Ohara Medical Industry equipment and transferred to a PC, and then automatically measured with the software TimeFZ1.

[CapZ-TGマウスの脳の神経細胞におけるCapZの局在状態を調べる検出工程]
文脈恐怖条件付け後24時間経過したCapZ-TGマウスを麻酔し、開胸後30秒以内(通常10秒以内)に左心室に針を刺し、PBSを2ml、次いで2%パラホルムアルデヒドを含む0.1Mリン酸緩衝液(ともに氷冷しておいたもの)を20〜30ml(マウスの最高血圧を超えない約100mmHgで)全身灌流して固定し、脳を取出して正中で半割し、さらに1時間、4℃室で十分に振とうしながら後固定した。固定したマウスの脳をビブラトームで冠状断切片とした。以下の観察には空間学習に関わるとされる背側海馬(座標Bregma1.4mm-2.2mmの範囲)のCA1放線層、内側(lateral, 1.5mm以内)を用いた。以下ではCA1放線層の当該部位についての結果を示すが、CA1内の他の部位(網状分子層、多形層)、CA3においても同様の傾向が見られた。なお、固定処理によりタンパク質は分解・移動などの変化をしない状態になる。また蛍光タンパク質EGFPの蛍光はこの固定法では消失しない。
[Detection process to investigate the localization of CapZ in neurons in the brain of CapZ-TG mice]
CapZ-TG mice 24 hours after contextual fear conditioning are anesthetized, the needle is inserted into the left ventricle within 30 seconds (usually within 10 seconds) after thoracotomy, 2 ml of PBS, and then 0.1M phosphorus containing 2% paraformaldehyde Acid buffer (both ice-cold) 20-30ml (at approximately 100mmHg that does not exceed the mouse's systolic blood pressure) systemically perfused and fixed, remove the brain and halve the midline, and for another hour, After fixing in a 4 ° C room with sufficient shaking, it was fixed. The fixed mouse brain was coronally cut with a vibratome. For the following observations, the CA1 ray layer of the dorsal hippocampus (in the range of coordinates Bregma 1.4mm-2.2mm) and the inside (lateral, within 1.5mm) were used for spatial learning. In the following, the results for the relevant part of the CA1 radiation layer are shown, but the same tendency was observed in other parts (reticular molecular layer, polymorphic layer) in CA1 and CA3. In addition, protein will be in the state which does not change, such as decomposition | disassembly and movement, by a fixing process. The fluorescence of the fluorescent protein EGFP is not lost by this fixation method.

得られた切片に、0.1%TritonX100で15分間の膜透過処理を行い、5%山羊血清で30分間の非特異的吸着を防ぐ処置をしたのち、1%山羊血清入りPBSで希釈した抗MAP2抗体の一次抗体(1:3000、chicken IgY、 Phosphosolutions社製;型番1100)を4℃で一晩振とうしながら反応させた。反応後、PBSで3回洗浄した。次に、二次抗体としてfluorescence(Alexa647)-labeled anti-chicken IgY(1:1000、 Invitrogen社製;型番A21463)を1%山羊血清入りPBSに希釈して、切片に反応させると同時にRhodamine-phalloidin (0.7 unit / ml, Invitrogen社製;型番R415)を加えて、室温で1時間または4℃で3時間反応させることにより、ファロイジンと抗MAP2抗体による二重染色を行った。
なお、抗体液は反応前に遠心(15,000×g、5分)し、上清部分を用いることで変性して凝集した抗体などによる擬染色を起こさぬよう注意を払った。
染色した切片をレーザー共焦点顕微鏡:Olympus社FV1000(倒立顕微鏡:IX81、対物レンズ:UPLSAPO 100×O NA1.40) を用いて、最も遅いスキャンスピードで観察し、出力を660V以内に抑えた光電子増倍管で画像を取得した。画像取得時は画像化できる最大強度を超えないよう、最も明るいサンプルにあわせてレーザー強度を調節した。その結果を図2〜10に示す。
The obtained sections were treated with 0.1% TritonX100 for 15 minutes, treated with 5% goat serum to prevent nonspecific adsorption for 30 minutes, and then diluted with PBS containing 1% goat serum. Primary antibody (1: 3000, chicken IgY, manufactured by Phosphosolutions; model 1100) was reacted at 4 ° C. with shaking overnight. After the reaction, it was washed 3 times with PBS. Next, as a secondary antibody, fluorescence (Alexa647) -labeled anti-chicken IgY (1: 1000, manufactured by Invitrogen; model number A21463) was diluted in PBS containing 1% goat serum and reacted with the sections simultaneously with Rhodamine-phalloidin. (0.7 unit / ml, manufactured by Invitrogen; model R415) was added and reacted at room temperature for 1 hour or at 4 ° C. for 3 hours to perform double staining with phalloidin and anti-MAP2 antibody.
The antibody solution was centrifuged (15,000 × g, 5 minutes) before the reaction, and care was taken not to cause pseudo-staining with an antibody that was denatured and aggregated by using the supernatant.
The stained section was observed with the laser confocal microscope: Olympus FV1000 (inverted microscope: IX81, objective lens: UPLSAPO 100 × ONA1.40) at the slowest scan speed, and the photoelectron gain was suppressed to within 660V. Images were acquired with a double tube. At the time of image acquisition, the laser intensity was adjusted according to the brightest sample so that the maximum intensity that could be imaged was not exceeded. The results are shown in FIGS.

取得した画像の処理方法は次の通りである。
<画像処理法>:画像を処理する際は実質的に切り取った値がでないよう、比較する画像の中でもっとも幅の広い値にあわせて画像内ピクセル強度の最大値と最小値に基づいて強度を拡大表示した。例えば「0-255階調の8bit画像で 10-210、8-150の二枚の画像があるときは双方8-210を0-255に引き延ばす。」と、処理できる。なお、表示した図については原則的には原図を掲載し、4倍ズームで図を取得した図2〜6,11〜13については見易くするためにメディアンフィルターをかけた。
メディアンフィルターは測定器に由来するちらつきノイズを消すために一般的に用いられており、周囲の点の中間値を中央値に採用して突出した値をならす原理による。ここでは半径1ピクセルに設定したので3×3の点を用いていることになる。
The processing method of the acquired image is as follows.
<Image processing method>: Intensity based on the maximum and minimum values of the pixel intensity in the image according to the widest value in the image to be compared so that there is no substantial cut value when processing the image Was enlarged. For example, if there are two images of 10-210 and 8-150 in an 8-bit image of 0-255 gradation, both 8-210 are extended to 0-255. In addition, in principle, original drawings were published for the displayed figures, and median filters were applied to make the figures 2 to 6 and 11 to 13 obtained at 4 times zoom easy to see.
The median filter is generally used to eliminate flicker noise derived from a measuring instrument, and is based on the principle that an intermediate value of surrounding points is adopted as a median value to make a prominent value. Here, since the radius is set to 1 pixel, 3 × 3 points are used.

図2は、EGFP‐CapZのEGFP由来の緑色蛍光シグナルを示す。図2のように、学習行動を行わせた後のCapZ-TGマウスの海馬CA1野の放線層におけるEGFP‐CapZのシグナルは、一部に局在している。この図中のバーは2マイクロメーターであり、シグナルが検出された部分は、直径が約1マイクロメーター程度までで、大きさのばらつきがあることがわかる。   FIG. 2 shows the EGFP-derived green fluorescence signal of EGFP-CapZ. As shown in FIG. 2, the EGFP-CapZ signal in the radiation layer of the hippocampal CA1 area of CapZ-TG mice after learning behavior is localized in part. The bar in this figure is 2 micrometers, and it can be seen that the portion where the signal is detected is up to about 1 micrometer in diameter and has a variation in size.

図3は、図2と同じ視野においてRhodamine-phalloidinの赤色蛍光で染色されたスパインを示す。スパインは繊維状アクチンが多いため、Rhodamine-phalloidinで染色されると考えられている。脳の興奮性神経細胞の樹状突起上には、このスパイン(棘突起)と呼ばれる、頭部の直径が1マイクロメーター程度で、大きさのばらつきがある突起状の構造が密に存在することが知られる。スパインは、興奮性シグナルを受け取るシナプス後部がある部分である。神経細胞が記憶すべき情報を、あるスパインで受け取った場合、次なる想起刺激に対応すべく、そのスパインは他のスパインに比べて、より情報を伝え易くするように変化するはずである。すなわち、記憶形成に伴って、何らかの変化が起こる部分が、一部のスパインに存在しなければならない。   FIG. 3 shows spines stained with red fluorescence of Rhodamine-phalloidin in the same field of view as FIG. Spine is thought to be stained with Rhodamine-phalloidin because it contains a lot of fibrous actin. On the dendrites of excitatory neurons in the brain, there is a dense projection structure called spine (spinous process) with a head diameter of about 1 micrometer and varying in size. Is known. The spine is the part of the synapse that receives the excitatory signal. When information to be stored by a nerve cell is received by a certain spine, the spine should change to make it easier to convey information than other spines in order to respond to the next recall stimulus. That is, a part where some change occurs with the formation of memory must be present in some spines.

図4の左は図2と同じEGFP‐CapZのシグナルを示し、図4の右は図3と同じRhodamine-phalloidin染色を示す。両者は、同一視野から別の蛍光シグナルとして、同時に取得した。矢印は同じ位置にあるので、EGFP‐CapZのシグナル(左)がRhodamine-phalloidin染色されたスパイン(右)のうちの一部だけに強く局在することが明確にわかる。   The left of FIG. 4 shows the same EGFP-CapZ signal as in FIG. 2, and the right of FIG. 4 shows the same Rhodamine-phalloidin staining as in FIG. Both were acquired simultaneously as separate fluorescent signals from the same field of view. Since the arrows are at the same position, it can be clearly seen that the signal of EGFP-CapZ (left) is strongly localized only in a part of the spine stained with Rhodamine-phalloidin (right).

図5は、MAP2が存在する樹状突起が、図2のEGFP-CapZのシグナルに重ねて示されている。粒状のEGFP-CapZのシグナルが、筋状の樹状突起に沿って、樹状突起から突出する棘のように存在している。この図は、EGFP‐CapZのシグナルがスパインにあることをさらに補強している。なお、樹状突起とスパインとの間に隙間があるように見えるものもあるが、これは、スパインのネック部分にはCapZが存在しないためであると考えられる。スパインにはマッシュルーム型のものがあり、ネックとよばれる細い首状の構造を持つ。ネックは、長いものでは2マイクロメーター(図5に示したバーの長さ)を超えるものもある。   FIG. 5 shows a dendrite in which MAP2 is present superimposed on the signal of EGFP-CapZ in FIG. A granular EGFP-CapZ signal is present along the streak dendrites as spines protruding from the dendrite. This figure further reinforces that the EGFP-CapZ signal is in the spine. In addition, although there seems to be a gap between the dendrite and the spine, this is considered to be because CapZ does not exist in the neck portion of the spine. There is a mushroom type spine, which has a thin neck-like structure called a neck. Some necks are longer than 2 micrometers (the length of the bar shown in FIG. 5).

図6は、図5を解釈する際の参考とするために、図5と同じ視野において、EGFP-CapZのシグナルを除き、MAP2が存在する樹状突起のみを示している。丸く見える部分はスパインではなく、画面手前に向かう細い樹状突起の切断面と思われる。   FIG. 6 shows only dendrites in which MAP2 is present in the same visual field as FIG. 5 except for the signal of EGFP-CapZ, for reference when interpreting FIG. The part that looks round is not a spine, but seems to be a cut surface of a thin dendrite toward the front of the screen.

以上の観察から、文脈恐怖条件付けを行ったマウス脳の前記学習に関する脳部位の神経細胞では、EGFP-CapZの濃度が局所的に高い箇所があることが明らかである。その局所的に高い濃度でEGFP-CapZが主に存在する箇所は、Rhodamine-phalloidinで染色されているためスパインであると考えられる。さらに、当該脳部位に観察されるスパインの全てにおいてEGFP-CapZのシグナル強度が高くなるのではなく、一部のスパインにおいてのみEGFP-CapZのシグナル強度が高くなっている。つまり、学習行動を行わせた(文脈恐怖条件付けを行った)マウス脳では、CapZが一部のスパインに多く局在することが理解される。
前記脳部位に観察されるスパインのうち、EGFP-CapZのシグナル強度が顕著に高くなったスパインの割合(局在率)は、1〜5%であると見積もられた。
From the above observations, it is clear that there are places where the concentration of EGFP-CapZ is locally high in the nerve cells in the brain part related to the learning of the mouse brain subjected to contextual fear conditioning. The site where EGFP-CapZ mainly exists at a locally high concentration is considered to be a spine because it is stained with Rhodamine-phalloidin. Further, the signal intensity of EGFP-CapZ is not high in all the spines observed in the brain region, but the signal intensity of EGFP-CapZ is high only in some spines. In other words, it is understood that CapZ is localized in some spines in the mouse brain in which learning behavior is performed (context fear conditioning is performed).
Of the spines observed in the brain region, the proportion (localization rate) of spines in which the signal intensity of EGFP-CapZ was remarkably increased was estimated to be 1 to 5%.

図7は、図2〜5の脳と同じ条件で作製された標本である。すなわち、CapZ-TGマウスに学習行動を行わせた(文脈恐怖条件付けを行った)24時間後に固定した脳での海馬CA1野の放線層からのEGFP-CapZシグナルを示す。スケールバーは10マイクロメーターであり、広い範囲のシグナルをとっても、EGFP-CapZが存在する部分は疎であることがわかる。   FIG. 7 is a specimen prepared under the same conditions as the brains of FIGS. That is, it shows the EGFP-CapZ signal from the ray layer of hippocampal CA1 in the brain fixed 24 hours after letting CapZ-TG mice perform learning behavior (context fear conditioning). The scale bar is 10 micrometers, and it can be seen that the portion where EGFP-CapZ exists is sparse even when a wide range of signals is taken.

<比較例1>
上記CapZ-TGマウスを用いて、文脈恐怖条件付けを行わずに、実施例1と同じ方法でマウスを処理した。得られた切片を同様に観察した。その結果を図8〜9にと示す。
<Comparative Example 1>
Using the above CapZ-TG mice, mice were treated in the same manner as in Example 1 without contextual fear conditioning. The obtained sections were observed in the same manner. The results are shown in FIGS.

図8は、学習行動を行わせなかったマウス脳の海馬CA1野の放線層におけるEGFP-CapZの分布パターンを示す。図9は、図8と同じ画像の全体の強度を下げた写真である。図8の強度を低くなるよう撮影しても、実施例の図7の写真のようにはならないことを示している。つまり、実施例1の図7と比較例1の図8〜9を比較することによって、図7では、図8〜9と異なり、「CapZが“一部の”スパインに局在」していることが明らかである。ここで「CapZが“一部の”スパインに局在する」とは、スパインに検出されるCapZに由来するシグナルの強度が樹状突起の幹の部分(スパイン以外)に比べて強いことを意味するだけでなく、同時に、同じ領域(特定の脳部位、ここでは空間記憶に関わる背側海馬)でのスパイン間で、当該シグナルの強度に偏りがあることを意味し、これが学習後の特徴と考えられる。なお、EGFPのシグナル強度は例えばpH(主に固定液の)や観察深度によっても変化するので、絶対強度の比較での議論は現時点では難しい。   FIG. 8 shows the distribution pattern of EGFP-CapZ in the radiation layer of the hippocampal CA1 area of the mouse brain in which learning behavior was not performed. FIG. 9 is a photograph in which the overall intensity of the same image as FIG. 8 is lowered. FIG. 8 shows that even if the image is taken so that the intensity in FIG. 8 is lowered, the image in FIG. That is, comparing FIG. 7 of Example 1 and FIGS. 8 to 9 of Comparative Example 1, FIG. 7 differs from FIGS. 8 to 9 in that “CapZ is localized to“ part of spine ”. It is clear. Here, “CapZ is localized in“ some ”spines” means that the intensity of signals derived from CapZ detected by spines is stronger than that of dendritic trunks (other than spines). At the same time, it means that there is a bias in the intensity of the signal between spines in the same region (a specific brain region, here the dorsal hippocampus involved in spatial memory), Conceivable. In addition, since the signal intensity of EGFP varies depending on, for example, pH (mainly in the fixing solution) and the observation depth, discussion on comparison of absolute intensity is difficult at this time.

図10の左は、図7と同一視野でのファロイジン染色(スパイン染色)の写真であり、図10の右は図8と同一視野でのファロイジン染色(スパイン染色)の写真であり、両者間でスパイン密度には変化がないことがわかる。つまり、図7で検出されたCapZに由来するシグナルの偏りは、スパイン自体の消滅によるものではなく、各スパインごとのCapZの存在量が調節されたことによりCapZの濃度が異なっているためと考えられる。   The left of FIG. 10 is a photograph of phalloidin staining (spine staining) in the same visual field as FIG. 7, and the right of FIG. 10 is a photograph of phalloidin staining (spine staining) in the same visual field as FIG. It can be seen that there is no change in the spine density. In other words, the bias in the signal derived from CapZ detected in FIG. 7 is not due to the disappearance of the spine itself, but because the concentration of CapZ varies depending on the amount of CapZ for each spine. It is done.

以上の観察により、学習行動を行わせなかった(文脈恐怖条件付けを行わなかった)マウス脳の神経細胞では、EGFP-CapZは全体のスパインに同様の濃度で存在して見え、濃度が他のスパインと比べて偏って高くなった一部のスパインは見出されなかった。   Based on the above observations, EGFP-CapZ appears to be present in the entire spine at the same concentration in neurons of the mouse brain that did not perform learning behavior (no contextual fear conditioning), and other spines in other concentrations. Some spines that were slightly higher than those were not found.

学習行動を行わせた場合のEGFP-CapZのシグナルの分布が、上記のように一部のスパインを残して無くなって見える状態になる理由としては、一部のスパイン以外の領域に存在したCapZが分解されているためであると解釈できる。これを支持する知見として、CapZ分子に分解シグナルがあり、結合タンパクBAG3とHsc70が共存していないと、ユビキチン非依存にプロテアソームで分解されることが知られている。
(参考文献:Circ Res. 2010 Nov 12;107(10):1220-31. BAG3 and Hsc70 interact with actin capping protein CapZ to maintain myofibrillar integrity under mechanical stress.Hishiya A, Kitazawa T, Takayama S.)
The reason why the EGFP-CapZ signal distribution when learning behavior is performed appears to disappear without leaving some spines as described above. This can be interpreted as being decomposed. As a finding supporting this, it is known that there is a degradation signal in the CapZ molecule, and if the binding proteins BAG3 and Hsc70 do not coexist, they are degraded by the proteasome independent of ubiquitin.
(Reference: Circ Res. 2010 Nov 12; 107 (10): 1220-31. BAG3 and Hsc70 interact with actin capping protein CapZ to maintain myofibrillar integrity under mechanical stress.Hishiya A, Kitazawa T, Takayama S.)

実施例1及び比較例1の結果から、学習行動を行わせたことによってマウス脳内に蓄積した記憶と、当該学習タスクによってマウス脳内に新たに発現したEGFP-CapZが一部のスパインに局在して検出されたこと(一部のスパインに偏って強く検出されたこと)は、高い相関を示している。すなわち、学習行動に伴ってEGFP-CapZが、その学習行動に関する神経細胞の一部のスパインに選択的に局在したことは、学習行動に関する記憶が当該スパインに記銘されたことを示していると考えられる。   From the results of Example 1 and Comparative Example 1, the memory accumulated in the mouse brain as a result of the learning action and the EGFP-CapZ newly expressed in the mouse brain by the learning task were localized in some spines. The fact that it was detected (that it was detected strongly biased to some spines) indicates a high correlation. That is, the fact that EGFP-CapZ was selectively localized in a part of the spine of the nerve cell related to the learning behavior indicates that the memory related to the learning behavior was recorded in the spine. it is conceivable that.

<実施例2>
CapZ-TGマウスの代わりに野生型のマウスを用いたこと、及びEGFPの蛍光の代わりに抗CapZ beta2抗体(1:300、mouse monoclonal IgG、The Developmental Studies Hybridoma Bank製;型番3F2.3-s, betaのうちValiant2にのみ存在するC末端配列部分に対する抗体)を抗MAP2抗体と同時に反応させ、その二次抗体としてfluorescence(Alexa488)-labeled anti-chicken IgG(1: 1000、Invitrogen社製;型番A11029)を検出に用いたこと以外は、実施例1と同じ方法で行った。その結果を図11に示す。なお用いた抗CapZ beta2抗体はimmunoblotting実験で脳のタンパク質内で非常に高い特異性を示すことは確認している(非特許文献4のsupplementary figure1で単一バンド)。
<Example 2>
Wild-type mice were used instead of CapZ-TG mice, and anti-CapZ beta2 antibody (1: 300, mouse monoclonal IgG, manufactured by The Developmental Studies Hybridoma Bank; model number 3F2.3-s, instead of EGFP fluorescence) An antibody against the C-terminal sequence part that exists only in Valiant2 of beta is reacted simultaneously with the anti-MAP2 antibody, and fluorescence (Alexa488) -labeled anti-chicken IgG (1: 1000, manufactured by Invitrogen; model number A11029) as the secondary antibody ) Was used in the same manner as in Example 1 except that it was used for detection. The result is shown in FIG. It has been confirmed that the anti-CapZ beta 2 antibody used shows very high specificity in brain proteins in immunoblotting experiments (single band in supplementary figure 1 of Non-Patent Document 4).

図11において、白く示した領域が、抗CapZ抗体に由来するシグナルを示す。バーは1マイクロメーターであり、図2で見られたものとほぼ同様のサイズのシグナルが得られていることがわかる。なお、このシグナルの部位は図3〜6で示したのと同様に、一部のスパインに局在するものであることは確認している。この観察により、実施例1の図7と同じ結論が導かれた。すなわち、野生型で免疫染色を行う方法によっても、一部のスパインに強いCapZシグナルが見られることがわかった。   In FIG. 11, the white area indicates the signal derived from the anti-CapZ antibody. The bar is 1 micrometer, and it can be seen that a signal of almost the same size as that seen in FIG. 2 is obtained. In addition, it has been confirmed that this signal site is localized in a part of the spine, as shown in FIGS. This observation led to the same conclusion as in FIG. That is, it was found that a strong CapZ signal was observed in some spines even by the method of immunostaining in the wild type.

<比較例2−1>
文脈恐怖条件付けを行わずに、実施例2と同じ方法でマウスを処理した。得られた切片を同様に観察した。その結果を図12に示す。
図12において、白く示した領域が、抗CapZ抗体に由来するシグナルを示す。この観察により、学習行動を行わせなかった(文脈恐怖条件付けを行わなかった)マウス脳では、実施例1の図8と同様に比較的均一なシグナルが観察される。つまりCapZが一部のスパインに局在している現象は見出されなかった。
<Comparative Example 2-1>
Mice were treated in the same way as Example 2 without contextual fear conditioning. The obtained sections were observed in the same manner. The result is shown in FIG.
In FIG. 12, the white area indicates a signal derived from the anti-CapZ antibody. As a result of this observation, a relatively uniform signal is observed in the mouse brain in which the learning behavior is not performed (the context fear conditioning is not performed) as in FIG. In other words, the phenomenon that CapZ was localized in some spines was not found.

<比較例2−2>
ダウン症モデルマウス(ダウン症で3本になっているヒトの21番染色体に相同な、マウス16番染色体の一部を付加して遺伝的に部分的Trisomyにしている)、Ts1Cje mouseを用いて、実施例2と同様の文脈恐怖条件付けを行い、実施例2と同様に解析した。その結果を図13に示す。
使用したマウスは、作成者であるDr. C.J.Epsteinに許可を得た後、理化学研究所の山川和弘先生より分与いただいた。このマウスは、学習障害を呈することが以下の参考文献に報告されている。
(参考文献;Proc Natl Acad Sci U S A. 1998 May 26;95(11):6256-61. “Ts1Cje, a partial trisomy 16 mouse model for Down syndrome, exhibits learning and behavioral abnormalities.” Sago H, Carlson EJ, Smith DJ, Kilbridge J, Rubin EM, Mobley WC, Epstein CJ, Huang TT.)
<Comparative Example 2-2>
Down's syndrome model mouse (homologous to human 21st chromosome, which has three due to Down's syndrome, part of mouse chromosome 16 is added to make it partially partial trisomy), conducted using Ts1Cje mouse Contextual fear conditioning similar to Example 2 was performed and analyzed as in Example 2. The result is shown in FIG.
The mouse used was provided by Dr. CJEpstein, the creator, and then provided by Dr. Kazuhiro Yamakawa of RIKEN. The following references have reported that this mouse exhibits learning disabilities.
(Reference: Proc Natl Acad Sci US A. 1998 May 26; 95 (11): 6256-61. “Ts1Cje, a partial trisomy 16 mouse model for Down syndrome, exhibits learning and behavioral abnormalities.” Sago H, Carlson EJ, Smith DJ, Kilbridge J, Rubin EM, Mobley WC, Epstein CJ, Huang TT.)

図13において、白く示した領域が、抗CapZ beta2抗体に由来するシグナルを示す。
この観察により、学習行動を行わせたにも関わらず、学習障害を持つダウン症モデルマウス脳では、CapZの濃度が全体に高めに測定されたが、各スパインで検出されるシグナルに偏りは少なく、一部のスパインにだけシグナルが強く検出されることはなかった。
In FIG. 13, the white area indicates the signal derived from the anti-CapZ beta2 antibody.
In this observation, in the brain of Down syndrome model mice with learning disabilities, despite the learning behavior, the concentration of CapZ was measured to be high overall, but the signals detected by each spine were less biased, A strong signal was not detected only in some spines.

本発明の非ヒト科動物の学習能力の評価方法は、当該動物が学習能力を有するか否かの客観的な指標を提供できる。この評価方法を用いて、当該動物に投与した薬物が、学習能力に及ぼす影響を評価することができる。従って、学習障害や精神疾患の治療又は予防に有用な薬物のスクリーニングを行う際に、本発明の評価方法を利用できる。   The method for evaluating the learning ability of a non-human animal of the present invention can provide an objective index as to whether or not the animal has learning ability. This evaluation method can be used to evaluate the effect of drugs administered to the animals on learning ability. Therefore, the evaluation method of the present invention can be used when screening for drugs useful for the treatment or prevention of learning disorders and mental disorders.

Claims (7)

非ヒト科動物が正常な学習能力を有する状態であるか否かを評価する方法であって、
前記動物に学習行動を行わせる学習工程と、
前記動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在状態を調べる検出工程と、
前記CapZの局在状態の観察に基づき、前記脳の状態を評価する評価工程と、
を含むことを特徴とする非ヒト科動物の学習能力の評価方法。
A method for evaluating whether a non-human animal is in a state of having normal learning ability,
A learning step for causing the animal to perform a learning action;
A detection step of examining the localized state of CapZ in nerve cells of the animal brain;
Based on the observation of the localized state of the CapZ, an evaluation step for evaluating the state of the brain,
A method for evaluating the learning ability of a non-human animal, comprising:
前記評価工程において、
CapZが一部のスパインに局在している場合、前記動物が正常な学習能力を有する状態であると評価することを特徴とする請求項1に記載の評価方法。
In the evaluation step,
The evaluation method according to claim 1, wherein when the CapZ is localized in a part of the spine, the animal is evaluated as having a normal learning ability.
前記非ヒト科動物が、CapZとマーカータンパク質及び/又はペプチドタグとを結合させた融合タンパク質をコードする遺伝子が導入された、トランスジェニック動物であり、
前記マーカータンパク質に由来するシグナル、及び/又は前記ペプチドタグに特異的に結合する抗体に由来するシグナルを検出することにより、CapZの局在を調べることを特徴とする請求項1又は2に記載の評価方法。
The non-human animal is a transgenic animal into which a gene encoding a fusion protein in which CapZ and a marker protein and / or a peptide tag are bound is introduced,
The localization of CapZ is examined by detecting a signal derived from the marker protein and / or a signal derived from an antibody that specifically binds to the peptide tag. Evaluation method.
前記トランスジェニック動物における前記融合タンパク質の発現を、
前記学習行動に伴って入力を受ける脳部位において、前記入力により誘導させることを特徴とする請求項3に記載の評価方法。
Expression of the fusion protein in the transgenic animal,
The evaluation method according to claim 3, wherein the input is induced by the input in a brain region that receives the input in accordance with the learning behavior.
前記動物が疾患モデル動物であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の評価方法。 The evaluation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the animal is a disease model animal. CapZが、以下の(i)又は(ii)のタンパク質であることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の評価方法。
(i)配列番号1〜5の何れかで表されるアミノ酸配列を有するタンパク質。
(ii)配列番号1〜5の何れかで表されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換又は付加されたアミノ酸配列を有し、且つ神経細胞への入力依存的にスパインに局在する機能を有するタンパク質。
CapZ is protein of the following (i) or (ii), The evaluation method as described in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
(i) A protein having an amino acid sequence represented by any one of SEQ ID NOs: 1 to 5.
(ii) an amino acid sequence represented by any one of SEQ ID NOs: 1 to 5, having an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added, and spine depending on input to a neuron; A protein that has a function localized in.
学習障害若しくは精神疾患を呈する請求項5に記載の疾患モデル動物に対して、被検物質を投与する工程と、
前記動物に学習行動を行わせる学習工程と、
前記動物の脳の神経細胞におけるCapZの局在を調べる検出工程と、
前記CapZの局在に基づき、前記脳の状態を評価する評価工程と、
を含み、
前記評価工程において、
CapZが一部のスパインに局在している場合、前記被検物質を、前記学習障害若しくは精神疾患を治療又は予防する医薬として有用であると判断することを特徴とする医薬のスクリーニング方法。
Administering a test substance to the disease model animal according to claim 5, which exhibits a learning disorder or a mental disorder;
A learning step for causing the animal to perform a learning action;
A detection step for examining the localization of CapZ in neurons of the animal brain;
An evaluation step for evaluating the state of the brain based on the localization of the CapZ;
Including
In the evaluation step,
When CapZ is localized in some spines, the test substance is judged to be useful as a drug for treating or preventing the learning disorder or mental illness.
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