卵母細胞の老化を1細胞で解析

理研BDR北島研、濱田研らとともに、卵母細胞の老化に伴う変化を1つ1つの細胞で調べました。また卵母細胞を取り囲む卵丘細胞もその空間的な対応を保ちつつ採取しました。これらの検体を我々が開発したRamDA-seq法でトランスクリプトーム解析を行いました。

その結果、卵母細胞はその生殖寿命の後期で、卵丘細胞は初期から中期で老化の影響を受けることがわかりました。卵母細胞は閉経後に染色体異常の頻度が上昇しますが、観察したトランスクリプトーム変化と関連する可能性があります。

また食事制限を老化に伴うトランスクリプトーム変化を抑える傾向があることがわかりました。老化とともに染色体上で減少するタンパク質コヒーシンを調べると、老化依存的な減少が食事制限で部分的に抑えられることがわかりました。

今後は染色体分配エラーと老化、食事制限、トランスクリプトーム変化がどのような因果関係があるのかさらなる研究が必要です。

Tappei Mishina, Namine Tabata, Tetsutaro Hayashi, Mika Yoshimura, Mana Umeda, Masashi Mori, Yayoi Ikawa, Hiroshi Hamada, Itoshi Nikaido, Tomoya S. Kitajima.
Single-oocyte transcriptome analysis reveals aging-associated effects influenced by life stage and calorie restriction.
Aging Cell. 10 July 2021.

日本語のプレスリリースはこちらです。

卵母細胞の老化を1細胞で捉える -ライフステージと食餌制限によるトランスクリプトーム変化-

遺伝子が「密」になると働きが抑えられる

藤田医科大の石原さんらとの共同研究の論文が出版されました。ヌクレオソームを超遠心し複数の疎密の段階に分離し、そこに含まれるDNAをシーケンスする手法を開発しました。このデータとRNA-seqのデータ、RNAポリメラーゼ(RNAP)の結合度との関係を調べました。その結果、ヌクレオソームが密になるとRNAPが物理的に結合しにくくなり、周辺のRNAの転写量が下がる傾向がありました。

これまでヌクレオソームの化学修飾やヌクレオソームに巻き付いたDNAの酵素消化など間接的な方法で、ヌクレオソームと遺伝子の働きの強さを調べる研究が行われてきました。今回は、ヌクレオソームの疎密を物理的に分離して遺伝子の働きとの直接的な関係を網羅的に調べることに成功しました。

Satoru Ishihara*, Yohei Sasagawa, Takeru Kameda, Mana Umeda, Hayato Yamashita, Naoe Kotomura, Masayuki Abe, Yohei Shimono, Itoshi Nikaido*.
The local state of chromatin compaction at transcription start sites controls transcription levels. Nucleic Acid Research. gkab587. 07 July 2021.
(*co-corresponding author)

日本語のプレスリリースは以下です。

遺伝子の構造が「密」になると遺伝子の働きが抑制される ―遺伝子が巻き付いた円柱構造に着目して解明された遺伝子の働く強さの調節―

エピゲノム異常と脳機能不全の機序解明

理研眞貝研らとの共同研究で、遺伝性精神神経疾患の一つであるクリーフストラ症候群の脳機能不全が生後でも治療できる可能性をマウスで示しました。原因遺伝子のヒストンメチル化酵素を補充するとマウスの活動量低下や不安を抑制できました。

我々のラボでは、ヒストンメチル化酵素を欠損させたマウス脳で1細胞核RNA-seqを担当し、炎症との関係を示しました。RamDA-seqで1細胞核RNA-seqを行った初めての例になります。脳はpre-mRNAのような長いRNAやポリAが付加されていないRNAが多く存在しますが、ランダムプライミングを用いるRamDA-seqではそのようなRNAももれなく捉えることができますので、1細胞核RNA-seqにも向いていると思われいます。

Ayumi Yamada, Takae Hirasawa, Kayako Nishimura, Chikako Shimura, Naomi Kogo, Kei Fukuda, Madoka Kato, Masaki Yokomori, Tetsutaro Hayashi, Mana Umeda, Mika Yoshimura, Yoichiro Iwakura, Itoshi Nikaido, Shigeyoshi Itohara, Yoichi Shinkai.
Derepression of inflammation-related genes link to microglia activation and neural maturation defect in a mouse model of Kleefstra Syndrome.
iScience. June 16, 2021

日本語のプレートは以下です。

エピゲノム異常に起因する脳機能不全の治療の可能性 -クリーフストラ症候群の治療法開発に前進-

毛包幹細胞の起源を解明

理研BDRの藤原研との共同研究で、毛包幹細胞の起源の定説を覆す発見をしました。

4DイメージングとRamDA-seqを駆使してデータ駆動的に幹細胞の起源と誘導過程の系譜を明らかにできました。技術的には、光変換型蛍光タンパク質KikGRを全身の細胞核で発現したマウスを使って、特定の時空間の細胞を標識し1細胞RNA-seqをしているところが面白いと思います。時空間情報がなくなるscRNA-seqの弱点に対するひとつの回答になっています。我々が開発したRamDA-seq法で解析しています。

Ritsuko Morita, Noriko Sanzen, Hiroko Sasaki, Tetsutaro Hayashi, Mana Umeda, Mika Yoshimura, Takaki Yamamoto, Tatsuo Shibata, Takaya Abe, Hiroshi Kiyonari, Yasuhide Furuta, Itoshi Nikaido, and Hironobu Fujiwara.
Tracing the origin of hair follicle stem cells.
Nature. 2021

日本語のプレスリリースは以下です

https://www.riken.jp/press/2021/20210610_1/index.html

精神疾患双子由来脳オルガノイドの1細胞解析の論文が出版されました

精神疾患の発症が一致していない一卵性双生児由来のヒトiPSC細胞から脳オルガノイドを作製して解析した論文が出版されました。理研CBSの加藤先生、澤田先生との共同研究です。世界最高精度のQuartz-Seq2を応用した初めての論文になります。

患者由来の脳オルガノイドはGABA作動性ニューロンになりやすく、そこにはWntが関係していることを明らかにしています。Wntシグナルをレスキューすると分化能の差がなくなることを確認しています。

Tomoyo Sawada*, Thomas E. Chater*, Yohei Sasagawa*, Mika Yoshimura, Noriko Fujimori-Tonou, Kaori Tanaka, Kynon J. M. Benjamin, Apuã C. M. Paquola, Jennifer A. Erwin, Yukiko Goda, Itoshi Nikaido, Tadafumi Kato. Developmental Excitation-Inhibition Imbalance Underlying Psychoses Revealed by Single-Cell Analyses of Discordant Twins-Derived Cerebral Organoids. Molecular Psychiatry. 2020 (*These authors contributed equally)

プレスリリース: 精神疾患に神経細胞のアンバランスな運命付けが関連 -iPS細胞由来脳オルガノイドの研究から-

突発的遺伝子発現動態を網羅的に決定

広島大学大学院統合生命科学研究科ゲノム編集イノベーションセンターの落合 博講師らとマウス胚性幹細胞の突発的遺伝子発現動態を網羅的に決定しました。

Hiroshi Ochiai, Tetsutaro Hayashi, Mana Umeda, Mika Yoshimura, Akihito Harada, Yukiko Shimizu, Kenta Nakano, Noriko Saitoh, Hiroshi Kimura, Zhe Liu, Takashi Yamamoto, Tadashi Okamura, Yasuyuki Ohkawa, Itoshi Nikaido. Genome-wide analysis of transcriptional bursting-induced noise in mammalian cells. Science Advances  17 Jun 2020: Vol. 6, no. 25, eaaz6699

細胞は、数万ある遺伝子の情報をRNAへと「転写」し、RNAからタンパク質が合成され、生命活動を維持しています。この一連の流れを「遺伝子発現」と呼び、遺伝子の発現量は主に転写時に制御されています。多くの発現遺伝子は、常に一定の速度で転写されている訳ではなく、速い速度で転写される状態と、ほとんど転写されない状態が確率的に切り替わっていることが知られていました。これは「突発的遺伝子発現」と呼ばれ、同一環境中にいる、同一のゲノムDNAを有する細胞間で遺伝子発現量の多様性を生む要因の一つであることが知られています。しかし、哺乳類細胞における突発的遺伝子発現がどのように調節されているかは不明でした。

本研究では、マウスES細胞における突発的遺伝子発現の動態を網羅的に解明するために、RamDA-seq (Hayashi T. et al. Nature comm. 2018)を使い1細胞レベルの遺伝子発現解析を行いました。その結果、転写伸長因子などが突発的遺伝子発現動態を制御することを明らかにしました。さらに、CRISPR/Cas9による網羅的遺伝子破壊解析によって、Akt/MAPKシグナル伝達経路が転写伸長効率を調節することによって、突発的遺伝子発現動態を調節することを明らかにしました。

これらの結果は、哺乳類細胞における突発的遺伝子発現と細胞間遺伝子発現量多様性の根底にある分子機構を明らかにし、突発的遺伝子発現に由来する細胞間遺伝子発現量多様性を制御する技術の確立が期待されます。これにより、iPS細胞等の多能性幹細胞から特定細胞種への効率的な分化誘導法の確立へと繋がる可能性があり、再生医療への応用が期待されます。

日本語のプレスリリースは以下にあります。

哺乳類細胞における突発的遺伝子発現動態を網羅的に決定!!
-iPS細胞の精密な分化誘導法確立に繋がる可能性-

免疫応答遺伝子の発現多様性を明らかに

阪大蛋白研の岡田眞里子さんらとの共同研究の論文が出版されました。

免疫B細胞が抗原暴露されると免疫関連遺伝子の遺伝子発現が急激に上昇し、我々の身体を守ります。これらの遺伝子はNF-kBという遺伝子で制御されます。今回の論文では、NF-kBによって急激に上昇する遺伝子の特徴を明らかにしました。またNF-kBは1細胞ごとに発現量に多様性があります。これにより様々な細胞環境に集団として素早く応答していると推測されます。この発現多様性が生み出される要因も明らかにしました。

急激な反応や発現多様性は、NF-kBの結合するエンハンサーの長さと事前にリクルートされているPU.1とNF-kBにより、多くのNF-kBが結合することと関連していました。これらは岡田先生が得意とする数理モデリングと我々の1細胞オミクスの技術を活用して明らかにされました。

NF-kBは悪いリンパ腫やがんの原因にも関わっています。この研究で利用されたオミクス解析や数理モデリングは、さまざまな疾患の分子機序の解明、マーカー遺伝子の同定、創薬に応用できると考えます。

我々はRamDA-seq (Hayashi T. et al. Nature Comm. 2018)による1細胞RNA-seqの実施を担当しました。また東大の鈴木穰先生らは1細胞ATAC-seqの実施を担当しました。阪大の岡田先生、粕川先生(RIKEN IMS)らは数理モデリング、オミクスデータの2次解析を担当しました。関係者のすべてのみなさま、おつかれさまでした。

日本語プレスリリース: 免疫の初期防御応答における閾値(いきち)機構の解明

Hiroki Michida, Hiroaki Imoto, Hisaaki Shinohara, Noriko Yumoto, Masahide Seki, Mana Umeda, Tetsutaro Hayashi, Itoshi Nikaido, Kasukawa Takeya, Yutaka Suzuki, Mariko Okada-Hatakeyama. The number of transcription factors at an enhancer determine switch-like gene expression. Cell Reports. VOLUME 31, ISSUE 9, 107724, JUNE 02, 2020.

都内でゲノム科学やバイオインフォマティクス研究で修士号・博士号の取得を目指しませんか?

ゲノム科学やバイオインフォマティクス研究で修士号・博士号の取得を目指しませんか? 我々の研究室では、PIが兼務している東京医科歯科大学で、学位取得が目指せます。

我々のラボへの配属を希望する場合は所属は以下になります。

  • 東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科 修士課程 医歯理工保健学専攻
  • 博士課程 生命理工医療科学専攻

詳細は以下をご覧ください。

Quartz-Seq2が世界最高性能を示しました

理化学研究所(理研)生命機能科学研究センターバイオインフォマティクス研究開発チームの笹川洋平上級研究員、田中かおりテクニカルスタッフI(研究当時)、林哲太郎技師、二階堂愛チームリーダーの研究チームは、「高出力型1細胞RNAシーケンス法」の国際的な性能比較研究に参加し、同研究室で開発された手法「Quartz-Seq2」が世界最高性能を示しました。

本手法は、今後、細胞分化や臓器・器官発生などの基礎研究から、再生医療や創薬などさまざまな研究分野の発展に貢献すると期待できます。

近年、高出力型1細胞RNAシーケンス法により、臓器に含まれる全ての細胞種と機能を同定し、これにより疾患の解明や発生の機序を理解する研究が盛んに行われています。現在、ヒトの全種類の細胞を調べる国際プロジェクト「ヒト細胞アトラス(HCA)」計画が進められおり、疾患解明や創薬研究などが進展すると期待されています。しかし、1細胞RNAシーケンス法はいくつかの手法が提案されており、その特性の違いが理解されていませんでした。

今回、1細胞RNA-seq法の中で世界的に主要な13手法の開発者・企業が参加し、その性能を比較する研究が実施されました。その結果、研究チームが開発したQuartz-Seq2が総合的な性能スコアで世界最高成績を収めました。

本研究は、科学雑誌『Nature Biotechnology』の掲載に先立ち、オンライン版(4月6日付:日本時間4月7日)に掲載されます。

Elisabetta Mereu, Atefeh Lafzi, Catia Moutinho, Christoph Ziegenhain, Davis J. McCarthy, Adrian Alvarez, Eduard Batlle, Sagar, Dominic Grün, Julia K. Lau, Stéphane C. Boutet, Chad Sanada, Aik Ooi, Robert C. Jones, Kelly Kaihara, Chris Brampton, Yasha Talaga, Yohei Sasagawa, Kaori Tanaka, Tetsutaro Hayashi, Caroline Braeuning, Cornelius Fischer, Sascha Sauer, Timo Trefzer, Christian Conrad, Xian Adiconis, Lan T. Nguyen, Aviv Regev, Joshua Z. Levin, Swati Parekh, Aleksandar Janjic, Lucas E. Wange, Johannes W. Bagnoli, Wolfgang Enard, Marta Gut, Rickard Sandberg, Itoshi Nikaido, Ivo Gut, Oliver Stegle, Holger Heyn, “Benchmarking Single-Cell RNA Sequencing Protocols for Cell Atlas Projects”Nature Biotechnology, 10.1038/s41587-020-0469-4

日本語のプレスリリースはこちら

1細胞RNA解析で世界最高成績-国際的な性能比較研究で証明-