Single-Cell Transcriptome Analysis of the Replicating Process of Pancreatic Beta Cells

• Project/Area Number: 20K21616
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 54:Internal medicine of the bio-information integration and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Inagaki Nobuya 京都大学, 医学研究科, 教授 (30241954)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 臼井 亮太 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (40850996) ; 龍岡 久登 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (70850981)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 膵β細胞 / 増殖 / シングルセルRNAシークエンシング / インスリン / 老化 / 膵β細胞増殖 / 糖尿病 / シングルセル解析 / バイオインフォマティクス / マルチオミクス

Outline of Research at the Start

糖尿病の発症機序解明、治療法確立において、膵β細胞量の減少は重要である。膵β細胞の増殖が加齢に伴って減少すること、膵β細胞内の遺伝子発現が不均質であること、などを手がかりとして、一細胞レベルでの遺伝子発現やエピゲノム制御を解析する最新の技術を用い、増殖刺激を受けた状態の膵β細胞を解析することに加え、既存のデータベースを用いたバイオインフォマティクス解析を用いることによって、膵β細胞の増殖機構の解明、加齢との関係、またその増殖を刺激しうる候補薬剤の発見などを目的とした研究である。最終的には膵β細胞量を回復させ、糖尿病発症予防や糖尿病治療に応用することを目指す。

Outline of Final Research Achievements

Heterogeneity of gene expression and rarity of replication hamper molecular analysis of β-cell mass restoration in adult pancreas. Here, we show transcriptional dynamics in β-cell replication process by single-cell RNA sequencing of murine pancreas with or without partial pancreatectomy. We observed heterogeneity of Ins1-expressing β-cells and identified the one cluster as replicating β-cells with high expression of cell proliferation markers. Both transient activation of endoplasmic reticulum stress responders like Atf6 and Hspa5 and elevated expression of tumor suppressors and DNA damage responders during the transition to replication associated fine balance of cell cycle progression and protection from DNA damage. Taken together, these results provide a high-resolution map depicting a sophisticated genetic circuit for replication of the β-cells.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

糖尿病は進行性の膵β細胞の機能不全および膵β細胞量の低下を病因としている。膵β細胞機能不全についてはこれまで多種の治療薬が開発されている一方で、膵β細胞量を標的にした治療法は確立されていない。本研究により、膵β細胞増殖にはERストレスが関与している可能性が示唆されたことで、今後、膵β細胞増殖制御の分子機構解明、さらには、増殖促進を介した膵β細胞量を標的にした治療法の開発が進むものと期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Geneva medical school(スイス)
• [Int'l Joint Research] Washington university school of medicine(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Ulster(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Copenhagen(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] CHU d'Angers(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Geneva Medical School(スイス)
• [Int'l Joint Research] CHU d'Angers(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Ulster(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Copenhagen(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] Washington University School of Medicine(米国)
• [Journal Article] Generation and Characterization of a Novel Mouse Model that Allows Spatiotemporal Quantification of Pancreatic β-Cell Proliferation. (2022)
  • Author(s): Tokumoto S, Yabe D, Tatsuoka H, Usui R, Fauzi M, Botagarova A, Goto H, Herrera PL, Ogura M, Inagaki N.
  • Journal Title: Diabetes. Volume: 69 Issue: 11 Pages: 2340-2351
  • DOI: 10.2337/db20-0290
  • NAID: 40022639825
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First-in-Human Evaluation of Positron Emission Tomography/Computed Tomography With [18F]FB(ePEG12)12-Exendin-4: A Phase 1 Clinical Study Targeting GLP-1 Receptor Expression Cells in Pancreas (2021)
  • Author(s): Fujimoto Hiroyuki, Fujita Naotaka, Hamamatsu Keita, Murakami Takaaki, et al
  • Journal Title: Frontiers in Endocrinology Volume: 12 Pages: 717101-717101
  • DOI: 10.3389/fendo.2021.717101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Medium-chain triglycerides inhibit long-chain triglyceride-induced GIP secretion through GPR120-dependent inhibition of CCK. (2021)
  • Author(s): Murata Y, Harada N, Kishino S, Iwasaki K, Ikeguchi-Ogura E, Yamane S, Kato T, Kanemaru Y, Sankoda A, Hatoko T, Kiyobayashi S, Ogawa J, Hirasawa A, Inagaki N.
  • Journal Title: iScience. Volume: 24 Issue: 9 Pages: 102963-102963
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102963
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distinctive detection of insulinoma using [18F]FB(ePEG12)12-exendin-4 PET/CT (2021)
  • Author(s): Murakami Takaaki, Fujimoto Hiroyuki, Hamamatsu Keita, Yamauchi Yuki, Kodama Yuzo, Fujita Naotaka, Fujikura Junji, Shimizu Yoichi, Nakamoto Yuji, Kimura Hiroyuki, Saji Hideo, Inagaki Nobuya
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 15014-15014
  • DOI: 10.1038/s41598-021-94595-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-invasive Beta-cell Imaging: Visualization, Quantification, and Beyond (2021)
  • Author(s): Murakami Takaaki, Fujimoto Hiroyuki, Inagaki Nobuya
  • Journal Title: Frontiers in Endocrinology Volume: 12 Pages: 714348-714348
  • DOI: 10.3389/fendo.2021.714348
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of genetically modified mice for phosphoglycerate mutase, a vitally-essential enzyme in glycolysis (2021)
  • Author(s): Mikawa T, Shibata E, Shimada M, Ito K, Ito T, Kanda H, Takubo K, Shimada A, Lleonart ME, Inagaki N, Yokode M, Kondoh H
  • Journal Title: PLoS One Volume: 16 Issue: 4 Pages: e0250856-e0250856
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0250856
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Carbonic anhydrase 8 (CAR8) negatively regulates GLP-1 secretion from enteroendocrine cells in response to long-chain fatty acids (2021)
  • Author(s): Fujiwara Yuta、Yamane Shunsuke、Harada Norio、Ikeguchi-Ogura Eri、Usui Ryota、Nakamura Toshihiro、Iwasaki Kanako、Suzuki Kazuyo、Yabe Daisuke、Hayashi Yoshitaka、Inagaki Nobuya
  • Journal Title: American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology Volume: 320 Issue: 4 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1152/ajpgi.00312.2020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene expression of nutrient-sensing molecules in I cells of CCK reporter male mice (2021)
  • Author(s): Kato T, Harada N, Ikeguchi-Ogura E, Sankoda A, Hatoko T, Lu X, Yasuda T, Yamane S, Inagaki N.
  • Journal Title: J Mol Endocrinol. Volume: 66 Issue: 1 Pages: 11-22
  • DOI: 10.1530/jme-20-0134
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcriptome Analysis Dissects the Replicating Process of Pancreatic Beta Cells in Partial Pancreatectomy Model (2020)
  • Author(s): Tatsuoka H, Sakamoto S, Yabe D, Kabai R, Kato U, Okumura T, Botagarova A, Tokumoto S, Usui R, Ogura M, Nagashima K, Mukai E, Fujtani Y, Watanabe A, Inagaki N
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Issue: 12 Pages: 101774-101774
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101774
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Absence of GIP secretion alleviates age-related obesity and insulin resistance. J Endocrinol. 2020, doi: 10.1530/JOE-19-0477. (2020)
  • Author(s): Kanemaru Y, Harada N, Shimazu-Kuwahara S, Yamane S, Ikeguchi E, Murata Y, Kyo S, Hatoko T, Inagaki N.
  • Journal Title: J Endocrinol. Volume: 00 Issue: 1 Pages: 00-00
  • DOI: 10.1530/joe-19-0477
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphoglycerate Mutase Cooperates with Chk1 Kinase to Regulate Glycolysis (2020)
  • Author(s): Mikawa Takumi、Shibata Eri、Shimada Midori、Ito Ken、Ito Tomiko、Kanda Hiroaki、Takubo Keiyo、Lleonart Matilde E.、Inagaki Nobuya、Yokode Masayuki、Kondoh Hiroshi
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Issue: 7 Pages: 101306-101306
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101306
  • NAID: 120006870881
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enteroendocrine K-cells exert complementary effects to control bone quality and mass in mice. (2020)
  • Author(s): Gobron B, Bouvard B, Vyavahare S, Blom LVV, Pedersen KK, Windeløv JA, Boer GA, Harada N, Zhang S, Shimazu-Kuwahara S, Wice B, Inagaki N, Legrand E, Flatt PR, Chappard D, Hartmann B, Holst JJ, Rosenkilde MM, Irwin N, Mabilleau G.
  • Journal Title: J Bone Miner Res. Volume: 00 Issue: 7 Pages: 00-00
  • DOI: 10.1002/jbmr.4004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rb and p53 Execute Distinct Roles in the Development of Pancreatic Neuroendocrine Tumors (2020)
  • Author(s): Yamauchi Yuki、Kodama Yuzo、Uza Norimitsu、Masuda Atsuhiro、Tatsuoka Hisato、Masui Toshihiko、Inagaki Nobuya、Uemoto Shinji、Chiba Tsutomu、Seno Hiroshi
  • Journal Title: Cancer Research Volume: 80 Issue: 17 Pages: 3620-3630
  • DOI: 10.1158/0008-5472.can-19-2232
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Association of glucagon‐like peptide‐1 receptor‐targeted imaging probe with in?vivo glucagon‐like peptide‐1 receptor agonist glucose‐lowering effects (2020)
  • Author(s): Murakami T, Fujimoto H, Fujita N, Hamamatsu K, Yabe D, Inagaki N
  • Journal Title: Journal of Diabetes Investigation Volume: . Issue: 6 Pages: 1448-1456
  • DOI: 10.1111/jdi.13281
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Is C-type natriuretic peptide regulated by a feedback loop? A study on systemic and local autoregulatory effect (2020)
  • Author(s): Ueda Yohei、Hirota Keisho、Yamauchi Ichiro、Hakata Takuro、Yamashita Takafumi、Fujii Toshihito、Yasoda Akihiro、Inagaki Nobuya
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 10 Pages: 0240023-0240023
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0240023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A novel analysis of intestinal morphology and incretin-producing cells using tissue optical clearing and 3-D imaging. (2021)
  • Author(s): HatokoT, Harada N, Inagaki N.
  • Organizer: Asia Islet Biology and Incretin Symposium (AIBIS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CCKレポーターマウスのI細胞における栄養素感知関連分子の遺伝子解析. (2021)
  • Author(s): 加藤 朋子, 原田 範雄, 池口 絵理, 三小田 亜希子, 波床 朋信, 盧 雪セイ, 安田 拓真, 山根 俊介, 稲垣 暢也.
  • Organizer: 第94回日本内分泌学会学術総会
• [Presentation] テトラヒドロビオプテリンの妊娠期の補充療法による、胎仔期の褐色脂肪組織の分化や成長後のエネルギー代謝に与える影響についての検討 (2021)
  • Author(s): 南野 寛人、藤田 義人、小栗 靖生、大橋 晶子、後藤 剛、川原崎 聡子、古谷 太志、磯村 望、武居 晃平、李 瀛、河田 照雄、長谷川 宏幸、稲垣 暢也
  • Organizer: 第94回日本内分泌学会学術総会
• [Presentation] 多発性膵内分泌腫瘍モデルマウスを用いた新規18F標識GLP-1受容体標的イメージング法：質的診断を伴う非侵襲的局所診断法の開発にむけて (2021)
  • Author(s): 村上隆亮, 藤本裕之, 浜松圭太, 山内雄揮, 児玉裕三, 中本裕士, 藤田直尚, 木村寛之, 佐治英郎, 稲垣暢也
  • Organizer: 第94回日本内分泌学会学術総会
• [Presentation] 中鎖脂肪酸トリグリセリドはGPR120を介して長鎖脂肪酸トリグリセリド摂取時のGIP分泌を抑制する. (2021)
  • Author(s): 原田 範雄, 村田 由貴, 岸野 重信, 山根 俊介, 加藤 朋子, 池口 絵里, 岩崎 可南子, 金丸 良徳, 三小田 亜希子, 小川 順, 平澤 明, 稲垣 暢也
  • Organizer: 第64回日本糖尿病学会年次学術集会
• [Presentation] コレシストキニンの作用阻害は食欲増加を介して肥満とインスリン抵抗性を誘導する (2021)
  • Author(s): 許林 櫻華, 原田 範雄, 村田 由貴, 波床 朋信, 池口 絵理, 加藤 朋子, 盧 雪せい, 安田 拓真, 山本 果奈, 山根 俊介, 稲垣 暢也.
  • Organizer: 第64回日本糖尿病学会年次学術集会
• [Presentation] CCKレポーターマウスを用いたI細胞における栄養素感知に関わる分子の遺伝子解析 (2021)
  • Author(s): 加藤 朋子, 原田 範雄, 池口 絵理, 三小田 亜希子, 波床 朋信, 盧 雪せい, 安田 拓真, 山根 俊介, 稲垣 暢也.
  • Organizer: 第64回日本糖尿病学会年次学術集会
• [Presentation] 組織透明化による3次元腸管を用いた腸管上皮細胞およびインクレチン分泌細胞の解析. (2021)
  • Author(s): 波床 朋信, 原田 範雄, 徳本 信介, 山根 俊介, 池口 絵理, 安田 拓真, 加藤 朋子, 龍岡 久登, 桑原 智子, 矢部 大介, 林 良敬, 稲垣 暢也.
  • Organizer: 第64回日本糖尿病学会年次学術集会
• [Presentation] Maternal Supplementation of Tetrahydrobiopterin Regulates Differentiation of Fetal Brown Adipose Tissue and Contributes to Offspring Metabolic Health (2020)
  • Author(s): Minamino H, Fujita Y, Goto H, Ohashi A, Furuya F, Isomura N, Takesue K, Li Y, Kawarasaki S, Kawada T, Hasegawa H, Inagaki N.
  • Organizer: American Diabetes Association (ADA) 80th Scientific Sessions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exome Sequencing in a Family with Multiple Cases of Early-Onset Diabetes Reveals a Candidate Causative Mutation in the PTF1A Gene. (2020)
  • Author(s): Daisuke Tanaka, Saki Okamoto, Yanyan Liu, Katsumi Iizuka, Yoshiyuki Hamamoto, Yukio Horikawa, Daisuke Yabe and Nobuya Inagaki
  • Organizer: American Diabetes Association (ADA) 80th Scientific Sessions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole-exome sequencing in a family with multiple cases of early-onset diabetes reveals a candidate causative mutation in the PTF1A gene. (2020)
  • Author(s): Daisuke Tanaka, Saki Okamoto, Yanyan Liu, Katsumi Iizuka, Yoshiyuki Hamamoto, Yukio Horikawa, Daisuke Yabe and Nobuya Inagaki
  • Organizer: The 56th European Association for the Study of Diabetes (EASD) Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テトラヒドロビオプテリンは胎児期の褐色脂肪組織の分化を制御し、出生後の糖及びエネルギー代謝に関与する. (2020)
  • Author(s): 南野 寛人、藤田 義人、小栗 靖生、大橋 晶子、後藤 剛、川原崎聡子、古谷 太志、磯村 望、武居 晃平、李 瀛、河田 照雄、長谷川宏幸、稲垣 暢也
  • Organizer: 第23回日本病態栄養学会年次学術集会
• [Presentation] テトラヒドロビオプテリンは胎児期より褐色脂肪組織の分化を制御し、出生後の糖・エネルギー代謝に関与する. (2020)
  • Author(s): 南野 寛人、藤田 義人、小栗 靖生、大橋 晶子、後藤 剛、川原崎聡子、古谷 太志、磯村 望、武居 晃平、李 瀛、河田 照雄、長谷川宏幸、稲垣 暢也
  • Organizer: 第34回日本糖尿病・肥満動物学会年次学術集会
• [Presentation] 若年発症非肥満糖尿病患者における、網羅的次世代シーケンスを用いた発症原因遺伝子変異の検討 (2020)
  • Author(s): 田中 大祐, 稲垣 暢也
  • Organizer: 第63回日本糖尿病学会年次学術集会
• [Presentation] テトラヒドロビオプテリンは胎児期より褐色脂肪組織の分化に関与し，出生後の糖・エネルギー代謝に持続的な影響を与える (2020)
  • Author(s): 南野 寛人、藤田 義人、小栗 靖生、大橋 晶子、後藤 剛、川原崎 聡子、古谷 太志、磯村 望、武居 晃平、李 瀛、河田 照雄、長谷川 宏幸、稲垣 暢也.
  • Organizer: 第63回 日本糖尿病学会年次学術集会
• [Presentation] テトラヒドロビオプテリンは胎仔期の褐色脂肪組織の分化を制御し、出生後の糖及びエネルギー代謝に関与する (2020)
  • Author(s): 南野 寛人、藤田 義人、小栗 靖生、大橋 晶子、後藤 剛、川原崎 聡子、古谷 太志、磯村 望、武居 晃平、李 瀛、長谷川 宏幸、河田 照雄、稲垣 暢也.
  • Organizer: 第59回 日本栄養・食糧学会近畿支部大会
• [Presentation] 化合物スクリーニングを用いた甲状腺ホルモン脱ヨード酵素の新規調節因子の探索 (2020)
  • Author(s): 山内 一郎、坂根 依利子、伯田 琢郎、山下 貴史、植田 洋平、藤井 寿人、八十田 明宏、稲田 暢也
  • Organizer: 第93回日本内分泌学会学術総会
• [Presentation] TSH受容体とIGF1受容体のcAMP産生における相互作用 機能獲得型変異を用いた検討 (2020)
  • Author(s): 山内 一郎、伯田 琢郎、山下 貴史、植田 洋平、藤井 寿人、八十田 明宏、稲垣 暢也
  • Organizer: 第93回日本内分泌学会学術総会
• [Presentation] 甲状腺ホルモン不応症におけるベザフィブラートによる甲状腺機能低下症 マウスモデルの作成と解析 (2020)
  • Author(s): 山内 一郎、山下 貴史、伯田 琢郎、植田 洋平、藤井 寿人、稲垣 暢也
  • Organizer: 第93回日本内分泌学会学術総会
• [Presentation] グルココルチコイド誘発性成長障害モデルマウスに対するC型ナトリウム利尿ペプチドの骨伸長障害改善効果の検討 (2020)
  • Author(s): 植田洋平、八十田明宏、伯田琢郎、山内一郎、藤井寿人、稲垣暢也
  • Organizer: 第38回日本骨代謝学会学術集会
• [Presentation] TSH過剰発現マウスの作成と甲状腺機能に関する検討 (2020)
  • Author(s): 山内 一郎、伯田 琢郎、植田 洋平、藤井 寿人、稲垣 暢也
  • Organizer: 第63回日本甲状腺学会学術集会