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Studies on the pleiotropic functions and transcriptional regulation of gbx homeobox genes in the development of the vertebrate brain.

Research Project

Project/Area Number 21K06182
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 44020:Developmental biology-related
Research InstitutionSaitama University

Principal Investigator

弥益 恭  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (60230439)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 津田 佐知子  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (80736786)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords脳発生 / 中脳後脳境界 / 峡部 / gbxホメオボックス遺伝子 / 発生遺伝学 / 転写制御機構 / 変異体作製 / 発生運命追跡 / 脳形成 / 峡部オーガナイザー / ゼブラフィッシュ / gbx遺伝子 / 転写制御
Outline of Research at the Start

脊椎動物胚での中脳と小脳の形成においてはその境界領域(峡部)が制御因子の分泌センターとして働く。本研究では、峡部の発生に重要とされるgbx遺伝子(gbx1とgbx2)の役割と発現制御について、小型魚ゼブラフィッシュを用いた発生遺伝学により総合的理解をめざす。まず、各gbxについて、ゲノム編集技術により様々な遺伝子破壊を行い、gbxの機能検討を行う。また、各gbx発現細胞を蛍光標識し、これらの細胞の動態を解析するとともに、標識細胞を精製して発現遺伝子全体像を網羅的に解析し、さらにgbx細胞群の動態と発生運命を明らかにする。また、gbx1およびgbx2の転写制御について明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

・脊椎動物の発生において、中脳後脳境界(MHB)は中脳および小脳のパターン形成を制御する重要なシグナル分泌センターである。本研究では、MHB形成に関わるgbx遺伝子の機能と発現制御機構について、ゼブラフィッシュを用いて発生遺伝学研究を進めている。
・令和5年度は、以前にCRISPR/Cas9法により作製したgbx1全遺伝子欠失変異(gbx1dFD)の胚において、峡部の形態とMHBマーカーの発現を検討した。予想通りにgbx1の発現は完全に消失していたが、ほかに明確な異常は見られておらず、現在さらに脳形成について表現型解析を進めている。
・gbx1から上流遺伝子(asb10)までの全上流領域(5.5 kb)を欠失させた変異体胚(gbx1dUS)では体節形成期後脳でのgbx1の発現が全域で消失すること、後脳での神経分化が異常となることをすでに観察している。そこで、体節形成期の後脳におけるgbx1の役割を知ることを目的として、gbx1dUS胚と野生型胚各々から全RNAを抽出し、これらを用いてgbx1dUS胚での発現変動をRNA-Seqで網羅的に検討し、多様な遺伝子について発現異常を見出した。現在これらの遺伝子発現異常について、WISHおよびqRT-PCRにより確認を進めている。
・種間の大規模ゲノム配列比較の結果、gbx1の下流2カ所に哺乳類以外の脊椎動物で保存された配列を見出し(DCS1/DCS2)、これらが原腸胚後方神経板で転写活性化能を持つことを、胚を用いたEGFPレポーター解析で確認した。これら各々の胚発生での役割を検討するため、CRISPR/Cas9法により欠失を行い、系統化を進めている。また、DCS1がgbx1下流のみならず、羊膜類gbx2の下流にも存在することを見いだしており、現在ニワトリ胚でのgbx1の発現解析に着手している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

・これまで、gbx1全遺伝子欠失変異体についての表現型解析をMHBの決定と峡部形成に関連して進めてきており、その意味では順調である。ただしこれまでMHB・峡部では明らかな発生異常が見られておらず、異なる発生時期、異なる多様なマーカー遺伝子を用いた検討が必要である。gbx1はゼブラフィッシュとマウスで体節形成期の後脳各菱脳節で発現しており、この時期でのgbx1の役割について、神経発生などに注目したさらなる表現型の検討が必要であろう。
・体節形成期での後脳形成におけるgbx1の役割を知るため、野生型胚および全上流欠失変異体胚(gbx1dUS)でトランスクリプトーム解析を実施した。今後、得られた網羅的発現解析の結果を利用することで、これまで未知だった体節形成期でのgbx1の機能について、全容の解明に貢献できると期待される。
・gbx1の上流5.5 kb領域が体節形成期における後脳での発現に必要であることは判明しており、その内部での調節エレメントの特定を予定していたが、技術的問題によりやや遅れ気味といえる。今後、上流DNAをPCRで効率的に増幅し、得られた増幅DNAを用いて必要なレポーターコンストラクト(EGFP/Luciferaseレポーター)を作製し、胚レベル、培養細胞系でのレポーター解析を行う予定であり、その準備を進めた。
・gbx1の原腸形成期後方神経板での発現はMHBの決定に関わる点で重要であり、この発現制御に下流保存配列(DCS1/DCS2)に関わることがすでに胚におけるレポーター解析で示唆されたが、これらの保存配列がgbx1の内在発現に必要かについては不明である。今年度、これらの保存配列の胚ゲノムにおける欠失には成功しており、これら欠失変異体の系統化を完成させることで、各保存配列が実際にMHB決定に関わるかの確認が期待される。

Strategy for Future Research Activity

・gbx1全遺伝子欠失変異体については、引きつづき峡部発生への影響について、異なる発生時期、異なる多様なマーカー遺伝子を用いて表現型の検討を進める。また、gbx1変異体にgbx2変異を導入することでもgbx遺伝子の役割を検討する。さらに、2つのgbx遺伝子の中でgbx1のみで体節形成期後脳で発現することに注目し、この時期でのgbx1の役割について、神経発生遺伝子(プロニューラル遺伝子、神経分化遺伝子など)の発現などの表現型解析を進める。
・体節形成期での後脳形成におけるgbx1の役割を知るため、この時期の上流欠失変異体胚(gbx1dUS)での発現変動をトランスクリプトーム(RNA-Seq)解析で既に検討しており、今後、得られた解析結果を参考に体節形成期でのgbx1の機能に関わると予想される遺伝子群を特定し、各遺伝子について、qRT-PCRやWISHで変異体胚での実際の発現を確認する。また、これらの遺伝子の後脳発生での役割について、強制発現やノックダウンなどで検証を行う。
・gbx1の上流5.5 kb領域による体節形成期後脳での発現制御に関し、その内部での調節エレメントの特定を進める。すでに上流DNAのクローニングを進めており、これらのDNAを用いて必要なレポーターコンストラクトを作製した上、胚レベル、培養細胞系でレポーター解析を行うことを計画している。
・gbx1の原腸形成期後方神経板での発現に関わることが示唆された下流保存配列(DCS1/DCS2)の役割の検討を進める。具体的には、これらの保存配列の欠失変異体の系統化を完成させ、得られた変異体胚でのgbxの発現を検討することでMHB決定に関わるかを確認し、レポーター解析により後方神経板特異的転写制御領域の特定を行う。これにより、ゼブラフィッシュ胚でのMHB決定機構の検討をさらに進める。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (24 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (17 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Elongation of the developing spinal cord is driven by Oct4‐type transcription factor‐mediated regulation of retinoic acid signaling in zebrafish embryos2024

    • Author(s)
      Yuikawa Tatsuya、Sato Takehisa、Ikeda Masaaki、Tsuruoka Momo、Yasuda Kaede、Sato Yuto、Nasu Kouhei、Yamasu Kyo
    • Journal Title

      Developmental Dynamics

      Volume: 253 Issue: 4 Pages: 404-422

    • DOI

      10.1002/dvdy.666

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Involvement of <scp><i>nr2f</i></scp> genes in brain regionalization and eye development during early zebrafish development2024

    • Author(s)
      Chowdhury Gazlima、Umeda Koto、Ohyanagi Takero、Nasu Kouhei、Yamasu Kyo
    • Journal Title

      Development, Growth &amp; Differentiation

      Volume: 66 Issue: 2 Pages: 145-160

    • DOI

      10.1111/dgd.12912

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Evolutionarily conserved roles of <i>foxg1a</i> in the developing subpallium of zebrafish embryos2024

    • Author(s)
      Umeda Koto、Tanaka Kaiho、Chowdhury Gazlima、Nasu Kouhei、Kuroyanagi Yuri、Yamasu Kyo
    • Journal Title

      Development, Growth &amp; Differentiation

      Volume: 66 Issue: 3 Pages: 219-234

    • DOI

      10.1111/dgd.12917

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Endosulfan affects embryonic development synergistically under elevated ambient temperature2023

    • Author(s)
      Zaman Tanjeena、Fahad Talukdar Mohammad、Rana Masud、Hossain Md Shahadat、Mamun Al、Haque Md Anwarul、Sarker Ashananda、Islam Md Shariful、Haque Md Minhaz-U. L.、Naz Tarannum、Manik Md Imran Nur、Ali Hazrat、Yamasu Kyo、Khan Alam
    • Journal Title

      Environmental Science and Pollution Research

      Volume: 30 Issue: 29 Pages: 73393-73404

    • DOI

      10.1007/s11356-023-27665-z

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A globin-family protein, Cytoglobin 1, is involved in the development of neural crest-derived tissues and organs in zebrafish2021

    • Author(s)
      Takahashi Kazuki、Ito Yuki、Yoshimura Mami、Nikaido Masataka、Yuikawa Tatsuya、Kawamura Akinori、Tsuda Sachiko、Kage Daichi、Yamasu Kyo
    • Journal Title

      Developmental Biology

      Volume: 472 Pages: 1-17

    • DOI

      10.1016/j.ydbio.2020.12.016

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Involvement of Oct4‐type transcription factor Pou5f3 in posterior spinal cord formation in zebrafish embryos2021

    • Author(s)
      Yuikawa Tatsuya、Ikeda Masaaki、Tsuda Sachiko、Saito Shinji、Yamasu Kyo
    • Journal Title

      Development, Growth &amp; Differentiation

      Volume: 63 Issue: 6 Pages: 306-322

    • DOI

      10.1111/dgd.12742

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Genetic studies on the regulatory roles of Nr2f genes in zebrafish development2023

    • Author(s)
      Chowdhury Gazlima, Koto Umeda, Takuma Kamimura, Tatsuya Yuikawa, Momo Tsuruoka, Takero Ohyanagi, and Kyo Yamasu
    • Organizer
      29th Japanese Medaka and Zebrafish Meeting
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Studies on the role of POUV genes and secreted signals during spinal cord elongation in vertebrate embryos2023

    • Author(s)
      Tatsuya Yuikawa, Kaede Yasuda, Momo Tsuruoka and Kyo Yamasu
    • Organizer
      29th Japanese Medaka and Zebrafish Meeting
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  • [Presentation] Genetic analysis of the roles of soxB1 in spinal cord elongation in zebrafish embryos.2023

    • Author(s)
      Ayu Ishikura, Tatsuya Yuikawa, Yuto Sato, Kaede Yasuda, Keiko Nakao, and Kyo Yamasu
    • Organizer
      29th Japanese Medaka and Zebrafish Meeting
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Hes/her gene-mediated regulation of the pattern of primary neurogenesis in developing neuroectoderm2023

    • Author(s)
      Momo Tsuruoka, Takero Oyanagi, Kaede Yasuda, Yuto Sato, and Kyo Yamasu
    • Organizer
      29th Japanese Medaka and Zebrafish Meeting
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    • Author(s)
      Takuma Kamimura, Koto Umeda, Kouhei Nasu, Masato Maekawa, Shiho Suzuki, Kyo Yamasu
    • Organizer
      29th Japanese Medaka and Zebrafish Meeting
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    • Author(s)
      Ayako Yokokawa, Ayano Tobita, Ryusei Shimizu, and Kyo Yamasu
    • Organizer
      29th Japanese Medaka and Zebrafish Meeting
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Genetics analysis of the role of dec genes in biological clock development in zebrafish2023

    • Author(s)
      Shogo Osaki, Mika Saito, Ryo Ikeda, Shogo Ono, Kyo Yamasu
    • Organizer
      29th Japanese Medaka and Zebrafish Meeting
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 神経外胚葉における一次神経発生パターンのHes/her遺伝子を介した決定機構2023

    • Author(s)
      鶴岡もも、大柳毅郎、安田楓、佐藤優人、弥益 恭
    • Organizer
      第46回 日本分子生物学会年会
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    • Author(s)
      Ayako Yokokawa, Minami Komoriya, Kyo Yamasu
    • Organizer
      第55回日本発生生物学会年会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ゼブラフィッシュ胚終脳の背腹パターニング機構についての遺伝学的解析2022

    • Author(s)
      梅田 琴,上村 拓真,那須 康平,弥益 恭
    • Organizer
      第93回日本動物学会 早稲田大会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ゼブラフィッシュ胚終脳でのemx/foxg1を介した背腹パターニングの遺伝子機構2022

    • Author(s)
      梅田 琴,上村 拓真,田中海帆,那須 康平,前川雅人,鈴木志保,弥益 恭
    • Organizer
      第45回 日本分子生物学会年会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ゼブラフィッシュgbx1の体節形成期における菱脳・脊髄での発現には上流5.5 kb領域が必要十分である2022

    • Author(s)
      横川 綾子,小森谷 南,弥益 恭
    • Organizer
      第45回 日本分子生物学会年会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 発生初期の神経外胚葉における神経発生パターンのHes/her遺伝子を介した制御機構2022

    • Author(s)
      鶴岡 もも,大柳 毅郎,安田 楓,佐藤 優人,弥益 恭
    • Organizer
      第45回 日本分子生物学会年会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Genetic analysis of the mechanism involved in dorsoventral patterning of the developing telencephalon in zebrafish embryos2021

    • Author(s)
      Koto Umeda, Takuma Kamimura, Masato Maekawa, Shiho Suzuki, Kaiho Tanaka, Kyo Yamasu
    • Organizer
      27th Japanese Medaka Zebrafish Meeting
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] ゼブラフィッシュ胚神経管後端での神経発生におけるpou5f3とレチノイン酸の役割2021

    • Author(s)
      結川 達也 , 安田 楓 , 石倉 愛悠 , 弥益 恭
    • Organizer
      第44回 日本分子生物学会年会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] ゼブラフィッシュ胚終脳の背腹領域化に関する発生遺伝学的研究2021

    • Author(s)
      上村 拓真、梅田 琴、前川 雅人、鈴木 志保、田中 海帆、弥益 恭
    • Organizer
      第44回 日本分子生物学会年会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 時計遺伝子の発現制御を行うフィードバックサブループ機構のゼブラフィッシュにおける発生・発達2021

    • Author(s)
      大崎 翔梧、池田 亮、今川 夏音、弥益 恭
    • Organizer
      第44回 日本分子生物学会年会
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      2021 Research-status Report
  • [Remarks] 埼玉大学大学院理工学研究科生命科学部門 理学部生体制御学科 発生生物学研究室

    • URL

      http://devbiol.seitai.saitama-u.ac.jp

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report 2021 Research-status Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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