神経幹細胞における非同期的遺伝子発現振動の役割とその制御機構の解明

• Project/Area Number: 22K15210
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 塚本 聡美 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 特別研究員 (10929847)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 神経幹細胞 / 遺伝子振動発現 / 神経・脳発生 / 遺伝子レポーター解析 / 細胞間コミュニケーション / 振動発現 / 非同期性

Outline of Research at the Start

本研究では、「神経幹細胞間におけるHes1振動の非同期性」に着目し、細胞間の振動のばらつきをもたらす遺伝子群の抽出を目指す。具体的には、Hes1蛍光レポーターを導入したマウスES細胞を用いて、Hes1の振動発現を観察できる、in vitro神経幹細胞分化系・神経管オルガノイドを構築する。作成したin vitro観察系に対し、光遺伝学的ツールを用いて、Hes1の人工的な同期的振動をもたらし、神経発生にどのようなシグナル伝達系に影響を与えるかをRNA-seqを用いて調べる。一連の解析から、「神経幹細胞における遺伝子発現振動のばらつきが脳発生にもたらす影響」を明らかする。

Outline of Annual Research Achievements

転写因子Hes1は、神経幹細胞において、2-3時間周期で振動的に発現し、この振動的発現は、細胞間で非同期的であることが知られる。Hes1の発現の細胞間の非同期性は現象として興味深い一方で、その細胞ごとに固有な振動は、長年、下流遺伝子の探索を困難としてきた。
本研究では、神経幹細胞におけるHes1の振動発現の下流遺伝子を同定するため、光遺伝学的ツール（hGAVPO-Hes1）を用いてHes1遺伝子の同期的な振動発現を誘導し、RNA-seq解析を実施した。その結果、Hes1依存的に発現が変化する候補遺伝子群が抽出された。今年度は、それらの下流候補遺伝子のいくつかについて、レポーター神経幹細胞株を作製した。また、作製したレポーター細胞株について、生細胞イメージングを行うための顕微鏡環境・撮影条件を設定した。さらに、取得したイメージング画像に対し、予備的な定量化解析を実施した。加えて、Hes1遺伝子の直接的な下流遺伝子を同定するため、CHIP-seq解析を行い、約1900個の遺伝子が同定された。これにより、RNA-seqで同定された遺伝子のうち、直接的な下流遺伝子が明らかにされた。これらの解析により、Hes1の下流に存在する細胞内のシグナル伝達系について、いくつかの仮説がもたらされた。
今後は、作製したレポーター細胞株について、複数の撮像条件にて定量化解析を行い、Hes1と新規遺伝子との関係を明らかにする。また、Hes1と下流遺伝子の発現動態が細胞内プロセスにもたらす役割を明らかにする。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は、 Hes1の下流遺伝子候補のうち、いくつかの遺伝子について、ゲノム編集（CRISPR-Cas9法）により、多色レポーター神経幹細胞を作製した。また、作製したレポーター神経幹細胞株について、多色イメージングが可能であることを確認した。さらに、取得したイメージング画像について、予備的な定量化解析を実施した。加えて、Hes1遺伝子の直接的な下流遺伝子を同定するため、CHIP-seq解析を行い、約1900個の遺伝子を同定した。これらの結果から、本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、作製したレポーター神経幹細胞株について、複数の条件にて、定量化解析を行い、Hes1と新規振動遺伝子との関係を明らかにする。また、Hes1の振動と下流遺伝子の発現動態が細胞内プロセスにもたらす役割を明らかにする。