Intra-single cell analysis clarifies the mechanism of bone remodeling and improves prognosis of hip fractures

• Project/Area Number: 22KK0272
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 56020:Orthopedics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡田 寛之 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 助教 (10883481)
• Project Period (FY): 2022 – 2024
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
• Keywords: 破骨細胞 / 1細胞内解析 / 次世代シーケンサー / 骨代謝 / 骨免疫

Outline of Research at the Start

我々が開発したiSC-seq(intra-single cell sequencing)により同一細胞「内」にまで存在する遺伝子発現不均一性エピジェネティクス制御機構を解明する。
骨リモデリングに関わる多細胞系を理解し、新たな骨折修復促進因子を同定する。
1細胞内解析技術をコア技術として、国際的共同研究を加速する。骨形成側の主に骨細胞の知見と、骨吸収側の破骨細胞の知見をマッチさせることによって、骨リモデリングに関わる多細胞系の全容解明につなげる。

Outline of Annual Research Achievements

Harvard School of Dental Medicine, Department of Oral Medicine, Infection, and Immunityにて、Roland Baron教授, Gori Franscesca准教授にホストをお願いし、visiting assistant professor, Harvard Universityとして2023年度受け入れて頂きました。
米国ボストンで進行中のskeletal biologistチームの一員として、バイオインフォマティシャンとして複数の研究プロジェクトに携わらせて頂きました。また、日本で私たちのチームが開発したiSCseqの国際的認知度を高めるために、骨の分野だけでなく、ゲノミクスの分野の先生方と研究会で交流する機会を得ることができました。
日本から国際学会に時折参加している程度では、残念ながら研究結果をアピールできる可能性は極めて低いと実感しました。研究の街ボストンを拠点に、腰を落ち着けてディスカッションを繰り返すことで、研究を洗練させることができました。継続的な国際交流が必要であり、特にコロナ期を挟んでいったん閉ざされてしまったパイプラインを再興する必然性を実感しました。
また、最新のゲノミクス研究事情や米国での研究室運営、グラント取得の困難さも知ることができました。今後、日本で大型研究プロジェクトを進めていくために、必須となる研究の胆力を鍛えることができました。
下記の通り、英文原著論文2報（うち1報はin revision）、国際学会口演を含む発表実績など、研究計画を上回る成果が得られたと考えています。2024年度も継続して、ハーバード大学歯学部との共同研究を進めて参ります。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ハーバード大学との共同研究は今後も継続します。長期滞在により協力関係を構築することができました。下記の筆頭論文、国際学会発表実績に繋がりました。特にcold spring harbour laboratory meeting, Gordon会議での口演するまたとない機会を得ることができ、日本で開発したシーケンス技術に注目を集めることができました。
<筆頭論文> 1. Okada H,, Baron R, Chung U, Tanaka S, Hojo　H. Advancing single cell technology: iSCseq drives living subcellular transcriptomic profiling in osteoimmune diversity. bioRxiv 2022.09.05.506360 [2024.3, 4e.改訂]; 2. Okada, H., Chung, Ui. & Hojo, H. Practical Compass of Single-Cell RNA-Seq Analysis. Curr Osteoporos Rep (2023).
<国際学会, 口演> ASBMR annual meeting 2023, Short Talk; Cold Spring Harbour Laboratory Meeting "Single Cell Analyses" 2023. Talk; Gordon Research Conference "Bones and Teeth" 2024. Talk; AGBT 2024, Orlando, US. Short Talk.
<国際学会, ポスター発表> Cell Bio 2023; Discover BMB by ASBMB 2024.

Strategy for Future Research Activity

筆頭論文1. iSCseq論文について、top level journalへの投稿を継続します。査読を受け、年度内にpublicationとできることを最大の目標とします。revisionで要求された追加実験を行います。
また、共同研究によって硬い骨の細胞多様性に迫る知見が得られており、1細胞解析の結果を最新解析技術とともに、さらに追加で論文投稿することを2024.4.1現在進めています。年度内で学会発表、論文投稿を進めて行きます。
論文1と合わせて、日本骨代謝学会、日本分子生物学会でシンポジウム講演を行うとともに、ASBMRでの国際学会発表を2024年度も行います。国内外でアカデミア、産業界への研究成果の波及が期待されます。

Research Products

• [Journal Article] Practical Compass of Single-Cell RNA-Seq Analysis (2023)
  • Author(s): Okada Hiroyuki、Chung Ung-il、Hojo Hironori
  • Journal Title: Current Osteoporosis Reports Volume: - Issue: 5 Pages: 433-440
  • DOI: 10.1007/s11914-023-00840-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] intra-single cell sequencing (iSCseq) spotlights transcriptomic and epigenetic heterogeneity inside multinucleated osteoclast (2022)
  • Author(s): Okada Hiroyuki、Terui Yuta、Omata Yasunori、Seki Masahide、Tani Shoichiro、Miyahara Junya、Makabe Kenta、Terashima Asuka、Kanazawa Sanshiro、Hosonuma Masahiro、Yano Fumiko、Kajiya Hiroshi、Saito Taku、Suzuki Yutaka、Okabe Koji、Baron Roland、Tanaka Sakae、Chung Ung-il、Hojo Hironori
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 0 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1101/2022.09.05.506360
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Offset nail fixation for intertrochanteric fractures improves reduction and lag screw position (2022)
  • Author(s): Matsubara Takehiro、Soma Kazuhito、Yamada Ikufumi、Fujita Hiroshi、Yoshitani Junya、Oka Hiroyuki、Okada Hiroyuki、Tanaka Sakae
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 11 Pages: 0276903-0276903
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0276903
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Runx2 and Runx3 differentially regulate articular chondrocytes during surgically induced osteoarthritis development (2022)
  • Author(s): Nagata K, Hojo H, Chang SH, Okada H, Chijimatsu R, Omata Y, Mori D, Makii Y, Kawata M, Kaneko T, Iwanaga Y, Nakamoto H, Maenohara Y, Tachibana N, Ishikura H, Higuchi J, Taniguchi Y, Ohba S, Chung Ul, Tanaka S, Saito T
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 6187-6204
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33744-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Runx2 regulates chromatin accessibility to direct the osteoblast program at neonatal stages (2022)
  • Author(s): Hojo Hironori, Saito Taku, He Xinjun, Guo Qiuyu, Onodera Shoko, Azuma Toshifumi, Koebis Michinori, Nakao Kazuki, Aiba Atsu, Seki Masahide, Suzuki Yutaka, Okada Hiroyuki, Tanaka Sakae, Chung Ung-il, McMahon Andrew P., Ohba Shinsuke
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40 Issue: 10 Pages: 111315-111315
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111315
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] RSPO2 defines a distinct undifferentiated progenitor in the tendon/ligament and suppresses ectopic ossification (2022)
  • Author(s): Tachibana N、Chijimatsu R、Okada H、Oichi T、Taniguchi Y、Maenohara Y、Miyahara J、Ishikura H、Iwanaga Y、Arino Y、Nagata K、Nakamoto H、Kato S、Doi T、Matsubayashi Y、Oshima Y、Terashima A、Omata Y、Yano F、Maeda S、Ikegawa S、Seki M、Suzuki Y、Tanaka S、Saito T
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 33 Pages: 2138-2154
  • DOI: 10.1126/sciadv.abn2138
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hematopoietic-Mesenchymal Signals Regulate the Properties of Mesenchymal Stem Cells (2022)
  • Author(s): Kanazawa Sanshiro、Okada Hiroyuki、Riu Dan、Mabuchi Yo、Akazawa Chihiro、Iwata Junichi、Hoshi Kazuto、Hikita Atsuhiko
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 23 Issue: 15 Pages: 8238-8238
  • DOI: 10.3390/ijms23158238
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-cell RNA sequencing unravels heterogeneity of skeletal progenitors and cell-cell interactions underlying the bone repair process (2022)
  • Author(s): Nakayama Mika、Okada Hiroyuki、Seki Masahide、Suzuki Yutaka、Chung Ung-il、Ohba Shinsuke、Hojo Hironori
  • Journal Title: Regenerative Therapy Volume: 21 Pages: 9-18
  • DOI: 10.1016/j.reth.2022.05.001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interspecies Single‐Cell RNA‐Seq Analysis Reveals the Novel Trajectory of Osteoclast Differentiation and Therapeutic Targets (2022)
  • Author(s): Omata Yasunori、Okada Hiroyuki、Uebe Steffen、Izawa Naohiro、Ekici Arif B.、Sarter Kerstin、Saito Taku、Schett Georg、Tanaka Sakae、Zaiss Mario M.
  • Journal Title: JBMR Plus Volume: 6 Issue: 7 Pages: 10631-10645
  • DOI: 10.1002/jbm4.10631
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Inclusive Living Subcellular Sequencing by iSCseq Rendering Physical, Physiological and Pathological Features in Osteoclast Diversity. (2024)
  • Author(s): H. Okada, Y. Terui, Y. Omata, M. Seki, S. Tani, A. Terashima, S. Kanazawa, M. Hosonuma, J. Miyahara, K. Makabe, S. Onodera, F. Yano, H. Kajiya, F. Gori, T. Saito, K. Okabe, Y. Suzuki, R. Baron, U. Chung, S. Tanaka, H. Hojo.
  • Organizer: Gordon Research Conference “Bones and Teeth” 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inclusive living subcellular sequencing spotlights physical physiological and human pathological features in osteoimmune diversity. (2024)
  • Author(s): Hiroyuki Okada, Yuta Terui, Asuka Terashima, Masahide Seki, Sanshiro Kanazawa, Francesca Gori, Taku Saito, Yutaka Suzuki, Roland Baron, Ung-il Chung, Sakae Tanaka, Hironori Hojo.
  • Organizer: AGBT 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inclusive living subcellular sequencing clarifies physical physiological and human pathological features in osteoimmune diversity. (2024)
  • Author(s): Okada H, Terui Y, Terashima A, Gori F, Suzuki Y, Baron R, Chung UI, Tanaka S, Hojo H.
  • Organizer: Discover BMB 24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 破骨細胞のデジタルハック; シングルセルを超えてサブセルラーへ (2023)
  • Author(s): 岡田 寛之, 照井 悠太, 小俣 康徳, 関 真秀, 谷 彰一郎, 宮原 潤也, 真壁 健太, 寺島 明日香, 金澤 三四朗, 細沼 雅弘, 矢野 文子, 小野寺 晶子, 鍛治屋 浩, 斎藤 琢, 鈴木 穣, 岡部 幸司, Roland Baron, 田中 栄, 鄭 雄一, 北條 宏徳
  • Organizer: 第8回日本骨免疫学会
  • Invited
• [Presentation] SS2000は生サブセルラーシーケンスを可能に (2023)
  • Author(s): 岡田 寛之
  • Organizer: 第75回日本細胞生物学会
  • Invited
• [Presentation] 運動器発のサブセルラーシーケンスで細胞生物学の常識に挑む (2023)
  • Author(s): 岡田 寛之, 照井 悠太, 小俣 康徳, 関 真秀, 谷 彰一郎, 宮原 潤也, 真壁 健太, 寺島 明日香, 金澤 三四朗, 細沼 雅弘, 矢野 文子, 小野寺 晶子, 鍛治屋 浩, 斎藤 琢, 鈴木 穣, 岡部 幸司, Roland Baron, 田中 栄, 鄭 雄一, 北條 宏徳
  • Organizer: 第41回日本骨代謝学会
  • Invited
• [Presentation] Subcellular sequencing by iSCseq connects transcriptomics with morphological, physical, and physiological findings (2023)
  • Author(s): Hiroyuki Okada, Yuta Terui, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Roland Baron, Ung-il Chung, Sakae Tanaka, Hironori Hojo
  • Organizer: Cell symposia “The conceptual power of single cell biology” 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interventional and integrative subcellular sequencing (i2scseq) clarifies the multi differentiation stages embedded inside mature osteoclast (2023)
  • Author(s): Hiroyuki Okada *, Yuta Terui , Yasunori Omata, Masahide Seki , Shoichiro Tani, Junya Miyahara, Kenta Makabe, Asuka Terashima, Sanshiro Kanazawa, Masahiro Hosonuma, Shoko Onodera, Fumiko Yano, Hiroshi Kajiya, Taku Saito, Yutaka Suzuki, Koji Okabe, Roland Baron, Sakae Tanaka, Ung-il Chung, Hironori Hojo
  • Organizer: ASBMR 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1生細胞内シーケンスで多核巨細胞の遺伝子発現制御に挑む (2023)
  • Author(s): 岡田 寛之, 照井 悠太, 小俣 康徳, 関 真秀, 谷 彰一郎, 宮原 潤也, 真壁 健太, 寺島 明日香, 金澤 三四朗, 細沼 雅弘, 矢野 文子, 小野寺 晶子, 鍛治屋 浩, 斎藤 琢, 鈴木 穣, 岡部 幸司, Roland Baron, 田中 栄, 鄭 雄一, 北條 宏徳
  • Organizer: 第96回日本生化学会
  • Invited
• [Presentation] Subcellular sampling and sequencing by iSCseq connects transcriptomics with morphological, physical, and physiological findings in osteoimmunology. (2023)
  • Author(s): Hiroyuki Okada *, Yuta Terui , Yasunori Omata, Masahide Seki , Shoichiro Tani, Junya Miyahara, Kenta Makabe, Asuka Terashima, Sanshiro Kanazawa, Masahiro Hosonuma, Shoko Onodera, Fumiko Yano, Hiroshi Kajiya, Taku Saito, Yutaka Suzuki, Koji Okabe, Roland Baron, Sakae Tanaka, Ung-il Chung, Hironori Hojo.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting “Single Cell Analyses 2023”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Subcellular sequencing connects transcriptomics with physical and physiological findings. (2023)
  • Author(s): H. Okada, Y. Terui, Y. Omata, M. Seki, S. Tani, A. Terashima, S. Kanazawa, M. Hosonuma, J. Miyahara, K. Makabe, S. Onodera, F. Yano, H. Kajiya, F. Gori, T. Saito, K. Okabe, Y. Suzuki, R. Baron, U. Chung, S. Tanaka, H. Hojo.
  • Organizer: Cell Bio 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The gene expression and epigenetic regulation of individual nuclei within the same multinucleated osteoclast is heterogeneous: Evidence from Intra-single cell sequencing (iscSeq) (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] intra-single cell sequencing( iSC-seq )による破骨細胞の多核間制御メカニズム解明 (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: 第9回日本リウマチ学会ベーシックリサーチカンファ
• [Presentation] The gene expression and epigenetic regulation of individual nuclei within the same osteoclast is heterogeneous: Evidence from Intra-single cell sequencing (iscSeq) (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: 第95回日本生化学大会
• [Presentation] intra-single cell sequencing（iSC-seq）による破骨細胞の多核間制御メカニズム解明 (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: NGSexpo2022
• [Presentation] The gene expression and epigenetic regulation of individual nuclei within the same osteoclast is heterogeneous: Evidence from Intra-single cell sequencing (iscSeq) (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: ASBMR2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1細胞骨アトラス作成とその利活用 (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: 第40回日本骨代謝学会
• [Presentation] 1細胞骨アトラスによるskeletal diseases病因解明 (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: 第7回日本骨免疫学会
• [Presentation] 病的骨折の手術は骨軟部腫瘍専門医がするべきなのか？ Surgery for Pathological limb fracture should be performed by all the orthopaedic surgeons (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okada
  • Organizer: 第95回日本整形外科学会
  • Invited
• [Remarks] 東京大学医学系研究科疾患生命工学センター 臨床医工学部門
  • URL: https://www.cdbim.m.u-tokyo.ac.jp/research/laboratory04/