Establishment of a Basis for Assessing the Effects of Chemical Substances on Environmental Indicator Organisms Toward Society 5.0

• Project/Area Number: 23K21753
• Project/Area Number (Other): 21H03602 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 63030:Chemical substance influence on environment-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 渡辺 肇 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (80212322)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: ミジンコ / 機械学習 / 画像処理 / 遺伝子編集 / 化学物質影響 / 環境影響

Outline of Research at the Start

従来の化学物質影響評価法の効率化を目指して①機械学習を導入した画像解析による化学物質影響評価法の確立と②CIRSPRによる遺伝子編集技術を用いた作用メカニズムへのアプローチ法を確立し、相互に利用することでより的確な化学物質影響評価系の構築を目指す。社会全体がSociety5.0へ向かっていく中で、化学物質影響評価においても積極的にAIによる機械学習などを取り入れた試験法の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では従来の化学物質影響評価法を脱却し時代に即した評価法を確立するために、近年急速に進展している２つの技術、機械学習による画像処理と遺伝子編集技術を環境指標生物であるミジンコに利用した化学物質影響評価法の基盤構築をすすめている。
ミジンコは研究室で長年維持しているDaphnia magnaを用いている。この系統は国立環境研究所で維持されていたNIESクローン由来であり、ゲノム情報も取得済みである。飼育条件は基本的にOECDテストガイドライン202の「ミジンコ急性遊泳阻害試験」に準拠して行い、必要に応じて餌として用いているクロレラの量を変化させ、意図的に大きさの異なるミジンコを作製した。チャンバー内で遊泳するミジンコの画像をカメラでそのままライブイメージとして取得し画像解析を行うことで成長速度、生存率、産仔数、脱皮間隔行動解析の評価項目についての情報を抽出した。特に重要なアプローチとして，あらかじめサイズを測定したミジンコをチャンバー内で遊泳させ，イメージを取得した。サイズをすでに測定したミジンコを遊泳させ教師データとして用いることにより，ライブイメージング画像からのミジンコのサイズを推定した。サイズ測定にあたっては、ミジンコの形状を学習させる必要があるが、この学習方法（ミジンコの画像のポイントの指定方法）などについても検討を加え、効率的な学習が可能な手法を見出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

実験材料となるミジンコの生育不良に起因して、一時期遅れが生じていたが、その後は予定通りに進捗している。

Strategy for Future Research Activity

画像処理によるサイズ推定は計画どおり進んでいることから、重要なパラメータの１つである脱皮間隔についてのアプローチも進める。脱皮間隔については、ミジンコの遊泳のパワースペクトルが通常ピンクノイズを示すことを利用し、経時的なパワースペクトル解析を行う。脱皮時に通常の遊泳ができなくなり変化するパワースペクトルを検出するための手法の開発も進め、適宜遺伝子編集ミジンコを利用する。

Research Products

• [Journal Article] Neonatal administration of synthetic estrogen, diethylstilbestrol to mice up-regulates inflammatory Cxclchemokines located in the 5qE1 region in the vaginal epithelium (2023)
  • Author(s): Kitamura Ayaka、Jiayue Chen、Suwa Tomoya、Kato Yasuhiko、Wada Tadashi、Watanabe Hajime
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Issue: 3 Pages: e0280421-e0280421
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0280421
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of Doublesex1 Expression for Environmental Sex Determination in the Cladoceran Crustacean Daphnia (2022)
  • Author(s): Kato Yasuhiko、Watanabe Hajime
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 10 Pages: 881255-881255
  • DOI: 10.3389/fcell.2022.881255
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CELF1 represses Doublesex1 expression via its 5’ UTR in the crustacean Daphnia magna (2022)
  • Author(s): Tirta Yusrifar Kharisma、Adachi Shungo、Perez Christelle Alexa Garcia、Adhitama Nikko、Nong Quang Dang、Natsume Toru、Kato Yasuhiko、Watanabe Hajime
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 10 Pages: e0275526-e0275526
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0275526
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ゲノム編集ミジンコの作出と環境依存型性決定機構の解析への応用 (2022)
  • Author(s): 加藤泰彦、渡邉肇
  • Organizer: 日本ゲノム編集学会第7回大会
  • Invited
• [Presentation] ノックイン技術で迫るミジンコにおける環境依存的な性決定の仕組み (2022)
  • Author(s): 加藤泰彦、渡邉肇
  • Organizer: 日本動物学会 第93回早稲田大会
  • Invited
• [Presentation] ミジンコの環境依存型性決定における doublesex1 遺伝子の発現制御 (2022)
  • Author(s): 加藤泰彦、渡邉肇
  • Organizer: 第8回生殖若手の会
  • Invited
• [Presentation] オオミジンコにおける有用タンパク質高発現ベクターの構築と利用 (2022)
  • Author(s): 柴田成樹、リー デイビッド、アディタマ ニッコ、加藤泰彦、渡邉肇
  • Organizer: 第74回日本生物工学会大会
• [Presentation] オオミジンコにおけるCRISPR/dCas9を利用した遺伝子発現活性化システムの開発 (2022)
  • Author(s): 原あや乃、アディタマ ニッコ、加藤泰彦、渡邉肇
  • Organizer: 第74回日本生物工学会大会
• [Presentation] Fluorescence live imaging of the apoptotic effects induced by a juvenile hormone analog, fenoxycarb, in the developing ovary of Daphnia magna (2022)
  • Author(s): Lichi Hsieh、Nikko Adhitama、Yasuhiko Kato、Hajime Watanabe
  • Organizer: 第 45 回日本分子生物学会大会
• [Presentation] 甲殻類オオミジンコにおけるサーチュイン1遺伝子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 平野啓太、アディタマ ニッコ、加藤泰彦、渡邉肇
  • Organizer: 第 45 回日本分子生物学会大会
• [Presentation] Analysis of the transactivation region of the 5´ UTR overlapping lncRNA DAPALR in the crustacean Daphnia magna (2022)
  • Author(s): Yasuhiko Kato、Christelle Alexa G Perez、Hajime Watanabe
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia (CSHA) RNA Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The RNA binding protein CELF1 represses the male determining gene Doublesex1 via its 5_ UTR in the crustacean Daphnia magna (2022)
  • Author(s): Yusrifar K Tirta、Shungo Adachi、Christelle Alexa G Perez、Nikko Adhitama、Quang Dang Nong、Toru Natsume、Yasuhiko Kato、Hajime Watanabe
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia (CSHA) RNA Biology
  • Int'l Joint Research
• [Book] Spectrum of Sex (2022)
  • Author(s): Editors: Minoru Tanaka, Makoto Tachibana
  • Total Pages: 233
  • Publisher: Springer
• [Book] The Mechanism for Establishing the Binary Sex with Environmental Signals in the Crustacean Daphnia magna (2022)
  • Author(s): Kato Yasuhiko、Watanabe Hajime
  • Total Pages: 233
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811953583