Molecular genetic mechanism for generating individual difference in vocal learning

• Project Area: Integrative research toward elucidation of generative brain systems for individuality
• Project/Area Number: 19H04888
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 和多 和宏 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (70451408)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2020: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 発声学習 / 学習臨界期 / 遺伝子発現 / 種特異的行動 / 鳴禽類ソングバード / シングルセル遺伝子発現解析 / 学習バイアス / 異種間ハイブリッド / 対立遺伝子不均衡 / 自発的学習 / 個体差 / ソングバード

Outline of Research at the Start

本研究目的は、遺伝要因を父・母由来のゲノム情報として分別し、学習臨界期間を通して顕在化する学習バイアスの個体差が遺伝子発現レベルで脳部位特異的にいかに表象されているかを明らかにすること である。このために(I): 『学習バイアスの個体差をつくるゲノム発現』の理解、(II):『Allelic imbalance による学習行動の個体差出現』の検証、の 2 点にフォーカスした研究を進める。

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に引き続き、『学習バイアスの個体差をつくるゲノム発現』を明らかにすべく歌神経核内の単一細胞レベルでの Allelic imbalanceを含む遺伝子発現とF１ハイブリッド個体における学習バイアスの個体差形成との機能相関解析を継続した。 特に、歌運動神経核HVC, RA, Area Xに着目し、これら歌神経核を構成する細胞レベルでのsingle nuclei RNAseq(snRNA-seq)の実施を行い、細胞内遺伝子発現レベル、及び、父母アレルからの遺伝子読み出しに関わる個体差情報の解析を重点的に実施した。その結果、親種キンカチョウとカノコスズメ間でHVC, RA核共に興奮性投射ニューロンに特異的に種差を示す遺伝子群が蓄積していることが明らかになった。つまり、種間で発現量が異なる遺伝子群は、脳領域内の構成細胞にまんべんなくその違いが生じるのではなく、特定の細胞タイプ特異的に発現量変化が起こっていることを意味する。また、この興奮性投射ニューロンにおける遺伝子発現変化は、種差のみならず同種個体差を表象することが分かった。現在、この細胞タイプ特異的な遺伝子発現変化が各個体間によって学習獲得された歌表現型と相関をもっているのか、またその発現量差が遺伝的に由来するのか、発達過程で顕在化するのか、さらなる検証実験を進めている。さらに、種特異性、及び個体差遺伝子発現を興奮性投射ニューロンで示す遺伝子群の父母アレルからの読み出し比率をSNP情報をもとに解析中である。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] McGill University(カナダ)
• [Int'l Joint Research] McGill University(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Korea Brain Research Institute(韓国)
• [Journal Article] Statistical learning for vocal sequence acquisition in a songbird (2020)
  • Author(s): James Logan S.、Sun Herie、Wada Kazuhiro、Sakata Jon T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2248-2248
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58983-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Manipulations of sensory experiences during development reveal mechanisms underlying vocal learning biases in zebra finches (2020)
  • Author(s): James Logan S.、Davies Ronald、Mori Chihiro、Wada Kazuhiro、Sakata Jon T.
  • Journal Title: Developmental Neurobiology Volume: 80 Issue: 3-4 Pages: 132
  • DOI: 10.1002/dneu.22754
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcriptional regulatory divergence underpinning species-specific learned vocalization in songbirds (2019)
  • Author(s): Wang Hongdi、Sawai Azusa、Toji Noriyuki、Sugioka Rintaro、Shibata Yukino、Suzuki Yuika、Ji Yu、Hayase Shin、Akama Satoru、Sese Jun、Wada Kazuhiro
  • Journal Title: PLOS Biology Volume: 17 Issue: 11 Pages: e3000476-e3000476
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3000476
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Corticobasal ganglia projecting neurons are required for juvenile vocal learning but not for adult vocal plasticity in songbirds (2019)
  • Author(s): Sanchez-Valpuesta M, Suzuki Y, Shibata Y, Toji N, Ji Y, Afrin N, Asogwa CN, Kojima I, Mizuguchi D, Kojima S, Okanoya K, Okado H, Kobayashi K, Wada K
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 116 Issue: 45 Pages: 22833
  • DOI: 10.1073/pnas.1913575116
  • NAID: 120006842193
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Transcriptional regulatory divergence underpinning species-specific learned vocalization in songbirds (2019)
  • Author(s): Hongdi Wang, Azusa Sawai, Noriyuki Toji, Rintaro Sugioka, Yukino Shibata, Yuika Suzuki, Yu Ji, Shin Hayase, Satoru Akama, Jun Sese, Kazuhiro Wada
  • Organizer: Society for Neuroscience meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of repetitive syllable sequence by the excitatory and inhibitory balance in the basal ganglia song nucleus in songbirds (2019)
  • Author(s): Yu Ji; Miguel Sanchez-Valpuesta; Kazuhiro Wada
  • Organizer: Society for Neuroscience meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 小鳥の種によって歌が異なる原因に関わる遺伝子群を同定（理学研究院 准教授 和多和宏）
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/news/2019/11/post-590.html
• [Remarks] 論文解説 Wang et al. 2019
  • URL: https://www.wada-lab.org/publications-%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%A5%AD%E7%B8%BE-1/%E8%AB%96%E6%96%87%E8%A7%A3%E8%AA%AC-wang-et-al-2019/