2020 Fiscal Year Annual Research Report
Single cell manipulation and gene expression analysis for "Singularity Biology"
| Project Area | Singularity biology |
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| Project/Area Number |
18H05411
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
城口 克之 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (00454059)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 細胞分取 / 遺伝子発現解析 / 自動化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
“シンギュラリティ生物学”の創生に向けて、本研究では、シンギュラリティ細胞やシンギュラリティ現象が起きる際の細胞の内部状態（遺伝子発現）はどうなっているのか？ シンギュラリティ細胞が出現する時の最初の変化は何なのか？ という問いに答えるための研究を行っている。具体的には、イメージングで特定した細胞を分取して網羅的遺伝子発現解析を行うシステムを開発し、領域内で開発する広視野顕微鏡に実装する。これにより、新学術領域内外の研究者が対象としているシンギュラリティ現象を解析して、シンギュラリティ細胞の分子マーカーを決定するとともに、シンギュラリティ現象をもたらすメカニズムを分子（遺伝子）レベルで理解することを目的としている。
本年度は、細胞を観察するシステムと分取するシステムの間でシグナルをやり取りできるようにし、全体を統合して制御できるようにした。この結果、細胞の観察→分取→観察、というサイクルの自動化に成功した。この自動システムを用いて、プレート中の９６個のウェルぞれぞれに１つずつ細胞を分取することができた。この工程にかかる時間、細胞の分取に失敗してしまう率、どのような失敗があるのかなどを評価した。また、通常の細胞よりもより大きなもの、そして小さいものも分取できることを確認し、本装置の応用範囲を示した。広い範囲が観察できる顕微鏡へ設置してシステムの融合を実施しており、さらなる開発・改良を行っている。シークエンス解析用のパイプラインの効率化のため、改良をして稼働させている。領域内外との共同研究として、細胞を分取してシークエンスを実施した。細胞画像と遺伝子発現解析を統合して解析するために、AI（深層学習）による解析の導入を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、細胞を観察するシステムと分取するシステムの間でシグナルをやり取りできるようにし、全体を統合して制御できるようにした。この結果、細胞の観察→分取→観察、というサイクルの自動化に成功した。この自動システムを用いて、プレート中の９６個のウェルぞれぞれに１つずつ細胞を分取することができた。この工程にかかる時間、細胞の分取に失敗してしまう率、どのような失敗があるのかなどを評価した。かかる時間は観察・記録するモードに依存するが、96個の細胞を分取する時に20分を切るスピードが得られている。また、通常の細胞よりもより大きなもの、そして小さいものも分取できることを確認し、本装置の応用範囲を示した。具体的には、3-300マイクロメータの直径のビーズを分取することができており、効率は下がるが、より小さな大腸菌（1-2マイクロメータ）の分取も可能である。広い範囲が観察できる顕微鏡へ設置して融合を実施しており、さらなる開発・改良を行っている。シークエンス解析用のパイプラインの効率化のため、改良して稼働させている。領域内外との共同研究として、細胞を分取してシークエンスを実施した。細胞画像と遺伝子発現解析を統合して解析するために、AI（深層学習）による解析を導入している。具体的には、細胞の画像から遺伝子発現状態の推定をトライし始めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
顕微鏡イメージングで同定した細胞を分取し、その遺伝子発現を解析するシステムの自動化作業を高度化するため、さらに細胞を分取する装置の開発を改良していく。具体的には、より密度の高い細胞群から目的の細胞を分取するため、ニードルの形状や分取の条件を検討する。また、1,000個程度の培養細胞を対象にハイスループット測定を行い、計測プラットフォームの問題点を評価し、改良する。動画撮影した細胞を分取し、細胞の動態と遺伝子発現解析をつなぐシステムを評価する。さらに、AI（深層学習）を用いて画像を解析し、高度な解析に用いることができる画像を取得できているか評価する。計測システムとして、プライマリ細胞にも応用可能であることを示すために、マウスから採取する細胞の解析を実施する。AMATERASにおいて効率よく細胞を分取できるようにするため、必要な要素を開発・改良する。領域内外でのサンプル解析におけるさらなる連携のため、対象に合わせた分取装置のチューニングを行い、細胞の分取を実施する。遺伝子発現解析のみや、イメージングした細胞の遺伝子発現解析において共同研究の依頼が複数あるため、これらに対応して本システムの有効性を示していく。
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[Journal Article] Multiomics Investigation Revealing the Characteristics of HIV-1-Infected Cells In Vivo2020
Author(s)
Aso H, Nagaoka S, Kawakami E, Ito J, Islam S, Tan B J Y, Nakaoka S, Ashizaki K, Shiroguchi K, Suzuki Y, Satou Y, Koyanagi Y, Sato K.
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Journal Title
Cell Reports
Volume: 32
Pages: 107887
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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