Identification and characterization of brain disorder-related singularity cells by whole-brain imaging

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 18H05416
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 橋本 均 大阪大学, 薬学研究科, 教授 (30240849)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中澤 敬信 大阪大学, 歯学研究科, 准教授 (00447335)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: シンギュラリティ / 精神疾患 / 全脳

Outline of Annual Research Achievements

精神疾患等の脳疾患は、少数の細胞群の活動異常の蓄積に環境要因等が加わるという、シンギュラリティ現象の破綻により引き起こされる可能性が考えられるが、少数の細胞群の機能異常がどのように脳の広い領域に影響をあたえ、個体の精神活動を変化させるのかは不明である。これらの課題に取り組むため、本年度は以下の研究を実施した。
１）疾患モデルマウスのシンギュラリティ細胞の特性解析
これまでに見出した脳疾患モデルマウスのヒト脳疾患と関連するシンギュラリティ(候補）細胞の特性を詳細に解析するため、蛍光タンパク質の輝度や神経活動の活性化のタイムコースを指標に、細胞を分取し、シングル細胞のRNA発現解析を実施した。その結果、複数の遺伝子発現パターンにより、周囲の細胞と区別できることを明らかにした。また、本課題で用いている脳疾患モデルマウスに関連する脳疾患患者由来のiPS細胞から分化させた神経細胞を用いたトランスクリプトーム解析により、神経発達段階における遺伝子発現に異常があること、また同細胞における電気生理学的な解析により、シナプス機能に異常をあることが明らかになった。
２）複数時点や複数神経細胞種の神経活動レポーターマウス等の開発
全脳イメージングシステムFASTの高速性と高分解能の両立を目指しており、改良を継続中である。シンギュラリティ現象の解析のためには、さらに、複数神経細胞種を同時にイメージングする技術や活動の履歴に依存する神経細胞の脳機能変化を経時的に捉える時間分解能が必要である。そこで昨年度に引き続き、時間分解能を高めた不安定型蛍光タンパク質、タモキシフェン誘導型Cre組み換え酵素、テトラサイクリン制御性トランス活性化因子tTA等を用いた、レポーターマウスや対応するレポーターウイルスを開発している。今後は、レポーターシステムを完成させ、全脳細胞イメージング法を持ちて機能的な検証を実施する予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、複数の精神疾患モデルマウスの全脳活動マッピングを実施し、シンギュラリティ（候補）細胞を同定し、シングル細胞のオミックス解析から、シンギュラリティ（候補）細胞の分子特性を明らかにできた。

Strategy for Future Research Activity

今後は、脳疾患に関わるシンギュラリティ現象を時空間的に操作・制御し、脳疾患の新規治療法の提案や脳の動作原理の解明を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Lipocalin-type prostaglandin D synthase regulates light-induced phase advance of the central circadian rhythm in mice (2020)
  • Author(s): Kawaguchi C et al.
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 3 Pages: 557
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01281-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activation of the VPAC2 Receptor Impairs Axon Outgrowth and Decreases Dendritic Arborization in Mouse Cortical Neurons by a PKA-Dependent Mechanism (2020)
  • Author(s): Takeuchi S et al.
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 14 Pages: 521
  • DOI: 10.3389/fnins.2020.00521
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pathogenic POGZ mutation causes impaired cortical development and reversible autism-like phenotypes (2020)
  • Author(s): Matsumura et al
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 859
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14697-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct visualization of an antidepressant analog using surface-enhanced Raman scattering in the brain (2020)
  • Author(s): Tanuma Masato、Kasai Atsushi、Bando Kazuki、Kotoku Naoyuki、Harada Kazuo、Minoshima Masafumi、Higashino Kosuke、Kimishima Atsushi、Arai Masayoshi、Ago Yukio、Seiriki Kaoru、Kikuchi Kazuya、Kawata Satoshi、Fujita Katsumasa、Hashimoto Hitoshi
  • Journal Title: JCI Insight Volume: 5 Pages: e133348
  • DOI: 10.1172/jci.insight.133348
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autism-associated protein kinase D2 regulates embryonic cortical neuron development (2019)
  • Author(s): Matsumura Kensuke、Baba Masayuki、Nagayasu Kazuki、Yamamoto Kana、Kondo Momoka、Kitagawa Kohei、Takemoto Tomoya、Seiriki Kaoru、Kasai Atsushi、Ago Yukio、Hayata-Takano Atsuko、Shintani Norihito、Kuriu Toshihiko、Iguchi Tokuichi、Sato Makoto、Takuma Kazuhiro、Hashimoto Ryota、Hashimoto Hitoshi、Nakazawa Takanobu
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 519 Pages: 626～632
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.09.048
  • Peer Reviewed / Open Access