2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of quantitative cell-phenotyping technology by integrating image-analysis, machine learning and single-cell omics
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18K19312
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
阿部 訓也 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, チームリーダー (40240915)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2022-03-31
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| Keywords | 画像処理 / シングルセル解析 / 機械学習 / 細胞表現型 / iPS細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では通常の顕微鏡画像を元として、画像処理・機械学習を用いて、細胞集団の特性を簡便、かつ高精度に解析する技術とシングルセル解析を組み合わせ「細胞の表現型」を定量的に記述する技術の確立を行うことを 目的とする。 具体的なモテル実験として、ヒト臍帯血へ山中4因子を導入し、iPS細胞をつくるリプログラミング過程における細胞状態、細胞タイプの変化をタイムラプス撮影で記録する。取得した画像の細胞形態に着目して細胞を分類・判別する手法を確立し、これにより、どのような細胞が、いつ、どれぐらいの数出現するかについての定量的データを得る。令和２年度は、この作業を実施し、iPS細胞形成の初期過程における細胞検出、分類、定量について一定の成果を得ることに成功した。しかし、iPS細胞が出現する後期過程では、細胞増殖が著しく視野全体が密集した細胞に占められたため、細胞タイプの検出・分類の難度が高く、精度が低下してしまった。一方、それと並行して、各分類群に属する細胞内の遺伝子レベル の変化をシングルセルRNA-Seq解析によって調べた。まだ浮遊細胞の状態である遺伝子導入後３日目、基質に付着し始める導入後4日目、iPS細胞が出現する13、17日目、および形成されたiPS細胞から計500個以上の細胞を単離し、シングルセル解析を実施した。クラスター解析の結果、これらのサンプルが12のクラスターに分類出来る事、３日目において、すでにiPS形成に進む集団と血球の性質を留める集団に分かれること、4日目においてもiPS形成に進むものと、そこから分岐し異なる性質を持つ細胞群へ分化する集団が認められた。13，17日目では多くの細胞はiPS細胞とは異なっていたが、確かにiPS細胞と非常に類似した発現プロファイルを有する細胞群が出現していることが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
コロナ禍のため、年度の前半部分で在宅勤務を余儀なくされ、全般的に実験計画に遅延が生じている。本研究では、技術開発とその妥当性検証、そこから得られた結果を基にさらに技術の改善を行う、というループを回すため、一部遅滞すると、全般的な遅延が生じる結果となった。さらに、画像解析の一部は他機関との共同で実施するため、通常の状況よりも進展が遅れがちとなった。一方、シングルセル遺伝子発現解析からは、初期過程での細胞状態の有意な変化が見出されたので、さらに細かい間隔でサンプリングを行い解析することにより、これまで明らかとなっていなかったリプログラミング初期過程の分子レベルの作用機序に関する知見が得られることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度では、iPS細胞形成の後期過程での細胞検出・分類が困難であったので、これを解決するため、培養条件や解析の諸条件の最適化を行う。これまでの遺伝子発現解析から見出された、各細胞クラスターの性状解析を進め、リプログラミングの初期状態にういての詳細な知見を得るとともに、各クラスターのシグネチャー分子を探索し、それを指標として各クラスターに属する細胞の単離とその特性解析を実施する。これらのデータを総合することにより、ヒトiPS細胞形成過程(細胞のリプログラミング 過程)の全貌を世界で初めて明らかにする。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため、年度の前半部分で在宅勤務を余儀なくされ、全般的に実験計画に遅延が生じている。シングルセル遺伝子発現解析からは、初期過程での細胞状態の有意な変化が見出されたので、さらに細かい間隔でサンプリングを行い解析することにより、これまで明らかとなっていなかったリプログラミング初期過程の分子レベルの作用機序に関する知見が得られることが期待されるため、そのサンプリングに必要な費用、シングルセル解析に必要な費用、および論文投稿、掲載に必要な費用を次年度に繰越し、使用する予定である。
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[Journal Article] House mouse Mus musculus dispersal in East Eurasia inferred from 98 newly determined complete mitochondrial genome sequences.2021
Author(s)
Li Y, Fujiwara K, Osada N, Kawai Y, Takada T, Kryukov AP, Abe K, Yonekawa H, Shiroishi T, Moriwaki K, Saitou N, Suzuki H
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Journal Title
Heredity
Volume: 126
Pages: 132-147
DOI
Peer Reviewed / Open Access
