2019 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of molecular basis underlying human evolution by comparing early neural development from chimpanzee and human iPSCs
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19K06864
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
今村 公紀 京都大学, 霊長類研究所, 助教 (80567743)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | iPS細胞 / 神経発生 / ヒト進化 / チンパンジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は、チンパンジーiPS細胞のダイレクトニューロスフェア（dNS）形成における重要なシグナル伝達経路の特定やアストロサイト分化能の確認、dNS形成過程のトランスクリプトームの精査を行った。
具体的には、dNS形成1、3、5、7日目の細胞についてRNA-seqを実施した結果、各細胞は①iPS細胞とdNS（Day 1）と②dNS（Day 3、5、7）に分岐し（1st shift）、次に③dNS（Day 3）と④dNS（Day 5、7）に分岐する（2nd shift）ことが判明した。また、iPS細胞とdNS（Day 1）がグループ1、dNS（Day 5）と（Day 7）がグループ3として比較的近い関係にあり、dNS（Day 3）は両者のグループの中間（グループ2）に位置付けられた。1st shiftと2nd shiftにおける細胞運命を解明するために遺伝子発現を精査したところ、1st shiftでは多能性関連遺伝子の発現消失と神経発生関連遺伝子の発現開始が認められ、多能性から神経発生へのコミットメントが誘発されていることが示された。一方、各dNSのニューロン分化誘導を行ったところ、dNS（Day 3）まではニューロン分化が乏しいものの、dNS（Day 5）以降は高効率でニューロン分化が観察され、2nd shiftではニューロン分化能が獲得されることが判明した。以上より、dNS形成過程においてiPS細胞から後期前方エピブラスト（Day 1）、初期神経上皮細胞（Day 3）、脳胞ラジアルグリア（Day 5、7）へと段階的に発生が進行することが示唆された。
また、2i/LIF培地で初期化・培養したチンパンジー初期化細胞の特性解析を行い、多能性関連遺伝子ではなく神経堤細胞関連遺伝子を発現していること、またdNS形成培養によって末梢ニューロンに分化することを明らかにした。
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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
申請者が開発したdNS形成培養法により、チンパンジーiPS細胞からの初期神経発生過程についてトランスクリプトーム解析とその精査を行い、論文として発表することができた（Kitajima et al., Stem Cell Research, 2020）。種間比較解析に向けても、ニホンザルiPS細胞のdNS形成培養を行い、チンパンジー同様の初期神経発生を経過することを確認した。また、共同研究を通じて、種特異的な遺伝子発現パターンを示す遺伝子の特定や、エピジェネティックなプロファイリングなども進めている。加えて、2i/LIF培地でリプログラミングしたチンパンジー初期化細胞（2iLコロニー形成細胞）についても並行して解析を行い、研究結果の論文発表を行った（Lin et al., Differentiation, 2020）。 以上より、順当に研究計画を遂行できていると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
トランスクリプトーム解析の結果、チンパンジーのdNS形成過程で発現変化量の大きい遺伝子の中には神経発生との関連が報告されていないシグナル伝達関連遺伝子が含まれていた。これらの遺伝子はチンパンジーとヒトのdNS形成で発現パターンが異なり、なかでもJAK/STATおよびEGF経路に関わるある因子は、チンパンジーでは対称分裂期の神経上皮細胞で一過的に発現するのに対し、ヒトでは発現時期が延長されていることを特定している。この因子がヒトの神経幹細胞の対称分裂を亢進し、ヒトの大脳進化とグリオーマリスクに寄与している可能性が推測されることから、今後は強制発現やノックダウン、各種阻害薬を用いたシグナル経路操作による機能解析に着手する予定である。また、dNS形成過程における細胞運命の二回のシフトに重要なシグナル伝達経路の特定を試みる。特に、神経上皮細胞と神経堤細胞の細胞運命のスイッチチングのタイミングとシグナル伝達経路の解析を行う。ヒト特異性を解明する取り組みとしては、ヒトおよびニホンザルのiPS細胞のdNS形成培養を行い、遺伝子発現のトランスクリプトーム解析とその比較を行う。
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[Journal Article] Reprogramming of chimpanzee fibroblasts into a multipotent cancerous but not fully pluripotent state by transducing iPSC factors in 2i/LIF culture2020
Author(s)
Zachary Yu-Ching Lin, Risako Nakai, Hirohisa Hirai, Daiki Kozuka, Seiya Katayama, Shin-ichiro Nakamura, Sawako Okada, Ryunosuke Kitajima, Hiroo Imai, Hideyuki Okano, Masanori Imamura
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Journal Title
Differentiation
Volume: 112
Pages: 67-76
DOI
Peer Reviewed
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