生体内におけるエイズウイルス感染細胞の異質性と運命決定機構の解明

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J23299
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 麻生 啓文 京都大学, 薬学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Keywords: HIV-1感染細胞 / scRNA-Seq / 異質性 / インターフェロン誘導性遺伝子

Outline of Annual Research Achievements

後天性免疫不全症候群 (エイズ)は、ヒト免疫不全ウイルス1型 (HIV-1)感染を原因とする疾患である。また、エイズに対する抗ウイルス薬の開発が進み、エイズ発症の抑制は可能である。しかしながら、ウイルス排除による根治療法は未だ確立されていない。その原因の一つは、感染個体内においてHIV-1感染細胞が潜伏化するからである。これまでの一連のバイオインフォマティクス解析技術を駆使した網羅的遺伝子発現解析の研究から、一部のHIV-1産生細胞は潜伏化するなど、その感染様式が異質性をもった細胞の集団であることがわかってきた。本研究では、HIV-1感染細胞ごとの「ウイルス産生」、「ウイルス抑制」、「死滅」、「潜伏感染」状態に関する細胞異質性の実態を解明し、それらの異質性を規定する遺伝子同定のためにバイオインフォマティクス解析を行い、ウイルス学実験によってその異質性を規定する分子メカニズムを実証することを目的とする。
本年度は、HIV1-GFP感染ヒト化マウス由来のHIV-1産生細胞および非産生細胞のSingle-cell RNA-sequencing (scRNA-seq)のデータから、「ウイルス産生」、「ウイルス抑制」、「死滅」状態の細胞ごとの細胞異質性を、バイオインフォマティクス解析により明らかにした。続いて、これらの異質性を規定する遺伝子として、インターフェロン誘導性遺伝子 (ISG)、細胞死関連遺伝子、およびその他の宿主遺伝子から、HIV-1産生量と正負に相関のある遺伝子を同定した。具体的には、HIV-1 RNA、ISG、細胞死関連遺伝子群、宿主遺伝子の各発現パターンによる細胞の分類間の相関性を機械学習的手法により解析し、異質性を規定する候補遺伝子を抽出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

現在までに、HIV1-GFP感染ヒト化マウス由来のHIV-1産生細胞および非産生細胞のSingle-cell RNA-sequencing (scRNA-seq)のデータを用いて、「ウイルス産生」、「ウイルス抑制」、「死滅」状態の細胞ごとの細胞異質性を、バイオインフォマティクス解析により明らかにした。感染細胞ごとの「ウイルス産生」の異質性は、HIV-1 RNA発現量に基づく分類により解析した。感染細胞ごとの「ウイルス抑制」の異質性は、インターフェロン誘導性遺伝子 (ISG)の発現パターンに基づく分類により解析した。感染細胞ごとの「死滅」の異質性は、細胞死関連遺伝子群の発現パターンに基づく分類により解析した。さらに、感染細胞ごとの未知の異質性を、全遺伝子の発現パターンに基づく分類により解析した。続いて、これらの異質性を規定する遺伝子として、ISG、細胞死関連遺伝子、およびその他の宿主遺伝子から、HIV-1産生量と正負に相関のある遺伝子を、バイオインフォマティクス解析で同定した。具体的には、HIV-1 RNA、ISG、細胞死関連遺伝子群、宿主遺伝子の各発現パターンによる細胞の分類間の相関性を機械学習的手法により解析し、異質性を規定する候補遺伝子を抽出した。

Strategy for Future Research Activity

バイオインフォマティクス解析により同定された細胞ごとの異質性を規定する遺伝子について、培養細胞を用いたウイルス学実験により、その機能を解析する。さらに、それらの遺伝子が、感染細胞の異質性に与える影響を実験的に解析する。具体的には、当該遺伝子を過剰発現したCD4+ T細胞株、あるいはCRISPR/Cas9システムを用いて当該遺伝子をノックアウトした細胞を作出する。次に、それらの細胞におけるウイルス増殖について、レポーターアッセイ、ELISA法、ウェスタンブロット法、フローサイトメトリー法などで解析することで、各遺伝子がウイルス複製・増殖に与える影響を解析する。

Research Products

• [Journal Article] A comprehensive investigation on the interplay between feline APOBEC3Z3 proteins and feline immunodeficiency virus Vif proteins (2021)
  • Author(s): Kosugi Y, Uriu K, Suzuki N, Yamamoto K, Nagaoka S, Kimura I, Konno Y, Aso H, Willett BJ, Kobayashi T, Koyanagi Y, Ueda MT, Ito J, Sato K
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multi-omics investigation revealing comprehensive characteristics of HIV-1-infected cells in vivo (2020)
  • Author(s): Aso H, Nagaoka S, Kawakami E, Ito J, Islam S, Tan BJY, Nakaoka S, Ashizaki K, Shiroguchi K, Suzuki Y, Satou Y, Koyanagi Y, Sato K
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 32 Pages: 107887
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107887
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reconstitution of prospermatogonial specification in vitro from human induced pluripotent stem cells (2020)
  • Author(s): Hwang YS, Suzuki S, Seita Y, Ito J, Sakata Y, Aso H, Sato K, Hermann BP, Sasaki K
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 5656
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19350-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A role for gorilla APOBEC3G in shaping lentivirus evolution including transmission to humans (2020)
  • Author(s): Nakano Y, Yamamoto K, Ueda MT, Soper A, Konno Y, Kimura I, Uriu K, Kumata R, Aso H, Misawa N, Nagaoka S, Shimizu S, Mitsumune K, Kosugi Y, Juarez-Fernandez G, Ito J, Nakagawa S, Ikeda T, Koyanagi Y, Harris RS, Sato K
  • Journal Title: PLOS Pathogens Volume: 16 Pages: e1008812
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1008812
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Single cell RNA-sequencingによる生体内HIV-1感染細胞の異質性の解析 (2020)
  • Author(s): 麻生啓文
  • Organizer: ウイルス学若手研究集会2020