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2021 Fiscal Year Annual Research Report

自閉症ヒト脳オルガノイドの表現解析による病態の基礎的理解

Research Project

Project/Area Number 21H04813
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

内匠 透  神戸大学, 医学研究科, 教授 (00222092)

Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
Keywords自閉症 / ES細胞 / コピー数多型
Outline of Annual Research Achievements

自閉症は社会性の障害に代表される発達障害であり、その発症にはコピー数多型(CNV)等の遺伝的寄与が示唆されている。我々は世界に先駆けてCNVの自閉症ヒト型モデルマウス、また自閉症細胞モデル(Autism in a dish)として、独自に開発した次世代染色体工学を用いて網羅的マウス胚性幹(ES)細胞ライブラリーを構築した。本研究では、ヒトES細胞モデルを用いて、神経をはじめとする2次元培養並びに3次元オルガノイド脳培養を組み合わせて、分子、形態から機能に至る多面的な解析を取り入れることにより、ヒト病態の総合的理解を得る。本成果は、自閉症を含む精神疾患の病態パスウェイやハブ遺伝子などの創薬シーズに繋がるだけでなく、CNVの発現制御機構の解明というゲノム異常の基盤的理解をもたらす。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

代表的なCNVである16p11.2細胞モデルの解析を行なった。
16p11.2欠失は、自閉症スペクトラム障害(ASD)に関連する最も影響力のあるコピー数変異(CNV)の一つである。これまでの研究で、16p11.2欠失の病態がin vitroとin vivoの両方で調べられ、NMDAR機能障害、興奮-抑制不均衡、転写調節障害、皮質発達障害などの特徴が確認されている。しかし、ヒト神経細胞の転写プロファイルについてはほとんど知られていない。そこで、我々はCRISPR/Cas9システムを用いて16p11.2欠損の同系統ヒト胚性幹(hES)細胞モデルを構築し、hES由来の2次元神経細胞のトランスクリプトーム解析を実施した。その結果、16p11.2欠損の神経病理学的特徴と関連すると思われるいくつかの特徴が明らかになった。すなわち、神経系への分化傾向、神経新生の促進、Gタンパク結合受容体シグナルとRAF/MAPK経路の調節異常である。また、16p11.2欠損と脆弱性X症候群の共通特性として示唆されているGRM5を含む脆弱性X精神遅滞タンパク質(FMRP)標的遺伝子の発現上昇を見いだした。この知見を他のASDモデルにも広げることで、本疾患の分子病態の理解につながると期待される。

Strategy for Future Research Activity

ヒトES細胞からの神経分化、2次元培養での形態解析、Caイメージングや電気生理学的解析による機能解析、シングルセルRNA-seqによるトランスクリプトーム解析及びバイオインフォマティクス解析等の解析を系統的に行う。具体的には、
1パッチクランプもしくはMEA(Multi Electrode Array: マルチ電極アレイ)による神経活動/同期発火パターンの解析
2各発達段階における遺伝子発現パターンの解析
3神経分化過程における神経幹細胞、神経前駆細胞、成熟神経細胞の形態解析を基に行う。成熟神経細胞に関しては、次世代シーケンサーを用いたRNAシークエンスにより全遺伝子の発現パターン解析を行う。最終的なアウトプットとしては、GO(Gene Ontology)、パスウェイ、ネットワーク解析といったバイオインフォマティクス解析から、モデルのバイオマーカーの同定、さらに神経細胞における創薬のターゲットの同定を行う。
4シングルセルRNA-seq解析では遺伝子発現パターンに応じ、細胞種を同定し、その後コントロール、CNVの比較から細胞種毎の遺伝子発現パターンを同定し、各細胞種の疾患特異的バイオマーカーを同定するとともに、細胞種特異的創薬ターゲットの同定を試みる。また発達期を追ってサンプリングする事で、ヒト胎児期を含む発達に伴う時間的変動の把握にも挑戦する(in vitro 胎児脳発達系)。

  • Research Products

    (21 results)

All 2022 2021

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] mTOR-AKT Signaling in Cellular Clock Resetting Triggered by Osmotic Stress2022

    • Author(s)
      Yoshitane H, Imamura K, Okubo T, Otobe Y, Kawakami S, Ito S, Takumi T, Hattori K, Naguro I, Ichijo H, Fukada Y
    • Journal Title

      Antioxid Redox Signal

      Volume: 37 Pages: 631-646

    • DOI

      10.1089/ars.2021.0059

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A common pathologic mechanism across cellular origins underlies systemic immune dysregulation in an idiopathic autism mouse model.2022

    • Author(s)
      Lin C-W, Septyaningtrias DE, Chao H-W, Konda M, Atarashi K, Takeshita K, Tamada K, Nomura J, Sassagawa Y, Tanaka K, Nikaido I, Honda K, McHugh TL, Takumi T.
    • Journal Title

      Mol Psychiatry

      Volume: in press Pages: -

    • DOI

      10.1038/s41380-022-01566-y.

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Comprehensive topographical map of the serotonergic fibers in the male mouse brain2021

    • Author(s)
      Awasthi JR, Tamada K, Overton ETN, Takumi T
    • Journal Title

      J Comp Neurol

      Volume: 529 Pages: 1391-1429

    • DOI

      10.1002/cne.25027.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optogenetic approaches to understand the neural circuit mechanism of social deficits seen in autism spectrum disorders.2021

    • Author(s)
      Nakai N, Overton ETN, Takumi T
    • Journal Title

      Adv Exp Med Biol.

      Volume: 1293 Pages: 523-53

    • DOI

      10.1007/978-981-15-8763-4_36.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transcriptome analysis of human neural cells derived from isogenic embryonic stem cells with 16p11.2 deletion.2021

    • Author(s)
      Nomura Y, Nomura J, Kamiguchi H, Nishikawa T, Takumi T
    • Journal Title

      Neurosci Res.

      Volume: 171 Pages: 114-123

    • DOI

      10.1016/j.neures.2021.03.005

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Morphological classification of the medial frontal cortex based on cadaver dissections: A guide for interhemispheric approach.2021

    • Author(s)
      Imada Y, Takumi T, Aoyama H, Sadatomo T, Kurisu K.
    • Journal Title

      Neurol Med Chir

      Volume: 61 Pages: 302-311

    • DOI

      10.2176/nmc.oa.2020-0192.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cranioplastic surgery and acclimation training for awake mouse fMRI2021

    • Author(s)
      Tsurugizawa T, Tamada K, Debacker C, Zalesky A, Takumi T.
    • Journal Title

      Bio Protoc

      Volume: 11 Pages: e3972

    • DOI

      10.21769/BioProtoc.3972

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Genetic dissection identifies Necdin as a driver gene in a mouse model of paternal 15q duplications2021

    • Author(s)
      Tamada K, Fukumoto K, Toya T, Nakai N, Awasthi JR, Tanaka S, Okabe S, Spitz F, Saitow F, Suzuki H, Takumi T
    • Journal Title

      Nat Commun

      Volume: 12 Pages: 4056

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24359-3

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Molecular signatures from multi-omics of autism spectrum disorders and schizophrenia2021

    • Author(s)
      Nomura J, Mardo M, Takumi T
    • Journal Title

      J Neurochem

      Volume: 159 Pages: 647-659

    • DOI

      10.1111/jnc.15514

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] CHRONO and DEC1/DEC2 compensate for lack of CRY1/CRY2 in expression of coherent circadian rhythm but not in generation of circadian oscillation in the neonatal mouse SCN2021

    • Author(s)
      Ono D, Honma KI, Schmal C, Takumi T, Kawamoto T, Fujimoto K, Kato Y, Honma S
    • Journal Title

      Sci Rep

      Volume: 11 Pages: 19240

    • DOI

      10.1038/s41598-021-98532-5

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sensing the Sounds of Silence: A Pilot Study on the Detection of Model Mice of Autism Spectrum Disorder from Ultrasonic Vocalisations2021

    • Author(s)
      Qian K, Koike T, Tamada K, Takumi T, Schuller BW, Yamamoto Y
    • Journal Title

      Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc

      Volume: 2021 Pages: 68-71

    • DOI

      10.1109/EMBC46164.2021.9630793

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Towards understanding of the pathophysiology of autism2022

    • Author(s)
      Toru Takumi
    • Organizer
      1st KULOS symposium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Abnormality of cortical network dynamics in behaving state of an ASD model mouse under VR environments2022

    • Author(s)
      Nobuhiro Nakai, Masaaki Sato, Toru Takumi
    • Organizer
      第95回日本薬理学会年会
    • Invited
  • [Presentation] 自閉症学―細胞・マウスモデルから病態に迫るー2021

    • Author(s)
      内匠透
    • Organizer
      第63回日本小児神経学会学術集会
    • Invited
  • [Presentation] Encoding of social exploration by neural ensembles in the insular cortex.2021

    • Author(s)
      Isamu Miura, Masaaki Sato, Eric T N Overton, Nobuo Kunori, Nobihiro Nakai, Junichi Nakai, Takakazu Kawamata, Toru Takumi
    • Organizer
      第44回日本神経科学会大会・CJK第1回国際会議
    • Invited
  • [Presentation] Network dynamics of cortical function during social exploration in VR environments2021

    • Author(s)
      Nobuhiro Nakai, Masaaki Sato, Toru Takumi
    • Organizer
      第44回日本神経科学会大会・CJK第1回国際会議
    • Invited
  • [Presentation] Genetic dissection identifies Necdin as a driver gene in 15q duplication syndrome2021

    • Author(s)
      Kota Tamada, Keita Fukumoto, Tsuyoshi Toya, Nobuhiro Nakai, Janak Awasthi, Shinji Tanaka, Shigeo Okabe, Francois Spitz, Toru Takumi
    • Organizer
      第44回日本神経科学会大会・CJK第1回国際会議
  • [Presentation] Comprehensive analysis identified CNV- and cell type specific vulnerability of autism spectrum disorder2021

    • Author(s)
      Jun Nomura, Amila Zuko, Keiko Kishimoto, Hiroaki Mutsumine, Kazumi Fukatsu, Yoshiko Nomura, Xiaoxi Liu, Nobuhiro Nakai, Takashi Arai, Eiki Takahashi, Tsukasa Kouno, Jay Shin, Toru Takumi
    • Organizer
      第44回日本神経科学会大会・CJK第1回国際会議
  • [Presentation] Therapeutic effect and underlying mechanism of oral splint for ameliorating tic syndrome in patients with Tourette syndrome2021

    • Author(s)
      Yoshihisa Tachibana, Natsumi Tsuji, Fumihiko Sato, Toru Takumi
    • Organizer
      第44回日本神経科学会大会・CJK第1回国際会議
  • [Presentation] Prediction of mouse behavior with deep learning2021

    • Author(s)
      Takehiro Ajioka, Nobuhiro Nakai, Toru Takumi
    • Organizer
      第44回日本神経科学会大会・CJK第1回国際会議
  • [Presentation] Systematic analysis of brain lactate and pH levels in 73 animal models related to neuropsychiatric conditions2021

    • Author(s)
      Hideo Hagihara, Hirotaka Shoji, International Brain pH Project Consortium, and Tsuyoshi Miyakawa
    • Organizer
      ACNP 60th Annual Meeting
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-12-28  

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