細胞間情報伝達を介した発生時間制御機構

• Project Area: Interplay of developmental clock and extracellular environment in brain formation
• Project/Area Number: 16H06483
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 花嶋 かりな 早稲田大学, 教育・総合科学学術院, 准教授 (80469915)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高里 実 国立研究開発法人理化学研究所, 多細胞システム形成研究センター, チームリーダー (40788676)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥109,330,000 (Direct Cost: ¥84,100,000、Indirect Cost: ¥25,230,000); Fiscal Year 2020: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000); Fiscal Year 2019: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000); Fiscal Year 2018: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000); Fiscal Year 2017: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000); Fiscal Year 2016: ¥26,520,000 (Direct Cost: ¥20,400,000、Indirect Cost: ¥6,120,000)
• Keywords: 発生時計 / 大脳皮質 / 幹細胞 / 細胞間情報伝達 / 転写制御 / 発生時間 / 転写制御ネットワーク / 細胞間相互作用 / 神経幹細胞 / 時間制御 / 大脳新皮質 / 分化 / 発生・分化 / 脳・神経 / 神経科学 / シグナル伝達 / 細胞・組織

Outline of Annual Research Achievements

発生過程では幹細胞が時空間軸に基づいて異なる種類の細胞を産生することで組織や器官をつくり上げていくが、各組織幹細胞の中でも脳を構築する幹細胞は時間に対する感受性が高いことが知られている。本研究では組織形成における時間コードの実体を明らかにするために、大脳皮質をモデルとしたニューロン-幹細胞間の相互作用に焦点をあて、これまで大脳皮質の主要な層ニューロンのサブタイプの産生タイミングを決定する発生時間のドミノ式制御因子としてFoxg1を同定してきた。今年度はFoxg1下流の遺伝子制御ネットワークを明らかにするために、Foxg1の条件的遺伝子欠失及びCRISPR-Cas9システムを用いたFoxg１の転写制御配列の操作により、Foxg１が核内受容体因子であるNr2f1遺伝子の発現を抑制することで大脳皮質の層特異的サブタイプの分化を決定していることを明らかにした（Hou et al. Nat Commun 2019）。これらの内因的機構と並行して、大脳皮質幹細胞から分化する娘細胞を生体内で標識し、分化ニューロン-神経幹細胞間の接触動態およびシグナルの伝達経路について解析を行い、細胞間シグナルの制御に関わる分子メカニズムと細胞分化のタイミングへの影響を明らかにした。また大脳皮質の異なる神経細胞サブタイプの時空間的な分化と配置パターンを決定する外因性機構を明らかにするために、誘導型Cre組み換え酵素のノックインマウスとタモキシフェン投与により同じタイミングで生み出される層特異的サブタイプのニューロンを標識し、脳スライスおよびin vitro培養モデルを用いたタイムラプスイメージングによる可視化により、同一時間に生み出される神経前駆細胞の時空間的動態を制御する分子群を新たに同定した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度はCOVID-19の影響によりマスク不足による動物室への入室制限、また共同研究の遅延が生じた。その他の実験については概ね予定通りに遂行された。

Strategy for Future Research Activity

これまで発生時計における深層ニューロンから上層ニューロンへの分化切り換え時期に変動する遺伝子とその伝達機構について解析を進め、大脳皮質における転写因子の相互作用とその局在が大脳皮質幹細胞の産生プログラムの移行を制御することを明らかにしてきた。最終年度である本年度はこれまでに確立した時期特異的産生細胞の標識システムを用い、領野特異的大脳皮質ニューロンの遺伝学的標識および培養により、レポーター標識細胞のダイナミクスについてin vitroおよびin vivoの解析を行い、大脳皮質神経回路構築における発生時計の空間的制御の実体について明らかにする。具体的には培養下における領野特異的マーカーの発現と形態解析、また発生期における領野間の特性が獲得されるタイミングを明らかにするために、異なる時期に各領域から単離されたレポーター陽性細胞の単一細胞トランスクリプトームから得られた分子群を生体マウスに導入し、経時的に変化する場の情報が大脳皮質ニューロンの動態にもたらす影響とその分子機序を明らかにすることで、脳形成における時間コードの全貌を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Freiburg(ドイツ)
• [Journal Article] Transcription and Beyond: Delineating FOXG1 Function in Cortical Development and Disorders (2020)
  • Author(s): Hou Pei-Shan、hAilin Darren O、Vogel Tanja、Hanashima Carina
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 14 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3389/fncel.2020.00035
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sensory cortex wiring requires preselection of short- and long-range projection neurons through an Egr-Foxg1-COUP-TFI network (2019)
  • Author(s): Hou Pei-Shan、Miyoshi Goichi、Hanashima Carina
  • Journal Title: NATURE COMMUNICATIONS Volume: 10 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11043-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RECK in Neural Precursor Cells Plays a Critical Role in Mouse Forebrain Angiogenesis (2019)
  • Author(s): Li Huiping、Miki Takao、Almeida Glicia Maria de、Hanashima Carina、Matsuzaki Tomoko、Kuo Calvin J.、Watanabe Naoki、Noda Makoto
  • Journal Title: iScience Volume: 19 Pages: 559-571
  • DOI: 10.1016/j.isci.2019.08.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diencephalic progenitors contribute to the posterior septum through rostral migration along the hippocampal axonal pathway (2018)
  • Author(s): Watanabe Keisuke、Irie Koichiro、Hanashima Carina、Takebayashi Hirohide、Sato Noboru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 11728-11728
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30020-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evolutionary conservation and conversion of Foxg1 function in brain development (2017)
  • Author(s): Kumamoto Takuma、Hanashima Carina
  • Journal Title: Development, Growth & Differentiation Volume: 59 Pages: 258-269
  • DOI: 10.1111/dgd.12367
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Sensitive and Versatile In Situ Hybridization Protocol for Gene Expression Analysis in Developing Amniote Brains (2017)
  • Author(s): Hou Pei-Shan、Kumamoto Takuma、Hanashima Carina
  • Journal Title: Methods Mol Biol Volume: 1650 Pages: 319-334
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-7216-6_22
• [Journal Article] A Sensitive and Versatile In Situ Hybridization Protocol for Gene Expression Analysis in Developing Amniote Brains (2017)
  • Author(s): Hou Pei-Shan、Kumamoto Takuma、Hanashima Carina
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 印刷中
• [Journal Article] 大脳皮質層ニューロンの分化と統合メカニズム (2016)
  • Author(s): 當麻憲一, 花嶋かりな
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 68 Pages: 19-23
• [Presentation] 脳梁膨大後部皮質特有の神経回路構築を担う分子機構の解析 (2019)
  • Author(s): 白坂みさの, 藤本真里奈, 花嶋かりな
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 細胞間相互作用を介した大脳皮質領野形成機構の解析 (2019)
  • Author(s): 飯塚 瑠伊, 侯 珮珊、西山 千尋, 花嶋 かりな
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 大脳皮質領野形成における放射状グリア細胞の役割 (2019)
  • Author(s): 入江 浩一郎, 西山 千尋, 花嶋 かりな
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 細胞間相互作用を介した大脳皮質領野形成機構の解析 (2019)
  • Author(s): 飯塚 瑠伊, 侯 珮珊、西山 千尋, 花嶋 かりな
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会 Neuro2019
• [Presentation] 大脳皮質領野形成における放射状グリア細胞の役割 (2019)
  • Author(s): 入江 浩一郎, 西山 千尋, 花嶋 かりな
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会 Neuro2019
• [Presentation] Mechanisms of neuronal subtype specification and integration in the cerebral cortex (2019)
  • Author(s): Carina Hanashima
  • Organizer: IBRO 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanisms of neuronal subtype specification and integration in the cerebral cortex (2019)
  • Author(s): Carina Hanashima
  • Organizer: Baikal Neuroscience Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Preselection of long- and short-range projection neurons through reciprocal Foxg1 and COUP-TFI actions establish the sensory cortical circuit (2019)
  • Author(s): 侯 珮珊, 花嶋 かりな
  • Organizer: 52nd Annual Meeting of JSDB
• [Presentation] Neuronal subtype transitions and integration in the cerebral cortex. (2018)
  • Author(s): Hanashima, C.
  • Organizer: Gordon Research Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transcriptional control of fate specification and circuit specialization in the neocortex. (2018)
  • Author(s): Hanashima, C.
  • Organizer: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Invited
• [Presentation] Peishan Hou, Carina Hanashima (2018)
  • Author(s): Transcriptional mechanisms underlying the establishment of sensory areas
  • Organizer: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Roles of radial glia in the assembly of cortical areas (2018)
  • Author(s): Irie, K., Nishiyama, C., Hanashima, C.
  • Organizer: MBSJ 2018 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Retrosplenial cortex の層構造とニューロンサブタイプについての解析 (2018)
  • Author(s): 藤本 真里奈 , 小田 地人 , 花嶋 かりな
  • Organizer: MBSJ 2018 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Mechanisms that establish boundary between motor and somatosensory areas of the neocortex (2018)
  • Author(s): Iizuka, R., Hou, P.S., Nishiyama, C., Hanashima, C.
  • Organizer: MBSJ 2018 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Regulation of apical dendritic patterning of neocortical pyramidal neurons (2018)
  • Author(s): Gonda, Y., Seki, T., Hanashima, C.
  • Organizer: ISDN 2018 The 22nd Biennial International Society for Developmental Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transcriptional mechanisms underlying the establishment of sensory areas (2018)
  • Author(s): Hou, P.S., Hanashima, C.
  • Organizer: ISDN 2018 The 22nd Biennial International Society for Developmental Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 時空間制御による大脳皮質ニューロン産生のメカニズム (2018)
  • Author(s): 花嶋かりな
  • Organizer: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Invited
• [Presentation] The Role of Foxg1 in the Development of Neocortex (2017)
  • Author(s): Hanashima, C.
  • Organizer: International Symposium and Conference on Congenital Anomaly and Developmental Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms of neuronal subtype transitions and integration in the cerebral cortex (2017)
  • Author(s): Hanashima, C.
  • Organizer: Janelia Conference 2017 ‘Control of Neuronal Identity II’
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transcriptional mechanisms underlying the establishment of sensory areas (2017)
  • Author(s): Hou, P.S., Hanashima, C.
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト
• [Presentation] Mechanisms that balance neuronal subtype production in the developing neocortex (2017)
  • Author(s): Toma, K. Hanashima, C.
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Mechanisms that balance neuronal subtype production in the developing neocortex (2016)
  • Author(s): Toma, K. Hanashima, C.
  • Organizer: Neuroscience 2016, SfN’s 46th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal dynamics of laminar subtype neuron differentiation in developing mouse neocortex (2016)
  • Author(s): Hou, P.S. Hanashima, C.
  • Organizer: Neuroscience 2016, SfN’s 46th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Establishing neuronal identity in the cerebral cortex (2016)
  • Author(s): Hanashima, C.
  • Organizer: Volga Neuroscience Meeting 2016 ‘Molecular Neuroscience’
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanisms that establish cell fate in the cerebral cortex (2016)
  • Author(s): Hanashima, C.
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会
• [Remarks] Hanashima Lab homepage
  • URL: https://hanashima-lab.wixsite.com/waseda
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: https://hanashima-lab.wixsite.com/waseda
• [Remarks] 花嶋研究室HP
  • URL: https://hanashima-lab.wixsite.com/waseda