Model construction and theorization of intercell interactions

• Project Area: Integrated analysis and regulation of cellular diversity
• Project/Area Number: 17H06330
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 川崎 秀二 岩手大学, 理工学部, 准教授 (10282922)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 富田 浩史 岩手大学, 理工学部, 教授 (40302088) ; 菅野 江里子 岩手大学, 理工学部, 准教授 (70375210)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥79,560,000 (Direct Cost: ¥61,200,000、Indirect Cost: ¥18,360,000); Fiscal Year 2021: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2020: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2019: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2018: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2017: ¥21,320,000 (Direct Cost: ¥16,400,000、Indirect Cost: ¥4,920,000)
• Keywords: 遺伝子発現量 / 卵巣がん / 多変量解析 / 遺伝子発現パターン相図 / 一細胞解析 / TGF-beta / 主成分分析 / 局所相関 / 擬似時間 / 卵巣癌 / 主成分固有値 / がん / 遺伝子 / 細胞クラスタ間相互作用 / 数理モデル / クラスタリング / 連鎖関係 / 分子経路ネットワーク / 確率モデル / 相転移 / 弾性と塑性 / 細胞分化スイッチング

Outline of Annual Research Achievements

2020年度は、卵巣がん遺伝子発現量の１細胞解析データからのがん増殖メカニズムの解析について、以下の事を行った．遺伝子発現量ベクトル群に対しある２つの特性量をとり、それらの値をそれぞれ横軸、縦軸とする図をプロットすると、約13000種の遺伝子全てについてプロットした結果は２次元の発現量パターン図を呈する事が分かった。そこで、予備的考察から主な内容の１つと考えていた TGF-beta に関連する挙動をパターン図から読み取る作業の第１段階的部分を実施した．
そのパターン図で、ある遺伝子を基点として発現の進行過程が複数本のチャネルとして現れており、これがそれぞれの遺伝子経路に対応していると考えている．各チャネルは系の前半の過程では TGF-betaに向かって緩やかに伸びていき、やがてTGF-betaに至って、これの強い亢進を促すに至る．そして、その後の後半の過程では、TGF-betaと連関している遺伝子群が急激な亢進を見せており、これがTGF-betaの二面性としてのがん促進作用が急激に作用する様子が下流過程に沿って現れていると考えている．
また、遺伝的に失明を来すラット（RCSラット）に当研究室で開発したオプトジェネティクス遺伝子（mVChR1)を導入することによって、視機能を回復できることが明らかとなっている。昨年度、NGS解析により網羅的に遺伝子発現を調べた結果、mVChR1遺伝子導入群で、失明した網膜で発現が低下するレチナール関連酵素群の再活性化が見られ、これらがmVChR1の機能発現に重要な役割を担っていることを見出した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ようやく大まかな方向性が見えてきたのは良かったが、まだ１つの完全な成果へ至るべく取り組み中である．

また、mVChR1の機能発現に関わる分子の供給元を特定し、高度な視覚を創出するための新規遺伝子の開発に成功した部分については、概ね順調に進展していると考えている．

Strategy for Future Research Activity

今後は、上記の遺伝子発現量の特性パターン図から発現メカニズムを読み取っていく作業を続けていく．主な内容である TGF-betaの発現の前後での、上流過程および下流過程それぞれについて、遺伝子発現の流れとそこに関わる遺伝子について明らかにしていく．
また、高機能化したmVChR1を導入し、変動遺伝子の発現が変化するかを検証するとともに、遺伝子改変動物を作製し、網膜変性保護効果を調べる．

Research Products

• [Journal Article] Data on mitochondrial ultrastructure of photoreceptors in pig, rabbit, and mouse retinas (2021)
  • Author(s): Ozaki Taku、Utsumi Shinto、Iwamoto Takeshi、Tanaka Makoto、Tomita Hiroshi、Sugano Eriko、Ishiyama Eri、Ishida Kinji
  • Journal Title: Data in Brief Volume: 24 Pages: 105544-105544
  • DOI: 10.1016/j.dib.2020.105544
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Combinatorial expression of cell cycle regulators is more suitable for immortalization than oncogenic methods in dermal papilla cells (2021)
  • Author(s): Fukuda Tomokazu、Furuya Kai、Takahashi Kouhei、Orimoto Ai、Sugano Eriko、Tomita Hiroshi、Kashiwagi Sayo、Kiyono Tohru、Ishii Tsuyoshi
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Pages: 101929-101929
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101929
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of mitochondrial calpain-5 (2021)
  • Author(s): Chukai Yusaku、Iwamoto Takeshi、Itoh Ken、Tomita Hiroshi、Ozaki Taku
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research Volume: 1868 Pages: 118989-118989
  • DOI: 10.1016/j.bbamcr.2021.118989
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optogenetics-Mediated Gene Therapy for Retinal Diseases (2021)
  • Author(s): Tomita Hiroshi、Sugano Eriko
  • Journal Title: Adv Exp Med Biol. Volume: 1293 Pages: 535-43
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_37
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Presence of ES1 homolog in the mitochondrial intermembrane space of porcine retinal cells (2020)
  • Author(s): Utsumi Shinto、Sakamoto Kimitoshi、Yamashita Tetsuro、Tomita Hiroshi、Sugano Eriko、Ishida Kinji、Ishiyama Eri、Ozaki Taku
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun. Volume: 524 Pages: 542-48
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.01.127
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Geranylgeranyl acetone prevents glutamate-induced cell death in HT-22?cells by increasing mitochondrial membrane potential (2020)
  • Author(s): Sugano Eriko、Endo Yuka、Sugai Akihisa、Kikuchi Yuki、Tabata Kitako、Ozaki Taku、Kurose Takahiro、Takai Yoshihiro、Mitsuguchi Yoko、Honma Yoichi、Tomita Hiroshi
  • Journal Title: European Journal of Pharmacology Volume: 883 Pages: 173193-173193
  • DOI: 10.1016/j.ejphar.2020.173193
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mathematical Analysis of Gefitinib Resistance Caused by MET Amplification (2019)
  • Author(s): T. Ito, Y. Kumagai, K. Itano, T. Maruyama, K. Tamura, S. Kawasaki, T. Suzuki and Y. Murakami
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Comm. Volume: 9:511(3) Pages: 544-550
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Human-Derived Corneal Epithelial Cells Expressing Cell Cycle Regulators as a New Resource for in vitro Ocular Toxicity Testing (2019)
  • Author(s): Fukuda T, Gouko R, Eitsuka T, Suzuki R, Takahashi K, Nakagawa K, Sugano E1 Tomita H, Kiyono
  • Journal Title: Front Genet. Volume: 10 Pages: 587-587
  • DOI: 10.3389/fgene.2019.00587
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neuroprotective effect of a dietary supplement against glutamate-induced excitotoxicity in retina (2019)
  • Author(s): Kurose T, Sugano E, Sugai A, Shiraiwa R, Kato M, Mitsuguchi Y, Takai Y, Tabata K, Honma Y, Tomita H
  • Journal Title: Int J Ophthalmol. Volume: 12 Pages: 1231-1237
  • DOI: 10.18240/ijo.2019.08.01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Overexpression of acid-Ceramidase (ASAH1) Protects Retinal Cells (ARPE19) from Oxidative Stress (2019)
  • Author(s): Sugano E, Edwards G, Saha S, Wilmott LA, Grambergs RC, Mondal K, Qi H, Stiles M, Tomita H, Manda N
  • Journal Title: J. Lipid Res. Volume: 60(1) Pages: 30-43
  • DOI: 10.1194/jlr.m082198
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] N-methyl-N-nitrosourea-induced photoreceptor degeneration is inhibited by nicotinamide via the blockade of upstream events before the phosphorylation of signaling proteins. (2019)
  • Author(s): Sugano E, Tabata K, Takezawa T, Shiraiwa R, Muraoka H, Metoki T, Kudo A, Nakazawa M, Tomita H, Iwama Y
  • Journal Title: Biomed Res Int. Volume: 2019 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1155/2019/3238719
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Natronomonas pharaonis halorhodopsin Ser81 plays a role in maintaining chloride ions near the Schiff base (2019)
  • Author(s): Sakajiri Yuko、Sugano Eriko、Watanabe Yoshito、Sakajiri Tetsuya、Tabata Kitako、Kikuchi Takeshi、Tomita Hiroshi
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 503 Pages: 2326-2332
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.06.156
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Data analytic study of the homothermal maintenance mechanism of Skunk Cabbage : Capturing pre-equilibrium characteristics using extended poisson model (2018)
  • Author(s): Kawasaki S, Ito K
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 15 Issue: 0 Pages: 235-250
  • DOI: 10.2142/biophysico.15.0_235
  • NAID: 130007506150
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mathematical modeling and analysis of ErbB3 and EGFR dimerization process for the gefitinib resistance (2018)
  • Author(s): Itano Keiko, Ito Takeshi, Kawasaki Shuji, Murakami Yoshinori, Suzuki Takashi
  • Journal Title: JSIAM Letters Volume: 10 Issue: 0 Pages: 33-36
  • DOI: 10.14495/jsiaml.10.33
  • NAID: 130007431148
  • ISSN: 1883-0609, 1883-0617
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The poly-cistronic expression of four transcriptional factors (CRX, RAX, NEURO-D, OTX2) in fibroblasts via retro- or lentivirus causes partial reprogramming into photoreceptor cells (2018)
  • Author(s): Fukuda T, Ishizawa Y, Donai K, Sugano E, Tomita H.
  • Journal Title: Cell Biol. Int. Volume: - Pages: 608-614
  • DOI: 10.1002/cbin.10942
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Kinetic profiles of photocurrents in cells expressing two types of channelrhodopsin genes. (2018)
  • Author(s): Watanabe Y, Sugano E, Tabata K, Ozaki T, Saito T, Tamai M, Tomita H.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 12;496(3) Pages: 814-819
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.01.149
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 遺伝子治療による視覚再生技術とその視覚持続性 (2021)
  • Author(s): 冨田 浩史
  • Organizer: 第64回数理医学研究会
  • Invited
• [Presentation] 私の研究紹介 (2020)
  • Author(s): 川崎秀二
  • Organizer: 細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御 領域シンポジウム
• [Presentation] 視覚再生後の網膜、視覚野の機能変化 (2020)
  • Author(s): 菅野江里子、冨田浩史、田端希多子
  • Organizer: 細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御 領域シンポジウム
• [Presentation] 卵巣がん遺伝子発現量データの主成分に基づく遺伝子ネットワーク解析 (2020)
  • Author(s): S. Kawasaki
  • Organizer: 細胞ダイバース第５回公開シンポジウム
• [Presentation] Testing the Limit Cycle Behavior in Homothermal Maintenance of Skunk Cabbage (2019)
  • Author(s): E. Turtgtokh and S. Kawasaki
  • Organizer: Int. Conf. Appl. Phys. Math.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On the Limit Cycle Behavior in Homothermal Maintenance of Skunk Cabbage (2019)
  • Author(s): E. Turtgtokh and S. Kawasaki
  • Organizer: 日本応用数理学会年会
• [Presentation] 卵巣がん遺伝子発現量ベクトルにおけるEMT関連主成分と近接する他遺伝子群の抽出について (2019)
  • Author(s): S. Kawasaki
  • Organizer: 細胞ダイバース第4回公開シンポジウム
• [Presentation] Gene Therapy using our developed mVChR1 gene for Retinitis Pigmentosa (2019)
  • Author(s): E. Sugano
  • Organizer: 第123m回日本眼科学会総会International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 視覚再生のための遺伝子治療 (2019)
  • Author(s): 冨田浩史、田端希多子、菅野江里子
  • Organizer: 第123m回日本眼科学会総会
  • Invited
• [Presentation] 遺伝子治療による視覚再建 (2019)
  • Author(s): 冨田浩史、田端希多子、菅野江里子
  • Organizer: 第354回岩手県眼科医会
  • Invited
• [Presentation] 視覚再建のための遺伝子治療ー臨床試験に向けて (2019)
  • Author(s): 冨田浩史、田端希多子、菅野江里子
  • Organizer: 群馬県網膜色素変性症協会（JRPS群馬）記念医療講演会
  • Invited
• [Presentation] 視覚経路の再建により誘導される神経栄養因子の網羅的解析 (2019)
  • Author(s): 冨田浩史、田端希多子、菅野江里子
  • Organizer: 細胞ダイバース第５回公開シンポジウム
• [Presentation] 新規ステップ機能型チャネルロドプシンの特性解析 (2019)
  • Author(s): 渡邊義人、アリアルアシーらるび、菅野江里子、冨田浩史
  • Organizer: 日本動物学会東北支部会
• [Presentation] 認知症モデルラットに対する保護薬の効果検討 (2019)
  • Author(s): 熊谷俊哉, 田端希多子, 菅野江里子, 冨田浩史
  • Organizer: 日本動物学会東北支部会
• [Presentation] マーモセット自閉症モデル大脳皮質樹状突起スパインのin vivo２光子顕微鏡観察 (2019)
  • Author(s): 野口 潤、渡辺 恵、三嶋 晶、中垣 慶子、磯田 李紗、境 和久、菅野 江里子、冨田 浩史、渡我部 昭哉、山森 哲雄、水上 浩、一戸 紀孝
  • Organizer: 第４２回日本分子生物学会
• [Presentation] 遺伝子治療による視機能再建 (2019)
  • Author(s): 冨田浩史、田端希多子, 菅野江里子
  • Organizer: 日本眼薬理学会
• [Presentation] 神経細胞の再活性化によるRNAパターンの網羅的解析 (2019)
  • Author(s): 菅野江里子,田端希多子,熊谷俊哉,冨田浩史
  • Organizer: 細胞ダイバース第５回公開シンポジウム
• [Presentation] On the Chaotic Dynamics in Homothermal Maintenance of Skunk Cabbage (2018)
  • Author(s): E. Turtogtokh and S. Kawasaki
  • Organizer: 日本応用数理学会年会
• [Presentation] ザゼンソウ温度制御メカニズムのデータ解析的考察 (2018)
  • Author(s): 川崎秀二、梅川結、伊藤菊一
  • Organizer: RIMS共同研究「数理農学の基盤作りに向けて」
• [Book] ダイレクトリプログラミング--再生医療の新展開（分担執筆） (2020)
  • Author(s): 川崎秀二、林寛敦、冨永陽子
  • Total Pages: 270
  • Publisher: NTS出版
  • ISBN: 9784860436711
• [Remarks] 岩手大学 視覚神経科学研究室
  • URL: http://web.cc.iwate-u.ac.jp/~htomita/vis-neurosci/
• [Remarks] 失明者の視覚再建
  • URL: https://www.crieto.hosp.tohoku.ac.jp/seedlist/seed23.html
• [Remarks] 「生物・細胞」をソフトウェア制御する「再生医療」に着手
  • URL: https://www.jig-saw.com/news/20161226/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 改変チャネルロドプシン (2020)
  • Inventor(s): 冨田浩史、菅野江里子
  • Industrial Property Rights Holder: 冨田浩史、菅野江里子
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 改変光受容クロライドチャネル (2020)
  • Inventor(s): 冨田浩史、菅野江里子
  • Industrial Property Rights Holder: 冨田浩史、菅野江里子
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 改変チャネルロドプシン (2020)
  • Inventor(s): 冨田浩史、菅野江里子
  • Industrial Property Rights Holder: 岩手大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020
• [Patent(Industrial Property Rights)] 改変光受容クロライドチャネル (2020)
  • Inventor(s): 冨田浩史、菅野江里子
  • Industrial Property Rights Holder: 岩手大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020