Identification and characterization of brain disorder-related singularity cells by whole-brain imaging

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 18H05416
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 橋本 均 大阪大学, 薬学研究科, 教授 (30240849)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中澤 敬信 東京農業大学, 生命科学部, 教授 (00447335)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥128,960,000 (Direct Cost: ¥99,200,000、Indirect Cost: ¥29,760,000); Fiscal Year 2022: ¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000); Fiscal Year 2021: ¥26,910,000 (Direct Cost: ¥20,700,000、Indirect Cost: ¥6,210,000); Fiscal Year 2020: ¥25,480,000 (Direct Cost: ¥19,600,000、Indirect Cost: ¥5,880,000); Fiscal Year 2019: ¥24,050,000 (Direct Cost: ¥18,500,000、Indirect Cost: ¥5,550,000); Fiscal Year 2018: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
• Keywords: シンギュラリティ細胞 / シンギュラリティ現象 / 脳疾患 / 高精細組織全細胞イメージング / ビッグデータ解析 / シンギュラリティ / 精神疾患 / 全脳 / イメージング / iPS

Outline of Annual Research Achievements

精神疾患等の脳疾患は、少数の細胞群の活動異常の蓄積に環境要因等が加わるという、シンギュラリティ現象の破綻により引き起こされる可能性が考えられるが、少数の細胞群の機能異常がどのように脳の広い領域に影響をあたえ、個体の精神活動を変化させるのかは不明である。これらの課題に取り組むため、本年度は以下の研究を実施した。
１）疾患モデルマウスのシンギュラリティ細胞の特性解析
これまでに見出した脳疾患モデルマウスのヒト脳疾患と関連するシンギュラリティ(候補）細胞の特性を詳細に解析するため、蛍光タンパク質の輝度や神経活動の活性化のタイムコースを指標に、細胞を分取し、シングル細胞のRNA発現解析を実施した。その結果、複数の遺伝子発現パターンにより、周囲の細胞と区別できることを明らかにした。また、本課題で用いている脳疾患モデルマウスに関連する脳疾患患者由来のiPS細胞から分化させた神経細胞を用いたトランスクリプトーム解析により、神経発達段階における遺伝子発現に異常があること、また同細胞における電気生理学的な解析により、シナプス機能に異常をあることが明らかになった。
２）複数時点や複数神経細胞種の神経活動レポーターマウス等の開発
全脳イメージングシステムFASTの高速性と高分解能の両立を目指しており、改良を継続中である。シンギュラリティ現象の解析のためには、さらに、複数神経細胞種を同時にイメージングする技術や活動の履歴に依存する神経細胞の脳機能変化を経時的に捉える時間分解能が必要である。そこで昨年度に引き続き、時間分解能を高めた不安定型蛍光タンパク質、タモキシフェン誘導型Cre組み換え酵素、テトラサイクリン制御性トランス活性化因子tTA等を用いた、レポーターマウスや対応するレポーターウイルスを開発している。今後は、レポーターシステムを完成させ、全脳細胞イメージング法を持ちて機能的な検証を実施する予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、複数の精神疾患モデルマウスの全脳活動マッピングを実施し、シンギュラリティ（候補）細胞を同定し、シングル細胞のオミックス解析から、シンギュラリティ（候補）細胞の分子特性を明らかにできた。

Strategy for Future Research Activity

今後は、脳疾患に関わるシンギュラリティ現象を時空間的に操作・制御し、脳疾患の新規治療法の提案や脳の動作原理の解明を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Pathogenic POGZ mutation causes impaired cortical development and reversible autism-like phenotypes. (2020)
  • Author(s): Matsumura K, Nakazawa T, et al.
  • Journal Title: Nature Commun Volume: 11(1) Pages: 1-16
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14697-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct visualization of an antidepressant analog using surface-enhanced Raman scattering in the brain (2020)
  • Author(s): Masato Tanuma, Atsushi Kasai, Kazuki Bando, Naoyuki Kotoku, Kazuo Harada, Masafumi Minoshima, Kosuke Higashino, Atsushi Kimishima, Masayoshi Arai, Yukio Ago, Kaoru Seiriki, Kazuya Kikuchi, Satoshi Kawata, Katsumasa Fujita, Hitoshi Hashimoto
  • Journal Title: JCI Insight Volume: 5
  • DOI: 10.1172/jci.insight.133348
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activation of the VPAC2 Receptor Impairs Axon Outgrowth and Decreases Dendritic Arborization in Mouse Cortical Neurons by a PKA-Dependent Mechanism (2020)
  • Author(s): Takeuchi Shuto、Kawanai Takuya、Yamauchi Ryosuke、Chen Lu、Miyaoka Tatsunori、Yamada Mei、Asano Satoshi、Hayata-Takano Atsuko、Nakazawa Takanobu、Yano Koji、Horiguchi Naotaka、Nakagawa Shinsaku、Takuma Kazuhiro、Waschek James A.、Hashimoto Hitoshi、Ago Yukio
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 14 Pages: 521-521
  • DOI: 10.3389/fnins.2020.00521
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lipocalin-type prostaglandin D synthase regulates light-induced phase advance of the central circadian rhythm in mice (2020)
  • Author(s): Kawaguchi, C., Shintani, N., Hayata-Takano, A., Hatanaka, M., Kuromi, A., Nakamura, R., Yamano, Y., Shintani, Y., Nagai, K., Tsuchiya, S., Sugimoto, Y., Ichikawa, A., Okuno, Y., Urade, Y., Hirai, H., Nagata, K., Nakamura, M., Narumiya, S., Nakazawa, T., Kasai, A., Ago, Y., Takuma, K., Baba, A., and Hashimoto, H.
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 3 Pages: 557-557
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01281-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autism-associated protein kinase D2 regulates embryonic cortical neuron development. (2019)
  • Author(s): Matsumura K, Nakazawa T, et al.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun. Volume: 519(3) Pages: 626-632
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.09.048
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] mS-11, a mimetic of the mSin3-binding helix in NRSF, ameliorates social interaction deficits in a prenatal valproic acid-induced autism mouse model. (2019)
  • Author(s): Kawase H, Ago Y, Naito M, Higuchi M, Hara Y, Hasebe S, Tsukada S, Kasai A, Nakazawa T, Mishina T, Kouji H, Takuma K, Hashimoto H.
  • Journal Title: Pharmacology Biochemistry and Behavior Volume: 176 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1016/j.pbb.2018.11.003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 脳疾患の病態解析と創薬へ向けたアンバイアス全脳イメージング (2019)
  • Author(s): 橋本均
  • Organizer: 第92回日本薬理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Ｈigh-speed and scalable whole-brain imaging system FAST (2018)
  • Author(s): 橋本均
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
• [Presentation] High-speed and high-resolution whole-brain imaging system FAST (block-face serial microscopy tomography) (2018)
  • Author(s): Hitoshi Hashimoto, Kaoru Seiriki, Atsushi Kasai, Takanobu Nakazawa
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia, Advances in Optical Imaging of Living Cells & Organisms: Focus on the Brain
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole-brain analysis of the NMDA receptor antagonist-induced neuronal activation in mice using high-speed and high-resolution imaging system FAST (block-face serial microscopy tomography) (2018)
  • Author(s): Kaoru Seiriki, Atsushi Kasai, Takanobu Nakazawa, Hitoshi Hashimoto
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia, Advances in Optical Imaging of Living Cells & Organisms: Focus on the Brain
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] iPS細胞関連技術とヒト型疾患モデルマウスを用いた精神疾患の分子病態解析 (2018)
  • Author(s): 中澤敬信、橋本亮太、田熊一敞、橋本均
  • Organizer: 第48回日本神経精神薬理学会年会
  • Invited
• [Remarks] 大阪大学大学院薬学研究科神経薬理学分野ホームページ
  • URL: http://molpharm.umin.jp/