Analysis of neural stem cell regulatory mechanisms using a novel light manipulation system

• Project/Area Number: 20K06667
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44020:Developmental biology-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Yamada Mayumi 京都大学, 医生物学研究所, 特定准教授 (50583457)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 神経幹細胞 / 光操作 / ニューロン分化 / 転写因子 / 遺伝子発現 / 細胞増殖 / RNA-seq解析 / 分化運命決定因子 / RNAシークエンス解析 / 遺伝子ネットワーク / 光遺伝学 / 細胞分化 / Tetシステム / 神経発生 / RNAシークエンス / RNA-seq / ニューロン

Outline of Research at the Start

光作動性Tetシステムを用いて、培養神経幹細胞において、分化運命決定因子Ascl1のダイナミックな発現を人工的に光制御し、神経幹細胞の増殖およびニューロン分化過程におけるAscl1のターゲット因子を探索する。さらに、光作動性Tetシステムを用いてAscl1やそのターゲット因子の発現を体系的に光操作し、これらの因子がどのように協調的に機能して、ニューロン分化のタイミングを制御しているのかを解析する。さらに、脳組織中においてもニューロン分化運命決定因子群の発現の光照射を試みる。これらの解析は、ヒトの神経変性疾患・神経障害の治療や、再生医学に適応するための新規戦略の開発に繋がると期待される。

Outline of Final Research Achievements

During cell proliferation and differentiation of neural stem cells, it has become clear that a group of genes that control differentiation fate exhibit dynamic expression changes, such as oscillatory expression, suggesting that they play an important role in controlling the accuracy and timing of cell proliferation and differentiation. In this study, I have improved the photo-activatable Tet system and established a system to artificially regulate gene expression in neural stem cells. Furthermore, I used such as light manipulation technique to optically control the expression of Ascl1, a differentiation fate determinant in neural stem cells and used RNA sequencing analysis to search for downstream genes of Ascl1 during neural stem cell proliferation and neuronal differentiation, and to analyze their expressions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

個々の遺伝子が示すダイナミックな発現変動の機能的意義が明らかになれば、神経幹細胞を対象とした再生医療の発展が期待される。しかし、これまでに報告されている既存の遺伝子発現操作技術では、分化運命決定因子が示す数時間周期の発現変動の機能的意義を検証することは不可能であった。本研究で改良した光作動性Tetシステムは優れた時空間分解能をもって遺伝子発現ダイナミクスを人工的に制御することができる。そのため、本研究の解析は神経幹細胞の制御メカニズムの解明だけではなく、ヒトの神経変性疾患・神経障害の治療や、再生医学に適応するための新規戦略の開発に繋がると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Enhancement of Vivid-based photo-activatable Gal4 transcription factor in mammalian cells (2023)
  • Author(s): Nagasaki, S.C., Fukuda, T.D., Yamada, M., Suzuki, Y.I., Kakutani, R., Guy, A.T. and *Imayoshi, I.
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 48 Issue: 1 Pages: 31-47
  • DOI: 10.1247/csf.22074
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Functional rejuvenation of aged neural stem cells by Plagl2 and anti-Dyrk1a activity (2022)
  • Author(s): Kaise Takashi、Fukui Masahiro、Sueda Risa、Piao Wenhui、Yamada Mayumi、Kobayashi Taeko、Imayoshi Itaru、Kageyama Ryoichiro
  • Journal Title: Genes & Development Volume: 36 Issue: 1-2 Pages: 23-37
  • DOI: 10.1101/gad.349000.121
  • NAID: 120007185924
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Separate optogenetic manipulation of Nerve/glial antigen 2 (NG2) glia and mural cells using the NG2 promoter. (2022)
  • Author(s): Oishi M, Stefan P, Yamazaki Y, Unekawa M, Adachi R, Yamada M, Imayoshi I, Abe Y, Steinhauser C, Tanaka KF
  • Journal Title: Glia Volume: 71 Issue: 2 Pages: 317-333
  • DOI: 10.1002/glia.24273
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cell cycle arrest determines adult neural stem cell ontogeny by an embryonic Notch-nonoscillatory Hey1 module (2021)
  • Author(s): Harada Yujin、Yamada Mayumi、Imayoshi Itaru、Kageyama Ryoichiro、Suzuki Yutaka、Kuniya Takaaki、Furutachi Shohei、Kawaguchi Daichi、Gotoh Yukiko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 6562-6562
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26605-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Optimized Preparation Method for Long ssDNA Donors to Facilitate Quick Knock-In Mouse Generation (2021)
  • Author(s): Inoue Yukiko U.、Morimoto Yuki、Yamada Mayumi、Kaneko Ryosuke、Shimaoka Kazumi、Oki Shinji、Hotta Mayuko、Asami Junko、Koike Eriko、Hori Kei、Hoshino Mikio、Imayoshi Itaru、Inoue Takayoshi
  • Journal Title: Cells Volume: 10 Issue: 5 Pages: 1076-1076
  • DOI: 10.3390/cells10051076
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optimization of light-inducible Gal4/UAS gene expression system in mammalian cells (2020)
  • Author(s): Yamada M., Nagasaki C. S., Suzuki Y., Imayoshi I.
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Issue: 9 Pages: 101506-101506
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101506
  • NAID: 120006884197
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Light-mediated Control of Gene Expression in Mammalian Cells. (2020)
  • Author(s): Yamada M, Nagasaki C. S, Ozawa T, Imayoshi I.
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 152 Pages: 66-77
  • DOI: 10.1016/j.neures.2019.12.018
  • NAID: 120006888020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Down syndrome cell adhesion molecule like-1 (DSCAML1) links the GABA system and seizure susceptibility. (2020)
  • Author(s): Hayase Y, Amano S, Hashizume K, Tominaga T, Miyamoto H, Kanno Y, Ueno-Inoue Y, Inoue T, Yamada M, Ogata S, Balan S, Hayashi K, Miura Y, Tokudome K, Ohno Y, Nishijo T, Momiyama T, Yanagawa Y, Takizawa A, Mashimo T, Serikawa T, Sekine A, Nakagawa E, Takeshita E, Yoshikawa T, Waga C, Inoue K, Goto YI, Nabeshima Y, et al.
  • Journal Title: Acta Neuropathol Commun. Volume: 8 Issue: 1 Pages: 206-206
  • DOI: 10.1186/s40478-020-01082-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 光操作技術とNGS解析を用いた、神経幹細胞の制御メカニズムの解明 (2022)
  • Author(s): 山田真弓
  • Organizer: 第18回成体脳新生ニューロン懇談会
• [Presentation] 遺伝子発現の光操作技術の開発と応用 (2022)
  • Author(s): 山田真弓
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] 光操作技術を用いた神経幹細胞の制御メカニズムの解析 (2022)
  • Author(s): 山田真弓、長崎真治、Seongchun Yang、今吉格
  • Organizer: Neuro2022
• [Presentation] 「青色光」による遺伝子スイッチの制御 (2021)
  • Author(s): 山田真弓
  • Organizer: バイオインダストリー協会“未来へのバイオ技術”勉強会
  • Invited
• [Presentation] Analysis of neural stem cell regulatory mechanisms using optogenetics (2021)
  • Author(s): Mayumi Yamada, Itaru Imayoshi
  • Organizer: 第１6回生命医科学研究所ネットワーク国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamic transcriptional regulation of neural stem cells by bHLH factors (2020)
  • Author(s): 山田真弓
  • Organizer: 第63回日本神経化学会大会
  • Invited
• [Remarks] researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/myamada