脳オルガノイドを用いた巨脳症発症メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 20H03646
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分52050:胎児医学および小児成育学関連
• 研究機関: 名古屋市立大学
• 研究代表者: 齋藤 伸治 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 教授 (00281824)
• 研究分担者: 加藤 洋一 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 教授 (10815161) ; 大石 久史 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 教授 (30375513) ; 嶋田 逸誠 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 講師 (40833265) ; 宮 冬樹 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 准教授 (50415311)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2022年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2020年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
• キーワード: 巨脳症 / 脳オルガノイド / 神経発生 / 外側放射状グリア / 神経幹細胞 / オルガノイド / iPS細胞

研究開始時の研究の概要

本研究では巨脳症の発症機序を患者集積、モデルマウスの作成、脳オルガノイド作成により統合的に解析する。患者解析は臨床情報の集積に加えて、パネル解析、生化学的解析、ゲノム解析を用いて総合的に実施する。そして、機能的に巨脳症の分類を目指す。発症メカニズムについてはモデルマウスの作成と解析、および患者由来iPS細胞や遺伝子改変ヒトiPS細胞を用いたオルガノイドの作成と解析を行う。異なった解析系を組み合わせることで統合的な巨脳症発症メカニズムの解析を目指す。

研究成果の概要

巨脳症患者89例を集積し、42例（47.1%）に病因バリアントを同定し、巨脳症レジストリーを構築した。
巨脳症患者変異を導入したMYCN-KIマウスおよびMYCNの機能喪失変異ヘテロ接合性に有するMYCN-hKOマウスを作成した。それぞれ、脳サイズの増大と減少が再現され、ヒト疾患が再現された。
ヒトiPS細胞をゲノム編集し、PNPLA8、MYCN、SZT2に変異を導入した細胞を樹立した。それぞれから脳オルガノイドを分化誘導し、解析を行った。脳サイズとsubventricular zone (SVZ)のサイズおよびSVZに存在する外側放射状グリア（oRG）数が関連することを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

巨脳症の発症メカニズムを患者集積、マウスモデル、脳オルガノイドの組み合わせにより解明した。巨脳症は脳サイズが大きくなり、様々な神経症状を呈する疾患であり、治療法は存在しない。そのメカニズムを解明することで、創薬への基盤を築くことができた。さらに、脳サイズはヒトの進化の理解に重要である。脳発生における外側放射状グリアが脳サイズ決定に重要な役割を果たしていることを明らかにした今回の研究は、ヒト進化の理解への貢献が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] INSERM/CHU Dijon Bourgogne/CHU Rennes(フランス)
• [雑誌論文] Gain-of-function MYCN causes a megalencephaly-polydactyly syndrome manifesting mirror phenotypes of Feingold syndrome (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishio Yosuke、Kato Kohji、Tran Mau-Them Frederic、Futagawa Hiroshi、Quelin Chloe、Masuda Saori、Vitobello Antonio、Otsuji Shiomi、Shawki Hossam H.、Oishi Hisashi、Thauvin-Robinet Christel、Takenouchi Toshiki、Kosaki Kenjiro、Takahashi Yoshiyuki、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Human Genetics and Genomics Advances 巻: 4 号: 4 ページ: 100238-100238
  • DOI: 10.1016/j.xhgg.2023.100238
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three KINSSHIP syndrome patients with mosaic and germline AFF3 variants (2023)
  • 著者名/発表者名: Inoue Yuta、Tsuchida Naomi、Okamoto Nobuhiko、Shuichi Shimakawa、Ohashi Kei、Saitoh Shinji、Ogawa Atsushi、Hamada Keisuke、Sakamoto Masamune、Miyake Noriko、Hamanaka Kohei、Fujita Atsushi、Koshimizu Eriko、Miyatake Satoko、Mizuguchi Takeshi、Ogata Kazuhiro、Uchiyama Yuri、Matsumoto Naomichi
  • 雑誌名: Clinical Genetics 巻: 103 号: 5 ページ: 590-595
  • DOI: 10.1111/cge.14292
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genetic and clinical landscape of childhood cerebellar hypoplasia and atrophy (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto M et al, Saitoh Sは30番目
  • 雑誌名: Genetics in Medicine 巻: 24 号: 12 ページ: 2453-2463
  • DOI: 10.1016/j.gim.2022.08.007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Clinical diversity and molecular mechanism of VPS35L-associated Ritscher-Schinzel syndrome (2022)
  • 著者名/発表者名: Otsuji Shiomi、Nishio Yosuke、Tsujita Maki、Rio Marlene、Huber Celine、Anton-Plagaro Carlos、Mizuno Seiji、Kawano Yoshihiko、Miyatake Satoko、Simon Marleen、van Binsbergen Ellen、van Jaarsveld Richard H、Matsumoto Naomichi、Cormier-Daire Valerie、J.Cullen Peter、Saitoh Shinji、Kato Kohji
  • 雑誌名: Journal of Medical Genetics 巻: 60 号: 4 ページ: 359-367
  • DOI: 10.1136/jmg-2022-108602
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Angelman syndrome with mosaic paternal uniparental disomy suggestive of mitotic nondisjunction (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto Masanori、Nakamura Yuji、Iwaki Toshihiko、Sato Emi、Ieda Daisuke、Hattori Ayako、Shiraki Anna、Mizuno Seiji、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 68 号: 2 ページ: 87-90
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01088-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Whole-exome analysis of 177 pediatric patients with undiagnosed diseases. (2022)
  • 著者名/発表者名: Narita K, Muramatsu H, Narumi S, Nkawa T, Okumura A, et al.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 12(1) 号: 1 ページ: 14589-14589
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14161-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Utility of tissue-specific gene expression scores for gene prioritization in Mendelian diseases (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Daiki、Mitsuhashi Satomi、Miya Fuyuki、Saitoh Shinji、Okamoto Nobuhiko、Tsunoda Tatsuhiko、Kochi Yuta
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 67 号: 12 ページ: 739-742
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01071-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] The iodide transporter Slc26a7 impacts thyroid function more strongly than Slc26a4 in mice. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi N, Suzuki A, Yoshida A, Tanaka T, Aoyama K, Oishi H, Hara Y, Ogi T, Amano I, Kameo S, Koibuchi N, Shibata Y, Ugawa S, Mizuno H, Saitoh S
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 12 号: 1 ページ: 11259-11259
  • DOI: 10.1038/s41598-022-15151-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-term follow-up of a patient with autosomal dominant lower extremity-predominant spinal muscular atrophy-2 due to a BICD2 variant (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kosuke、Ohashi Kei、Fujimoto Masanori、Ieda Daisuke、Nakamura Yuji、Hattori Ayako、Kaname Tadashi、Ieda Kuniko、Nishino Ichizo、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Brain and Development 巻: 44 号: 8 ページ: 578-582
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2022.04.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hemorrhagic shock and encephalopathy syndrome in a patient with a de novo heterozygous variant in KIF1A (2022)
  • 著者名/発表者名: Isobe Kouji、Ieda Daisuke、Miya Fuyuki、Miyachi Rieko、Otsuji Shiomi、Asai Masami、Tsunoda Tatsuhiko、Kosaki Kenjiro、Hattori Ayako、Saitoh Shinji、Mizuno Mihoko
  • 雑誌名: Brain and Development 巻: 44 号: 3 ページ: 249-253
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2021.11.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Four pedigrees with aminoacyl-tRNA synthetase abnormalities (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Nobuhiko、Miya Fuyuki、Tsunoda Tatsuhiko、Kanemura Yonehiro、Saitoh Shinji、Kato Mitsuhiro、Yanagi Kumiko、Kaname Tadashi、Kosaki Kenjiro
  • 雑誌名: Neurological Sciences 巻: 43 号: 4 ページ: 2765-2774
  • DOI: 10.1007/s10072-021-05626-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Utility of breakpoint‐specific nested polymerase chain reaction for the diagnosis of Emanuel syndrome (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayakawa Kozue、Kawase Koya、Fujimoto Masanori、Nakamura Yuji、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Pediatrics International 巻: 63 号: 12 ページ: 1534-1536
  • DOI: 10.1111/ped.14644
  • 査読あり
• [雑誌論文] A case of ATR-X syndrome with mitochondrial respiratory chain dysfunction (2021)
  • 著者名/発表者名: Aiba Kaori、Nakamura Yuji、Sugimoto Mari、Yatsuka Yukiko、Okazaki Yasushi、Murayama Kei、Ohtake Akira、Yokochi Kenji、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: European Journal of Medical Genetics 巻: 64 号: 8 ページ: 104251-104251
  • DOI: 10.1016/j.ejmg.2021.104251
  • 査読あり
• [雑誌論文] SCN8A-related developmental and epileptic encephalopathy with ictal asystole requiring cardiac pacemaker implantation (2021)
  • 著者名/発表者名: Negishi Yutaka、Aoki Yusuke、Itomi Kazuya、Yasuda Kazushi、Taniguchi Hiroaki、Ishida Atsushi、Arakawa Takeshi、Miyamoto Sachiko、Nakashima Mitsuko、Saitsu Hirotomo、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Brain and Development 巻: 43 号: 7 ページ: 804-808
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2021.03.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] <i>Itpr1</i> regulates the formation of anterior eye segment tissues derived from neural crest cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Akira、Ohyama Kaname、Tanimura Susumu、Matsuda Katsuya、Kishino Tatsuya、Negishi Yutaka、Asahina Naoko、Shiraishi Hideaki、Hosoki Kana、Tomiwa Kiyotaka、Ishihara Naoko、Mishima Hiroyuki、Mori Ryoichi、Nakashima Masahiro、Saitoh Shinji、Yoshiura Koh-ichiro
  • 雑誌名: Development 巻: 148 号: 16 ページ: 188755-188755
  • DOI: 10.1242/dev.188755
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Homozygous ADCY5 mutation causes early-onset movement disorder with severe intellectual disability (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Nobuhiko、Miya Fuyuki、Kitai Yukihiro、Tsunoda Tatsuhiko、Kato Mitsuhiro、Saitoh Shinji、Kanemura Yonehiro、Kosaki Kenjiro
  • 雑誌名: Neurological Sciences 巻: - 号: 7 ページ: 2975-2978
  • DOI: 10.1007/s10072-021-05152-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive Genetic Analysis of Non-syndromic Autism Spectrum Disorder in Clinical Settings (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohashi K, Fukuhara S, Miyachi T, Asai T, Imaeda M, Goto M, Kurokawa Y, Anzai T, Tsurusaki Y, Miyake N, Matsumoto N, Yamagata T, Saitoh S
  • 雑誌名: J Autism Dev Disord 巻: なし 号: 12 ページ: 4655-4662
  • DOI: 10.1007/s10803-021-04910-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Peripheral nerves are involved in hypomyelinating leukodystrophy-3 caused by a homozygous AIMP1 variant (2021)
  • 著者名/発表者名: Hori Ikumi、Ieda Daisuke、Ito Shogo、Ebe Seimi、Nakamura Yuji、Ohashi Kei、Aoyama Kohei、Hattori Ayako、Kokubo Minoru、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Brain and Development 巻: 43 号: 4 ページ: 590-595
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2020.12.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A novel missense variant in CUL3 shows altered binding ability to BTB-adaptor proteins leading to diverse phenotypes of CUL3-related disorders (2021)
  • 著者名/発表者名: Kato Kohji、Miya Fuyuki、Oka Yasuyoshi、Mizuno Seiji、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 66 号: 5 ページ: 491-498
  • DOI: 10.1038/s10038-020-00868-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] De novo 2q36.3q37.1 deletion encompassing TRIP12 and NPPC yields distinct phenotypes (2020)
  • 著者名/発表者名: Kondo Yuto、Aoyama Kohei、Suzuki Hisato、Hattori Ayako、Hori Ikumi、Ito Koichi、Yoshida Aya、Koroki Mari、Ueda Kentaro、Kosaki Kenjiro、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Human Genome Variation 巻: 7 号: 1 ページ: 19-19
  • DOI: 10.1038/s41439-020-0107-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prenatal clinical manifestations in individuals with COL4A1/2 variants (2020)
  • 著者名/発表者名: Itai T, Miyatake S, Taguri M, Nakashima M, Saitsu H, Matsumoto N et al.
  • 雑誌名: J Med Genet 巻: 0 号: 8 ページ: 106896-106896
  • DOI: 10.1136/jmedgenet-2020-106896
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Gain-of-function MYCN causes a megalencephaly- polydactyly syndrome manifesting mirror phenotypes of Feingold syndrome. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishio Y, Kato K, Mau-Them Frederic T, Futagawa H, Quelin C, Masuda S, Vitobello A, Otsuji S, Shawki HH, Oishi H, Thauvin-Robinet C, Takenouchi T, Kosaki K, Takahashi Y, Saitoh S.
  • 学会等名: American Society of Human Genetics 2023 meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Gain-of-function MYCN causes a megalencephaly- polydactyly syndrome manifesting mirror phenotypes of Feingold syndrome. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishio Y, Kato K, Mau-Them Frederic T, Futagawa H, Quelin C, Masuda S, Vitobello A, Otsuji S, Shawki HH, Oishi H, Thauvin-Robinet C, Takenouchi T, Kosaki K, Takahashi Y, Saitoh S.
  • 学会等名: Asian Society of Pediatric Research 2023 meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Clinical diversity and molecular mechanism of VPS35L-associated Ritscher-Schinzel syndrome. (2022)
  • 著者名/発表者名: Otsuji S, Nishio Y, Tsujita M, Rio M, Huber C, Anton-Plagaro C, Mizuno S, Kawano Y, Miyatake S, Simon M, van Binsbergen E, van Jaarsveld RH, Matsumoto N, Cormier-Daire V, J Cullen P, Saitoh S, Kato K
  • 学会等名: American Society of Human Genetics Annual Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Biallelic variants in PNPLA8 disrupt cortical gyrification through aberrant mitochondrial dynamics. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Y, Shimada IS, Fujimoto M, Sato E, Ieda D, Hattori A, Miya F, Tsunoda T, Okubo Y, Haginoya K, Koshimizu E, Miyatake S, Matsumoto N, Arioka Y, Ozaki N, Kato Y, Saitoh S.
  • 学会等名: 第64回日本小児神経学会学術集会
• [学会発表] Angelman syndrome with mosaic paternal uniparental disomy caused by mitotic nondisjunction. (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto M, Nakamura Y, Iwaki T, Sato E, Ieda D, Hattori A, Shiraki A, Mizuho S, Saitoh S.
  • 学会等名: American Society of Human Genetics Annual Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] PNPLA8 deficiency induces microcephaly and reduces neurogenesis in a brain organoid model. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Y, Shimada I, Fujimoto M, Sato E, Ieda D, Hattori A, Miya F, Tsunoda T, Okubo Y, Haginoya K, Koshimizu E, Miyatake S, Matsumoto N, Arioka Y, Ozaki N, Kato Y, Saitoh S
  • 学会等名: 第63回日本小児神経学会学術集会
• [学会発表] NAA15遺伝子の変異に伴う重度知的発達症ならびに自閉スペクトラム症の男児の一例. (2021)
  • 著者名/発表者名: 大橋圭、川岡奈緒実、谷合弘子、三宅紀子、松本直通、齋藤伸治
  • 学会等名: 第63回日本小児神経学会学術集会
• [学会発表] ミトコンドリアホスホリパーゼPNPLA8機能喪失は神経系細胞においてミトコンドリアダイナミクス異 常を引き起こす. (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村勇治、嶋田逸誠、加藤洋一、齋藤伸治
  • 学会等名: 第66回日本人類遺伝学会
• [学会発表] VPS35L pathogenic variants cause 3C/Ritscher-Scinzel-like syndrome: Description of two novel cases confirming the pathogenicity and clinical diversity. (2021)
  • 著者名/発表者名: Otsuji S, Kato K, Lequesne CH, Mizuno S, Rio M, Miyatake S, Nishio Y, Matsumoto N, Cormier-Daire V, Saitoh
  • 学会等名: American Society of Human Genetics Virtual Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] MYCN gain-of-function variants induce excess proliferation of neurons and cause a novel megalencephaly syndrome. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Nishio, Kohji Kato, Tran Mau-Them Frederic, Shiomi Otsuji, Chloe Quelin, Hisashi Oishi, Yoshiyuki Takahashi, Shinji Saitoh
  • 学会等名: American Society of Human Genetics Virtual Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Mild Phenotypic features associated with non-truncating UBE3A mutations in Angelman syndrome. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuji Nakamura, Kana Hosoki, Daisuke Ieda, Ikumi Hori, Yutaka Negishi, Ayako Hattori, Shinji Saitoh
  • 学会等名: 第62回日本小児神経学会学術集会
• [学会発表] 当院でエキソーム解析を実施した小児神経疾患症例の臨床的検討. (2020)
  • 著者名/発表者名: 堀いくみ, 宮冬樹, 中島光子, 中村勇治, 家田大輔, 大橋圭, 根岸豊, 服部文子, 安藤直樹, 角田達彦, 才津浩智, 金村米博, 小崎健次郎, 齋藤伸治
  • 学会等名: 第62回日本小児神経学会学術集会
• [学会発表] A novel case with biallelic VPS35L variants confirms VPS35L as a causative gene of 3C/Ritscher-Schinzel-like syndrome. (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiomi Otsuji, Kohji Kato, Seiji Mizuno, Satoko Miyatake, Naomichi Matsumoto, Shinji Saitoh
  • 学会等名: 第65回人類遺伝学会