一細胞フェノーム取得技術の大規模並列化に関する基盤的研究

• 研究課題/領域番号: 20K06584
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 大貫 慎輔 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任助教 (80739756)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2022年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: 出芽酵母 / 細胞形態 / iIACS / FACS / CalMorph / Bar-seq / 次世代シーケンサ / 大規模解析 / DNA barcode / DNAバーコード / 顕微鏡画像 / 遺伝子破壊株 / プールド培養液 / シミュレーション / 一細胞フェノーム / 遺伝的相互作用

研究開始時の研究の概要

生命活動は複数の遺伝子が互いに協調し相互作用することで可能となる。出芽酵母では、遺伝的相互作用が1800万株に及ぶ二重遺伝子破壊株の増殖表現型を網羅的に観察することで明らかにされた。本研究では、高次元形態表現型において遺伝的相互作用を明らかにすることが可能な技術の開発を行う。細胞形態の定量は、一株ずつ顕微鏡撮影する必要があったため、スループットが圧倒的に不足している。本研究で提案する新たな形態解析法は、最新のセルソーター技術と次世代シーケンサー技術を組み合わせることで一度に数千株の形態情報を取得可能である。本研究では、提案手法を実現するシステムの実用レベルの実装と、その実用可能性の実証を行う。

研究成果の概要

生命活動は遺伝子が互いに協調し相互作用することで機能している。出芽酵母では、1800万株に及ぶ二重遺伝子破壊株の増殖表現型を観察することで網羅的に遺伝的相互作用のネットワークが明らかにされた。本研究では、高次元形態情報を用いて遺伝的相互作用を徹底的に明らかにすることが可能な技術の開発を行う。本研究が提案する手法は、最新のセルソーター技術と次世代シーケンサー技術を組み合わせて、一度に数千株の形態情報を取得可能にする。本研究では、提案手法を実現するシステムのコンセプトを検証するためにFACSと次世代シーケンサーを組み合わせて実用レベルのシステムを実装し、提案法の実現可能性を実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

増殖表現型が生育機能を反映する一方で、高次元形態表現型は様々な細胞内プロセスを高解像度に反映する。生命活動の実態を遺伝子間の複雑な相互作用からより深く理解するためには、遺伝子間相互作用ネットワークを従来の増殖表現型だけでなく高次元形態表現型に拡張する必要がある。本研究では、そのための基盤的な技術開発の基礎を築いており、複雑な生物学的現象を理解するための足がかりとなる。遺伝子間相互は複雑で予想不可能な遺伝病や有害な薬理作用の源泉となっており、本研究が遺伝子間相互作用ネットワークのより深い理解に貢献することで、原因不明の難病や希少疾患を克服する機会につながることを期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Prediction of ethanol fermentation under stressed conditions using yeast morphological data. (2023)
  • 著者名/発表者名: Itto-Nakama K, Watanabe S, Ohnuki S, Kondo N, Kikuchi R, Nakamura T, Ogasawara W, Kasahara K, Ohya Y.
  • 雑誌名: J Biosci Bioeng. 巻: 135 号: 3 ページ: 210-216
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2022.12.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intelligent sort‐timing prediction for image‐activated cell sorting (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhao Yaqi、Isozaki Akihiro、Herbig Maik、Hayashi Mika、Hiramatsu Kotaro、Yamazaki Sota、Kondo Naoko、Ohnuki Shinsuke、Ohya Yoshikazu、Nitta Nao、Goda Keisuke
  • 雑誌名: Cytometry Part A 巻: 103 号: 1 ページ: 88-97
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24664
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Assignment of unimodal probability distribution models for quantitative morphological phenotyping. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ghanegolmohammadi F, Ohnuki S, Ohya Y.
  • 雑誌名: BMC Biol. 巻: 20 号: 1 ページ: 81-81
  • DOI: 10.1186/s12915-022-01283-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep imaging flow cytometry. (2022)
  • 著者名/発表者名: Huang K, Matsumura H, Zhao Y, Herbig M, Yuan D, Mineharu Y, Harmon J, Findinier J, Yamagishi M, Ohnuki S, Nitta N, Grossman AR, Ohya Y, Mikami H, Isozaki A, Goda K.
  • 雑誌名: Lab Chip. 巻: 22 号: 5 ページ: 876-889
  • DOI: 10.1039/d1lc01043c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-throughput platform for yeast morphological profiling predicts the targets of bioactive compounds (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohnuki, S., Ogawa, I., Itto-Nakama, K., Lu, F., Ranjan, A., Kabbage, M., Gebre, AA., Yamashita, M., Li, SC., Yashiroda, Y., Yoshida, S., Usui, T., Piotrowski, JS., Andrews, BJ., Boone, C., Brown, GW., Ralph, J., Ohya, Y.
  • 雑誌名: npj Systems Biology and Applications 巻: 8 号: 1 ページ: 3-3
  • DOI: 10.1038/s41540-022-00212-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Jerveratrum-Type Steroidal Alkaloids Inhibit β-1,6-Glucan Biosynthesis in Fungal Cell Walls (2022)
  • 著者名/発表者名: Kubo Karen、Itto-Nakama Kaori、Ohnuki Shinsuke、Yashiroda Yoko、Li Sheena C.、Kimura Hiromi、Kawamura Yumi、Shimamoto Yasuhiro、Tominaga Ken-Ichi、Yamanaka Daisuke、Adachi Yoshiyuki、Takashima Shinichiro、Noda Yoichi、Boone Charles、Ohya Yoshikazu
  • 雑誌名: Microbiology Spectrum 巻: 10 号: 1
  • DOI: 10.1128/spectrum.00873-21
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] AI-based forecasting of ethanol fermentation using yeast morphological data. (2021)
  • 著者名/発表者名: Itto-Nakama K, Watanabe S, Kondo N, Ohnuki S, Kikuchi R, Nakamura T, Ogasawara W, Kasahara K, Ohya Y.
  • 雑誌名: Biosci Biotechnol Biochem. 巻: 86 号: 1 ページ: 125-134
  • DOI: 10.1093/bbb/zbab188
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Are droplets really suitable for single-cell analysis? A case study on yeast in droplets. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa Y, Ohnuki S, Kondo N, Itto-Nakama K, Ghanegolmohammadi F, Isozaki A, Ohya Y, Goda K.
  • 雑誌名: Lab Chip. 巻: 21 号: 19 ページ: 3793-3803
  • DOI: 10.1039/d1lc00469g
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Defining Functions of Mannoproteins in Saccharomyces cerevisiae by High-Dimensional Morphological Phenotyping. (2021)
  • 著者名/発表者名: Ghanegolmohammadi F, Okada H, Liu Y, Itto-Nakama K, Ohnuki S, Savchenko A, Bi E, Yoshida S, Ohya Y.
  • 雑誌名: J Fungi (Basel). 巻: 7 号: 9 ページ: 769-769
  • DOI: 10.3390/jof7090769
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Poacic acid, a β-1,3-glucan-binding antifungal agent, inhibits cell-wall remodeling and activates transcriptional responses regulated by the cell-wall integrity and high-osmolarity glycerol pathways in yeast. (2021)
  • 著者名/発表者名: Garcia R, Itto-Nakama K, Rodriguez-Pena JM, Chen X, Sanz AB, de Lorenzo A, Pavon-Verges M, Kubo K, Ohnuki S, Nombela C, Popolo L, Ohya Y, Arroyo J.
  • 雑誌名: FASEB J. 巻: 10 号: 9 ページ: 1299-1299
  • DOI: 10.1096/fj.202100278r
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genome Editing to Generate Sake Yeast Strains with Eight Mutations That Confer Excellent Brewing Characteristics. (2021)
  • 著者名/発表者名: Chadani T, Ohnuki S, Isogai A, Goshima T, Kashima M, Ghanegolmohammadi F, Nishi T, Hirata D, Watanabe D, Kitamoto K, Akao T, Ohya Y.
  • 雑誌名: Cells 巻: 10 号: 6 ページ: 1299-1299
  • DOI: 10.3390/cells10061299
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sequentially addressable dielectrophoretic array for high-throughput sorting of large-volume biological compartments (2020)
  • 著者名/発表者名: A Isozaki, Y Nakagawa, M H Loo, Y Shibata, N Tanaka, D L Setyaningrum, J-W Park, Y Shirasaki, H Mikami, D Huang, H Tsoi, C T Riche, T Ota, H Miwa, Y Kanda, T Ito, K Yamada, O Iwata, K Suzuki, S Ohnuki, Y Ohya, Y Kato, T Hasunuma, S Matsusaka, M Yamagishi, M Yazawa, S Uemura, K Nagasawa, H Watarai, D Di Carlo, K Goda
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 29 号: 22 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1126/sciadv.aba6712
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 6 Virtual-freezing fluorescence imaging flow cytometry. (2020)
  • 著者名/発表者名: Mikami H, Kawaguchi M, Huang CJ, Matsumura H, Sugimura T, Huang K, Lei C, Ueno S, Miura T, Ito T, Nagasawa K, Maeno T, Watarai H, Yamagishi M, Uemura S, Ohnuki S, Ohya Y, Kurokawa H, Matsusaka S, Sun CW, Ozeki Y, Goda K.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 6 号: 1 ページ: 1162-1162
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14929-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intelligent image-activated cell sorting 2.0 (2020)
  • 著者名/発表者名: Isozaki Akihiro, Hiraki Kei, et al.
  • 雑誌名: Lab on a Chip 巻: 1 号: 13 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1039/d0lc00080a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ストレス条件下における細胞形態からエタノール発酵量を予測するAIの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 一刀かおり、渡部峻、大貫慎輔、近藤直子、菊地亮太、中村徹、小笠原渉、笠原堅、大矢禎一
  • 学会等名: 酵母遺伝学フォーラム
• [学会発表] 機械学習を用いた遺伝子機能に共通する形態特徴量の抽出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大貫 慎輔、徐 聴涛、大矢 禎一
  • 学会等名: 酵母遺伝学フォーラム