新規光操作システムを用いた、神経幹細胞の分化制御メカニズムの解析

• 研究課題/領域番号: 20K06667
• 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44020:発生生物学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 山田 真弓 京都大学, 医生物学研究所, 特定准教授 (50583457)
• 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: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

神経幹細胞の細胞増殖・分化過程において、分化運命決定を制御する遺伝子群が、振動発現などのダイナミックな発現動態を示すことが明らかになってきており、それらが細胞増殖や細胞分化の正確さやタイミングを制御する重要な役割を担っていることが示唆されている。本研究では、光作動性Tetシステムの改良を行い、神経幹細胞において人為的に遺伝子発現を制御する系を確立した。さらに、この光操作技術を用いて、神経幹細胞において分化運命決定因子Ascl1の発現を光制御し、RNAシーケンス解析によって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の下流遺伝子の探索、及び、それらの発現解析を実施した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

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。

研究成果

• [雑誌論文] Enhancement of Vivid-based photo-activatable Gal4 transcription factor in mammalian cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Nagasaki, S.C., Fukuda, T.D., Yamada, M., Suzuki, Y.I., Kakutani, R., Guy, A.T. and *Imayoshi, I.
  • 雑誌名: Cell Structure and Function 巻: 48 号: 1 ページ: 31-47
  • DOI: 10.1247/csf.22074
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Functional rejuvenation of aged neural stem cells by Plagl2 and anti-Dyrk1a activity (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaise Takashi、Fukui Masahiro、Sueda Risa、Piao Wenhui、Yamada Mayumi、Kobayashi Taeko、Imayoshi Itaru、Kageyama Ryoichiro
  • 雑誌名: Genes & Development 巻: 36 号: 1-2 ページ: 23-37
  • DOI: 10.1101/gad.349000.121
  • NAID: 120007185924
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Separate optogenetic manipulation of Nerve/glial antigen 2 (NG2) glia and mural cells using the NG2 promoter. (2022)
  • 著者名/発表者名: Oishi M, Stefan P, Yamazaki Y, Unekawa M, Adachi R, Yamada M, Imayoshi I, Abe Y, Steinhauser C, Tanaka KF
  • 雑誌名: Glia 巻: 71 号: 2 ページ: 317-333
  • DOI: 10.1002/glia.24273
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cell cycle arrest determines adult neural stem cell ontogeny by an embryonic Notch-nonoscillatory Hey1 module (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada Yujin、Yamada Mayumi、Imayoshi Itaru、Kageyama Ryoichiro、Suzuki Yutaka、Kuniya Takaaki、Furutachi Shohei、Kawaguchi Daichi、Gotoh Yukiko
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 6562-6562
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26605-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An Optimized Preparation Method for Long ssDNA Donors to Facilitate Quick Knock-In Mouse Generation (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Cells 巻: 10 号: 5 ページ: 1076-1076
  • DOI: 10.3390/cells10051076
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optimization of light-inducible Gal4/UAS gene expression system in mammalian cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamada M., Nagasaki C. S., Suzuki Y., Imayoshi I.
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 号: 9 ページ: 101506-101506
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101506
  • NAID: 120006884197
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Light-mediated Control of Gene Expression in Mammalian Cells. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamada M, Nagasaki C. S, Ozawa T, Imayoshi I.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 152 ページ: 66-77
  • DOI: 10.1016/j.neures.2019.12.018
  • NAID: 120006888020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Down syndrome cell adhesion molecule like-1 (DSCAML1) links the GABA system and seizure susceptibility. (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Acta Neuropathol Commun. 巻: 8 号: 1 ページ: 206-206
  • DOI: 10.1186/s40478-020-01082-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 山田真弓
  • 学会等名: 第18回成体脳新生ニューロン懇談会
• [学会発表] 遺伝子発現の光操作技術の開発と応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山田真弓
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 山田真弓、長崎真治、Seongchun Yang、今吉格
  • 学会等名: Neuro2022
• [学会発表] 「青色光」による遺伝子スイッチの制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山田真弓
  • 学会等名: バイオインダストリー協会“未来へのバイオ技術”勉強会
  • 招待講演
• [学会発表] Analysis of neural stem cell regulatory mechanisms using optogenetics (2021)
  • 著者名/発表者名: Mayumi Yamada, Itaru Imayoshi
  • 学会等名: 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
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamic transcriptional regulation of neural stem cells by bHLH factors (2020)
  • 著者名/発表者名: 山田真弓
  • 学会等名: 第63回日本神経化学会大会
  • 招待講演
• [備考] researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/myamada