大規模生命データから中核要素を選び取る解析法の構築

• 研究課題/領域番号: 22KJ2462
• 補助金の研究課題番号: 22J20665 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分43060:システムゲノム科学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 藤井 健 九州大学, システム生命科学府, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 一細胞オミクス / 空間オミクス / エピゲノム / 単一細胞解析 / エピゲノミクス

研究開始時の研究の概要

組織や器官は様々な細胞種によって形成される。すなわち、生命現象や病理の解明には、各細胞種において特徴的な発現を持つ遺伝子やタンパク質を同定し、それらが構成する組織や器官の機能性を理解する必要がある。単一細胞レベルで転写産物やタンパク質を網羅的に定量する単一細胞オミクス技術は、詳細な細胞集団の同定とタンパク質や遺伝子発現組成の特徴付けを可能とした。一方、データの持つ細胞数×特徴量（転写産物、タンパク質等）数の膨大な情報を解釈する困難さが、生命科学分野の大きな課題となっている。本研究では、情報を取捨選択し、解析対象を特徴的付ける遺伝子など、解釈に必要な情報を獲得する技術の開発を目指す。

研究実績の概要

本研究では、単一細胞オミクスデータ中から、細胞集団のマーカーとなる特徴量や、細胞状態に変化を及ぼす特徴量など、解釈に必要な情報を獲得する技術の開発を目指す。また、並行してオミクス技術の開発および、新規データの取得・解析を行う。本年度は、2022年度に開発した (1)空間情報とタンパク質発現情報の同時取得を行う空間プロテオーム解析技術、(2)細胞ごとに二種類のエピゲノム情報の同時取得を行う一細胞マルチエピゲノム解析技術の二点のオミクス技術によるデータの取得と定量・解析を行なった。(1)空間プロテオーム解析技術では、この技術のデモンストレーションとして、新たにヒト子宮癌肉腫をサンプルとしたデータの取得を行った。ヒト子宮癌肉腫では、上皮間葉転換(EMT)がおこり、上皮細胞・間葉系細胞が入り混じっているが、転換期に当たる細胞は同定されていなかった。上皮細胞・間葉系細胞の同定に加え、EMTマーカーとなるシグナルタンパク質の発現が上昇した、活性化状態の細胞を発見した。さらにこれらの各細胞種の空間的な存在パターンを示した。この解析技術と結果について執筆した論文は、Nature communicationsでin pressである。(2)一細胞マルチエピゲノム解析手法では、新たにマウス胚のLimbをサンプルとし、RNA Polymerase II(RNAPII) & H3K4トリメチル化(H3K4me3)、RNAPII & MyoDの局在を定量した。RNAPIIの局在パターンから細胞種を同定し、骨格筋形成におけるH3K4me3の集積状態やMyoDの結合状態について解析を行なった。この解析技術と結果について執筆した論文を現在執筆中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

オミクス技術開発およびデータの取得は順調に進展している。空間オミクスデータの解析から、特定の共通したシグナル発現を示す未知細胞集団の発見に成功した。

今後の研究の推進方策

これまでに取得したデータをもとに複数のオミクスデータの統合解析手法の開発を行う。特にマルチエピゲノムデータの統合解析に注力する。一細胞解析の中でも普及している一細胞トランスクリプトームデータに比較して、感度の低いデータとなるため、ノイズやバッチ効果の除去に重点をおいた手法の開発を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Genome-wide mapping and cryo-EM structural analyses of the overlapping tri-nucleosome composed of hexasome-hexasome-octasome moieties (2024)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Masahiro、Fujii Takeru、Tanaka Hiroki、Maehara Kazumitsu、Morishima Ken、Shimizu Masahiro、Kobayashi Yuki、Nozawa Kayo、Takizawa Yoshimasa、Sugiyama Masaaki、Ohkawa Yasuyuki、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 7 号: 1 ページ: 61-61
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05694-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Precise immunofluorescence canceling for highly multiplexed imaging to capture specific cell states (2024)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Tomimatsu, Takeru Fujii, Ryoma Bise, Kazufumi Hosoda, Yosuke Taniguchi, Hiroshi Ochiai, Hiroaki Ohishi, Kanta Ando, Ryoma Minami, Kaori Tanaka, Taro Tachibana, Seiichi Mori, Akihito Harada, Kazumitsu Maehara, Masao Nagasaki, Seiichi Uchida, Hiroshi Kimura, Masashi Narita and Yasuyuki Ohkawa
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: -
  • 査読あり
• [学会発表] 単一細胞マルチエピゲノミクスによるクロマチンダイナミクスの解 明 (2024)
  • 著者名/発表者名: 藤井健、原田哲仁、前原一満、田中かおり、木村宏、大川恭之
  • 学会等名: 第11回細胞競合コロキウム,
• [学会発表] Simultaneous analysis of cell lineage and the regulatory mechanisms by single-cell multi targeted ChIL-seq (2023)
  • 著者名/発表者名: Takeru Fujii, Akihito Harada, Kazumitsu Maehara, Kaori Tanaka, Hiroshi Kimura, Yasuyuki Ohkawa
  • 学会等名: Single cell genomics conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 単一細胞マルチエピゲノミクスによる骨格筋分化ダイナミクスの解明, (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤井健、原田哲仁、前原一満、田中かおり、木村宏、大川恭之
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会
• [学会発表] 複数エピゲノム情報の単一細胞内同時計測による分化制御機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健、原田 哲仁、前原 一満、田中 かおり、木村 宏、大川 恭行
  • 学会等名: 新学術・学術変革若手の会2022
• [学会発表] 複数エピゲノム情報の単一細胞内同時計測による分化制御機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤井 健、原田 哲仁、前原 一満、田中 かおり、木村 宏、大川 恭行
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会
• [学会発表] 連続免疫染色による単一細胞空間プロテオーム解析手法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤井健、富松航佑、備瀬竜馬、細田一史、内田誠一、大川恭行
  • 学会等名: 第10回細胞競合コロキウム