ヒト固有性の分子基盤解明にむけた霊長類脳１細胞統合マルチオミックス解析

• 研究課題/領域番号: 23K23973
• 補助金の研究課題番号: 22H02710 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分45050:自然人類学関連
• 研究機関: 兵庫県立大学 (2023-2024); 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究 (2022)
• 研究代表者: 郷 康広 兵庫県立大学, 情報科学研究科, 教授 (50377123)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2023年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2022年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: シングルセル / オミクス解析 / 霊長類 / 脳 / 進化 / ヒト / チンパンジー / 類人猿 / オミックス / オミックス解析

研究開始時の研究の概要

ヒトの知性をつかさどるヒト特異的な脳細胞は果たしてあるのか？ この問いにヒトと類人猿4種の死後脳を用いた、1細胞解像度の遺伝子発現解析、クロマチン動態解析、空間遺伝子発現解析、空間タンパク質発現解析の4次元統合マルチオミックス解析により解明することを目的とする。得られた結果から、ゲノムという設計図が脳という場においてどのように時空間的に制御され、種の固有性・特殊性となって現れるのか、1細胞が持つ分子情報をデジタル情報として網羅的に読み出し、種間比較することで、ヒト脳の特異性を担保する「ヒト特異的脳細胞」を定義・同定・評価し、「ヒトとは何か」という問いを明らかにすることを目指す。

研究実績の概要

ヒトらしさをつかさどるヒト特異的脳細胞を同定するために、ヒトと類人猿の死後脳を用いたシングルセル比較トランスクリプトーム・エピゲノム解析を行った。ヒトや類人猿は実験動物ではないため、新鮮な脳試料を入手することが難しい。そのため、シングルセル解析に通常用いられる生細胞ではなく、凍結試料でも使用が可能であると考えられている細胞核を用いたシングル核解析の実験プロトコル・解析パイプラインを構築し、実験を推進した。シングル核単離プロトコルの構築は、遺伝子発現制御に重要なエピゲノム状態を規定するクロマチン状態（クロマチンが開いていて転写因子などがアクセスできる状態にあるかどうか）を解析する上でも必須である。
令和5年度は、上記で構築・単離したシングル核サンプルを用いて、長鎖型シーケンサーによる1細胞完全長トランスクリプトーム解析と短鎖型シーケンサーによる遺伝子発現とクロマチンアクセシビリティを同一細胞で同時取得するマルチオーム解析を行った。
長鎖型シーケンサーを用いた1細胞完全長トランスクリプトーム解析では、ヒト2検体、チンパンジー1個体、ゴリラ1個体死後脳の海馬から単離したシングル核サンプルを用いて実験と解析を行った。解析の結果、ヒトの海馬において特異的に発現する（チンパンジーやゴリラの海馬においては発現しない）エクソンを持つ遺伝子を多数同定した。その多くは、興奮性および抑制性神経細胞において発現しており、精神神経疾患に関係する遺伝子も多数含まれていた。
短鎖型シーケンサーを用いたマルチオーム解析では、ヒト4検体、チンパンジー6個体、ゴリラ2個体、オランウータン1個体、テナガザル2個体の死後脳の前頭前野から単離したシングル核サンプルを用いてライブラリ作成とシーケンス解析を行い、現在データ解析中である。

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

長鎖型シーケンサーを用いた1細胞完全長トランスクリプトーム解析では、ヒト2検体、チンパンジー1個体、ゴリラ1個体死後脳の海馬から単離したシングル核サンプルを用いて実験と解析を行った。サンプルあたり平均2,400万リードのデータを用いて解析した結果、ヒト（2検体）でそれぞれ24,864遺伝子と210,625アイソフォーム、26,682遺伝子と314,494アイソフォームを得た。同様にチンパンジーとゴリラからも、それぞれ16,113遺伝子と189,751アイソフォーム、14,440遺伝子と59,481アイソフォームを得た。これらを用いて、ヒト特異的な発現エクソンを持つ遺伝子を639遺伝子同定した。その中には、精神神経疾患に関係する遺伝子も多数含まれていた。
短鎖型シーケンサーを用いたマルチオーム解析では、ヒト4検体、チンパンジー6個体、ゴリラ2個体、オランウータン1個体、テナガザル2個体の死後脳の前頭前野から単離したシングル核サンプルを用いてライブラリ作成とシーケンス解析を行い、現在データ解析中である。

今後の研究の推進方策

短鎖型シーケンサーを用いたマルチオーム解析プラットフォームは、同一細胞（細胞核）から遺伝子発現データとクロマチンアクセシビリティデータのマルチモーダルなデータが取得できるだけでなく、同一ライブラリを長鎖型シーケンサーを用いることで、1細胞完全長トランスクリプトーム解析を短鎖型シーケンサーで用いたものと同じ細胞核で行うことが可能である。つまり、同一の細胞核から、遺伝子発現解析、クロマチンアクセシビリティ解析、アイソフォーム解析の三つの異なるレイヤーの情報が取得可能になる。実際に、マルチオーム解析用に作成したライブラリは長鎖型シーケンサーにも解析可能な状態で保存しており、令和6年度は、それらのライブラリを用いた1細胞完全長トランスクリプトーム解析を行い、ヒトと類人猿4種の三つのモダリティデータを用いた統合解析により、ヒトらしさを担保する分子脳基盤の解明に取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] Neuronal DSCAM regulates the peri-synaptic localization of GLAST in Bergmann glia for functional synapse formation (2024)
  • 著者名/発表者名: Dewa Ken-ichi、Arimura Nariko、Kakegawa Wataru et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 号: 1 ページ: 458-458
  • DOI: 10.1038/s41467-023-44579-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A predisposed motor bias shapes individuality in vocal learning (2024)
  • 著者名/発表者名: Toji Noriyuki、Sawai Azusa、Wang Hongdi、Ji Yu、Sugioka Rintaro、Go Yasuhiro、Wada Kazuhiro
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 121 号: 3
  • DOI: 10.1073/pnas.2308837121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transcription factor activity profiling reveals the role of REST and LEF1 in the recovery from depression (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hajime、Araki Satomi、Onodera Ryoma、Go Yasuhiro、Abe Kentaro
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: － ページ: 0-0
  • DOI: 10.1101/2023.11.30.569491
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] The admixed brushtail possum genome reveals invasion history in New Zealand and novel imprinted genes. (2023)
  • 著者名/発表者名: Bond DM, Ortega-Recalde O, Laird MK, Hayakawa T, Richardson KS, Reese FCB, Kyle B, McIsaac-Williams BE, Robertson BC, van Heezik Y, Adams AL, Chang WS, Haase B, Mountcastle J, Driller M, Collins J, Howe K, Go Y, Thibaud-Nissen F, Lister NC, Waters PD, Fedrigo O, Jarvis ED, Gemmell NJ, Alexander A, Hore TA.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 6364-6364
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41784-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ghost introgression in ricefishes of the genus Adrianichthys in an ancient Wallacean lake (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamahira Kazunori, Kobayashi Hirozumi, Kakioka Ryo, Montenegro Javier, Masengi Kawilarang W. A., Okuda Noboru, Nagano Atsushi J., Tanaka Rieko, Naruse Kiyoshi, Tatsumoto Shoji, Go Yasuhiro, Ansai Satoshi, Kusumi Junko
  • 雑誌名: Journal of Evolutionary Biology 巻: 36 号: 10 ページ: 1484-1493
  • DOI: 10.1111/jeb.14223
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional markerless motion capture of multiple freely behaving monkeys for automated characterization of social behavior (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Jumpei、Kaneko Takaaki、Kimura Kei、Negrete Salvador Blanco、Guo Jia、Suda-Hashimoto Naoko、Kaneko Akihisa、Morimoto Mayumi、Nishimaru Hiroshi、Setogawa Tsuyoshi、Go Yasuhiro、Shibata Tomohiro、Nishijo Hisao、Takada Masahiko、Inoue Ken-ichi
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: 1-56
  • DOI: 10.1101/2023.09.13.556332
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-cell RNA sequencing of intestinal immune cells in neonatal necrotizing enterocolitis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Oshima K, Hinoki A, Uchida H, Tanaka Y, Okuno Y, Go Y, Shirota C, Tainaka T, Sumida W, Yokota K, Makita S, Takimoto A, Kano Y, Sawa S.
  • 雑誌名: Pediatr Surg Int. 巻: 39(1) 号: 1 ページ: 179-179
  • DOI: 10.1007/s00383-023-05461-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gene expression profiling of the masticatory muscle tendons and Achilles tendons under tensile strain in the Japanese macaque Macaca fuscata (2023)
  • 著者名/発表者名: Ito Ko、Go Yasuhiro、Tatsumoto Shoji、Usui Chika、Mizuno Yosuke、Ikami Eiji、Isozaki Yuta、Usui Michihiko、Kajihara Takeshi、Yoda Tetsuya、Inoue Ken-ichi、Takada Masahiko、Sato Tsuyoshi
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 18 号: 1 ページ: e0280649-e0280649
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0280649
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cognitive genomics of learning delay and low level of social performance monitoring in macaque (2022)
  • 著者名/発表者名: Ninomiya T, Noritake A, Tatsumoto S, Go Y, Isoda M
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 16539-16539
  • DOI: 10.1038/s41598-022-20948-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nicotinic acetylcholine receptors in a songbird brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Asogwa Norman Chinweike、Toji Noriyuki、He Ziwei、Shao Chengru、Shibata Yukino、Tatsumoto Shoji、Ishikawa Hiroe、Go Yasuhiro、Wada Kazuhiro
  • 雑誌名: Journal of Comparative Neurology 巻: in press 号: 11 ページ: 1966-1991
  • DOI: 10.1002/cne.25314
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Uterus-specific transcriptional regulation underlies eggshell pigment production in Japanese quail (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishishita Satoshi、Kitahara Shumpei、Takahashi Mayuko、Iwasaki Sakura、Tatsumoto Shoji、Hara Izumi、Kaneko Yoshiki、Kinoshita Keiji、Yamaguchi Katsushi、Harada Akihito、Ohmori Yasushige、Ohkawa Yasuyuki、Go Yasuhiro、Shigenobu Shuji、Matsuda Yoichi、Suzuki Takayuki
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 17 号: 3 ページ: 0265008-0265008
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0265008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Comparative primate omics study: what kind of molecular signatures make us human? (2024)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Go
  • 学会等名: 京都大学高等研究院ヒト生物学高等研究拠点(ASHBi)セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] コモンマーモセットコロニーの国際的な遺伝的多様性維持における基盤技術の確立 (2024)
  • 著者名/発表者名: 黒滝陽子、山田祐子、辰本将司、志賀範子、冨樫充良、澤田賀久、岸本恵子、井上貴史、郷康広、佐々木えりか
  • 学会等名: 第13回日本マーモセット研究会
• [学会発表] ヒトと類人猿の脳における1 細胞完全長遺伝子発現解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷康広、野口京子、臼井千夏、辰本将司
  • 学会等名: 第39回日本霊長類学会大会
• [学会発表] トランスクリプトーム解析入門 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: 組織細胞化学講習会
  • 招待講演
• [学会発表] ヒトを知るための霊長類オミクス研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: 北海道大学脳科学研究教育センター創立20周年記念シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] リスザルの集団ゲノム解析からみた：実験動物としての有用性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: 東京大学医科学研究所奄美病害動物研究施設第3棟改築記念シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 「ヒトとは何か？」を明らかにするための1細胞遺伝子発現解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: NGS EXPO2023
  • 招待講演
• [学会発表] A predisposed motor bias shapes individuality in vocal learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Toji, Azusa Sawai, Hongdi Wang, Yasuhiro Go, Kazuhiro Wada
  • 学会等名: Society for Neuroscience 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular profiles of from auditory tutor song memory neurons transiently projecting to song premotor area in zebra finches (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Morohashi, Noriyuki Toji, Yasuhiro Go, Kazuhiro Wada, Yoko Yazaki-Sugiyama
  • 学会等名: Society for Neuroscience 2023
  • 国際学会
• [学会発表] A method to analyze gene expression profiles of a hippocampal neuron recorded from head-fixed mice (2023)
  • 著者名/発表者名: Haruya Yagishita, Kazuki Okamoto, Yasuhiro Go, Yuji Ikegaya, Takuya Sasaki
  • 学会等名: Society for Neuroscience 2023
  • 国際学会
• [学会発表] ニホンザルにおける肥大型心筋症の家系性調査および予備的な遺伝子解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 澤田悠斗、兼子明久、鯉江洋、中山駿矢、岡本宗裕、郷康広、辰本将司、塚本篤士、中村紳一朗、宮部貴子、揚山直英
  • 学会等名: 第166回日本獣医学会学術集会
• [学会発表] 神経発達症のモデル動物の作成と病態解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中谷仁、豊田太、澤野俊憲、郷康広、堀家慎一、小山なつ、遠山育夫、等誠司、内匠透、田中秀和
  • 学会等名: 第64回日本神経病理学会総会・第66回日本神経化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Gene expression profiles in hippocampal neurons related to sharp wave ripple-induced spike patterns (2023)
  • 著者名/発表者名: Haruya Yagishita, Kazuki Okamoto, Yasuhiro Go, Yuji Ikegaya, Takuya Sasaki
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
• [学会発表] Dietary fatty acids modulate the physiological function of brain insulin-producing cells for acclimatization to environmental stress (2023)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Hara, Kosei Sato, Yasuhiro Go, Daisuke Yamamoto
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
• [学会発表] シングルセルオミクス研究の神経科学への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] マーモセットにおける遺伝的多様性解析および精神・神経疾患関連遺伝子解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷康広，辰本将司，臼井千夏，野口京子，石川裕恵
  • 学会等名: 第12回日本マーモセット研究会
• [学会発表] Single-cell brain transcriptome analysis in autism model primates (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Go
  • 学会等名: ACC International Symposium 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-nucleus brain transcriptome analysis in autism model primates and humans and apes (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Go
  • 学会等名: 学術変革B「ハブ決定剛軟因子」領域会議
  • 招待講演
• [学会発表] Social behavior analysis of monkeys in a group based on a novel 3D markerless motion capture system (2023)
  • 著者名/発表者名: Jumpei Matsumoto, Takaaki Kaneko, Kei Kimura, Salvador Blanco Negrete, Naoko Suda-Hashimoto, Akihisa Kaneko, Mayumi Morimoto, Eri Sumiya, Hiroshi Nishimaru, Tsuyoshi Setogawa, Yasuhiro Go, Tomohiro Shibata, Hisao Nishijo, Masahiko Takada, Ken-ichi Inoue
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] 自閉症モデル霊長類における1細胞遺伝子発現解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: シングルセルゲノミクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 自閉症様マーモセット脳における1細胞遺伝子発現解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: 日本遺伝学会第94回大会
  • 招待講演
• [学会発表] ヒトと類人猿の脳における1細胞遺伝子発現解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 郷康広，辰本将司，石川裕恵，臼井千夏，野口京子，大石高生
  • 学会等名: 第76回日本人類学会大会・第38回日本霊長類学会大会連合大会
• [学会発表] 適応回路を担う細胞種センサス技術の開発と高度化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 郷康広
  • 学会等名: 「次世代脳」プロジェクト2022冬のシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 鳴禽類の歌学習において学習可能性を象徴する細胞タイプ特異的トランスクリプトームシグネチャー (2022)
  • 著者名/発表者名: 田路矩之，柴田ゆき野，辰本将司，石川裕恵，郷康広，和多和宏
  • 学会等名: 日本遺伝学会第94回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 縮約ゲノム解析による日本産モグラ類（Mogera imaizumii, Mogera wogura）の系統地理学的解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 角井建, 木下豪太, 原田正史, 佐藤淳, 郷康広, 辰本将司, 三橋れい子, 鈴木仁, 長田直樹
  • 学会等名: 日本遺伝学会第94回大会
• [学会発表] メダカを用いた大胆/臆病に関わる個性の遺伝子基盤解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中豪, 成瀬清, 郷康広, 辰本将司, 豊田敦, 勝村啓史, 中川真一, 横井佐織
  • 学会等名: 日本遺伝学会第94回大会
• [学会発表] Gene expression profiles in neurons recorded by in vivo extracellular recordings (2022)
  • 著者名/発表者名: 柳下晴也、岡本和樹、郷康広、池谷裕二、佐々木拓哉
  • 学会等名: 第45回日本神経科学大会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会合同大会
• [学会発表] 3D markerless motion capture of multiple freely behaving monkeys in a group cage (2022)
  • 著者名/発表者名: Jumpei Matsumoto, Takaaki Kaneko, Kei Kimura, Naoko Suda-Hashimoto, Akihisa Kaneko, Mayumi Morimoto, Salvador Blanco Negrete, Naoko Suda-Hashimoto, Akihisa Kaneko, Mayumi Morimoto, Eri Sumiya, Hiroshi Nishimaru, Tsuyoshi Setogawa, Yasuhiro Go, Tomohiro Shibata, Hisao Nishijo, Masahiko Takada, Ken-ichi Inoue
  • 学会等名: 第45回日本神経科学大会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会合同大会
• [図書] 脳と個性：ゲノムからみた「個性」（生体の科学） (2024)
  • 著者名/発表者名: 郷 康広（分担執筆）
  • 総ページ数: 98
  • 出版者: 医学書院
• [図書] 「ヒトらしさ」をつかさどる遺伝子・細胞・脳（CLINICAL NEUROSCIENCE (臨床神経科学) ） (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷 康広
  • 総ページ数: 128
  • 出版者: 中外医学社
• [図書] 霊長類学の百科事典 (2023)
  • 著者名/発表者名: 郷 康広（分担執筆）
  • 総ページ数: 752
  • 出版者: 丸善出版
• [図書] 革新脳と関連プロジェクトから見えてきた新しい脳科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 郷康広（分担執筆），岡野栄之（編集）
  • 総ページ数: 132
  • 出版者: 生体の科学（医学書院）
• [備考] 兵庫県立大学大学院情報科学研究科の郷のページ
  • URL: https://u-hyogo.info/research/faculty/go/
• [備考] 兵庫県立大学大学院情報科学研究科・郷研究室ホームページ
  • URL: https://www.nips.ac.jp/coggen/
• [備考] 研究成果「「発声学習バイアスの個体差」に関わる細胞発見」
  • URL: https://bunkyodezi.com/research/7297/
• [備考] 研究成果「発声学習バイアスの個体差に関わる神経細胞を発見 」
  • URL: https://medibio.tiisys.com/121362/
• [備考] 自然科学研究機構生命創成探究センター(郷ラボ)のホームページ
  • URL: http://www.nips.ac.jp/coggen/
• [備考] NHK「ヒューマニエンス」に出演
  • URL: https://www.excells.orion.ac.jp/news/5729