脳オルガノイドを用いた巨脳症発症メカニズムの解明

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H03646
• 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 東京医科歯科大学, 難治疾患研究所, 講師 (50415311)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 巨脳症 / 脳オルガノイド / iPS細胞 / 神経発生

研究実績の概要

巨脳症患者を対象としたパネル解析を引き続き実施し、2021年度は9例に実施した。その結果、PTEN遺伝子変異を2例、PIK3CA変異モザイク例を1例同定した。患者情報として臨床情報とMRIを収集し、遺伝子変異情報と共にデータベースを更新した。
脳オルガノイドを用いた実験では、正常iPS細胞から遺伝子編集を行い、PNPLA8、SZT2、MYCNの機能喪失型変異を導入し、脳オルガノイドの作成を行った。脳オルガノイドにおいては皮質発生を再現することができた。特に、PNPLA8のKO脳オルガノイドについて詳しく検討ができ、脳皮質形成障害の原因として外側ラジアルグリア（oRG）の分裂能が低下していることを明らかにした。さらにその原因としてミトコンドリア機能の障害を明らかにした。これらの実験によりiPS細胞から脳オルガノイドを作成し、脳皮質発生に関する一連の実験を行う実験系を確立した。
さらに、ヒト患者からのiPS細胞の作成をPNPLA8およびMYCNに変異を有する患者から行った。PNPNL8患者由来iPS細胞の樹立に成功し、さらに脳オルガノイドを作成し、患者にみられた病態の再現に成功した。さらに、遺伝子改変iPS細胞由来の脳オルガノイドと表現型が共通することを確認した。MYCNについては現在実験が進行中である。
モデルマウスとしては引き続き、MYCNの機能亢進型変異および機能喪失型変異マウスについての解析を行った。機能亢進型モデルマウスではヒト患者で見られた巨脳症が再現され、その原因として胎生期の神経幹細胞の分化と増殖のバランスが乱れることと神経細胞の遊走が関連することを明らかにした。上述した患者由来iPS細胞を用いた脳オルガノイド実験と組み合わせることで、病態の改名の基盤を構築することができた。

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

巨脳症患者の遺伝学的解析センターとしての機能を維持しており、全国からの患者解析を安定的に続けている。解析した患者のデータベースは順調に増加しており、我が国における巨脳症解析拠点としての役割を果たしている。
iPS細胞から脳オルガノイド作成については、方法論を確立し、本年度は3つの遺伝子についての実験が進行している。iPS細胞由来脳オルガノイドについては、皮質発生の再現ができており、また、遺伝子編集により患者でみられた脳形成障害の再現に成功している。複数の遺伝子変異の解析によりそれぞれの比較検討が可能になっている。さらに、患者由来iPS細胞の樹立に成功したことで、遺伝子編集モデルとの比較検討が可能になり、質の高い実験が可能になった。
同じ遺伝子であるMYCNの遺伝子改変マウスモデルとiPS細胞由来脳オルガノイドの二つの実験系を用いて解析を行うことで、互いの欠点を補い、脳発生における遺伝子変異の意義について質の高い成果を上げることができている。

今後の研究の推進方策

本研究は、巨脳症患者の集積と遺伝学的解析およびデータベースの作成、脳オルガノイドを用いた脳発生の解析と遺伝子改変マウスを用いた解析を統合的に実施することで、巨脳症の病態を解明し、治療法開発のシーズを得ることを目的としている。それぞれのパートにおいて、着実な成果を上げることができており、引き続きこれらの研究を継続する。iPS細胞から脳オルガノイドを作成して行う病態解析が研究の中心であるが、複数の遺伝子に関して作成に成功しており、病態の再現に成功したことで、研究の基盤は既に確立した。2021年度は遺伝子の数を3つに増加して解析を実施している。これらの研究をさらに推進し、特に新規巨脳症遺伝子を同定することができれば、これらの系を用いてその病態の検討を実施する。
MYCNについてはマウスモデルと脳オルガノイドを用いることで多角的にその脳発生における役割を解析することができ、MYCN機能亢進変異モデルの作成は世界で私たちのグループのみである。この優位性を生かして、詳細な病態解析と治療法の開発を推進する。

研究成果

• [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 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 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 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 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 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 ページ: dev188755
  • DOI: 10.1242/dev.188755
  • 査読あり
• [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: 42 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 Kei、Fukuhara Satomi、Miyachi Taishi、Asai Tomoko、Imaeda Masayuki、Goto Masahide、Kurokawa Yoshie、Anzai Tatsuya、Tsurusaki Yoshinori、Miyake Noriko、Matsumoto Naomichi、Yamagata Takanori、Saitoh Shinji
  • 雑誌名: Journal of Autism and Developmental Disorders 巻: 51 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 ページ: 590～595
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2020.12.008
  • 査読あり
• [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