高次運動機能障害の分子病理理解に資するマウス・デジタル脳遺伝子発現解析

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26280110
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 於保 祐子 独立行政法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, 客員研究員 (60381571)
• 研究分担者: 横田 秀夫 独立行政法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, チームリーダー (00261206) ; 太田 聡史 独立行政法人理化学研究所, バイオリソースセンター, 専任研究員 (30391890)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 遺伝子発現 / 随意運動 / ハンチントン病 / モーションキャプチャー

研究実績の概要

二つの独自開発技術、すなわち、脳に発現する全ての遺伝子の発現分布を、解剖学的形態を俯瞰する仮想３次元ex vivo 空間で測定する方法：Transcriptome Tomography(TT 法)と、小型動物の動きを高精度解析するモーションキャプチャー法(hMC 法)を用い、意志に基づく運動(随意運動)が進行性に障害され、不随意運動が現れるハンチントン病（HD)モデルマウスについて、発症前後で経時的に、脳内遺伝子発現分布と上下肢・体幹の動きを測定し、脳機能障害と運動異常との関連を解析する。これにより、脳高次機能障害での不随意運動の分子病態について、治療薬開発などに繋がる新知見を得て、最終的には随意運動中枢機能とその病態理解をめざして研究を行っている。結果はデータベース化して公開する。
２０１４年度は、生後５週のＨＤモデルマウスについて、上記２つの方法及び脳ＭＲＩを実施し、脳の形態、遺伝子発現と、歩行や姿勢制御についてのタスクを負荷した場合の動きを測定した、同一週令のコントロールマウスと比較した。５週令では従来、行動異常や遺伝子発現異常は観察されていない。確かにＭＲＩではコントロールに比べ著明な変化を認めなかった。ところが新規法で高精細にデータを取得することで、発症のごく初期の遺伝子発現レベルの変化、行動異常を検知することができた。
このように新規所見を得ることができたので、当初の研究計画を一部変更し、次年度は更に、週令の若いマウスでの比較を試み、発症前に起こる分子レベルでの異常と、それによる随意運動障害の分子病理を解析する。

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

本年度の研究計画のうち１)解析プログラムの改良‐1.遺伝子発現解析プログラムの改良については、脳領域選定法を変更する必要があるので（下記理由）開発がやや遅れているが‐2.MC 解析法の改良は予定どうり進んだ。２）運動データと遺伝子発現データの取得を、予定を変更して５週令で行った。２）を変更したことにより、従来法では観察できなかった病初期の行動異常と、遺伝子発現異常について観測できた。１）－１の解析プログラムの改良はこうした病初期の変化を精細に解析できる方法を検討中である。
このように１）－１の遅れはあるが、予想以上に従来法では観察できなかった病態を明らかにできる可能性を示すことができ、全体としておおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

まず５週令ＨＤ・コントロールマウスの行動の逆運動学的解析、遺伝子発現解析を詳細に行い、次に、更に若いマウスでの実験を行う（３週を予定）。当初の研究計画よりも脳の発達期に焦点をあてた実験を行う事で、発症前に、神経細胞が進行性の変性変化を起こす前に治療的に介入する手段を探る手がかりを求める。

次年度使用額が生じた理由

疾患モデルマウスの入手先を海外研究機関から理研に変更できたので、入手経費が減少したため。

次年度使用額の使用計画

２７年度マウス測定等を当初計画より対象数を多くして行う。

研究成果

• [雑誌論文] Anatomical landmarks for registration of experimental image data to volumetric rodent brain atlasing templates (2015)
  • 著者名/発表者名: Sergejeva, M, Papp, E. A., Bakker, R., Gaudnek, M. A., Okamura-Oho, Y., Boline, J., Bjaalie, J. G., Hess, A
  • 雑誌名: J. Neurosci. Methods 巻: 240 ページ: 161-169
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2014.11.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical simulation of airflow and microparticle deposition in a synchrotron micro-CT-based pulmonary acinus model (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Sera, K. Uesugi, N. Yagi, and H. Yokota
  • 雑誌名: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 巻: 18 ページ: 1427-1435
  • DOI: 10.1080/10255842.2014.915030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Broad Integration of Expression Maps and Co-Expression Networks Compassing Novel Gene Functions in the Brain (2014)
  • 著者名/発表者名: Okamura-Oho Y〇, Shimokawa K, Nishimura M, Takemoto S, Sato A, Furuichi T, Yokota H.
  • 雑誌名: Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔ 巻: 4 ページ: 6969
  • DOI: 10.1038/srep06969
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Solvable model for chemical oscillations (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Chikayama, Y. Sunaga, S. Noda, H. Yokota
  • 雑誌名: Journal of Mathematical Chemistry 巻: 52 ページ: 399-406
  • DOI: 10.1007/s10910-013-0275-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Whole-Brain Imaging with Single-Cell Resolution Using Chemical Cocktails and Computational Analysis (2014)
  • 著者名/発表者名: E. A. Susaki, K. Tainaka, D. Perrin, F. Kishino, T. Tawara, T. M. Watanabe, C. Yokoyama, H. Onoe, M. Eguchi, S. Yamaguchi, T. Abe, H. Kiyonari, Y. Shimizu, A. Miyawaki, H. Yokota, and H. R. Ueda
  • 雑誌名: Cell 巻: 157 ページ: 726-739
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.03.042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of open urinary tract in laparoscopic partial nephrectomy by virtual resection plane visualization (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Ueno, K. Makiyama, H. Yamanaka, T. Ijiri, H. Yokota, and Y. Kubota
  • 雑誌名: BMC Urology 巻: 14 ページ: 47
  • DOI: 10.1186/1471-2490-14-47
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Communication Platform for Image Analysis and Sharing in Biology (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Morita, T. Tawara, M. Nishimura, S. Yoshizawa, B. Chou, I. Kuroki, T. Ijiri, Y. Tsujimura, R. Himeno, and H. Yokota
  • 雑誌名: International Journal of Networking and Computing 巻: 4 ページ: 369-391
  • DOI: http://doi.org/10.15803/ijnc.4.2_369
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flower Modeling via X-ray Computed Tomography (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Ijiri, S. Yoshizawa, H. Yokota, and T. Igarashi,
  • 雑誌名: ACM Transactions on Graphics 巻: 33 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1145/2601097.2601124
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient parallel LOD-FDTD method for Debye-dispersive media (2014)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Hemmi, Fumie Costen, Salvador Garcia, Ryutaro Himeno, Hideo Yokota, Mehshan Mustafa
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Antennas and Propagation 巻: 62 ページ: 1330-1338
  • DOI: 10.1109/TAP.2013.2294860
  • 査読あり
• [雑誌論文] オーダーメ─ド再生医療に向けたコンピュータサイエンス (2014)
  • 著者名/発表者名: 横田秀夫
  • 雑誌名: 四国医学雑誌 巻: 70 ページ: 208-218
• [学会発表] Ex-vivo transcriptomic analysis on the web: a new platform of ViBrism DB for gene expression mapping and analysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuko Okamura-Oho, Masahiko Morita, Kazuro Shimokawa, Masaomi Nishimura, Takahiro Tawara, Hideo Yokota
  • 学会等名: Neuroinformatics 2015
  • 発表場所: Cairns, Australia
  • 年月日: 2015-08-20 – 2015-08-22
• [学会発表] 3次元内部構造顕微鏡による3次元計測の生物・材料分野への挑戦と展開 (2015)
  • 著者名/発表者名: 於保祐子
  • 学会等名: RIKENシンポジウム
  • 発表場所: 理化学研究所 仁科センター 大会議室、和光市、埼玉県
  • 年月日: 2015-02-06
  • 招待講演
• [学会発表] Transcriptome tomography: mapping genes onto 3D brain structures (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuko Okamura-Oho, Kazuro Shimokawa, Sakiko Nakamura, Yuki Tsujimura, Masaomi Nishimura, Satoko Takemoto, Masahiko Morita, Takashi Ijiri, Takehiro Tawara, Hideo Yokota
  • 学会等名: Annual meeting of Society of Neuroscience 2014
  • 発表場所: Washington DC, USA
  • 年月日: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [学会発表] Integrated Analysis of Expression Maps and Co-Expression Networks Using a Dataset of ViBrism DB (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuko Okamura-Oho, Kazuro Shimokawa, Masaomi Nishimura, Satoko Takemoto, Masahiko Morita, Hideo Yokota
  • 学会等名: AINI2014
  • 発表場所: Wako, Japan
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-26
• [学会発表] Novel genes located in the co-expression networks detected with Transcriptome Tomography (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuko Okamura-Oho, Kazuro Shimokawa, Masaomi Nishimura, Satoko Takemoto, Akira Sato, Teiichi Furuichi, Hideo Yokota
  • 学会等名: Neuroinformatics 2014
  • 発表場所: Leiden, Nederland
  • 年月日: 2014-08-25 – 2014-08-27
• [学会発表] ﾄﾗﾝｽｸﾘﾌﾟﾄｰﾑ･ﾄﾓｸﾞﾗﾌｨｰを用いた遺伝子発現に基づく全脳地図作成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 於保祐子
  • 学会等名: 科学技術振興機構主催 理化学研究所新技術説明会
  • 発表場所: JST 東京本部別館ホール、市ヶ谷、東京
  • 年月日: 2014-06-12 – 2014-06-13
  • 招待講演
• [図書] バイオ画像解析手取り足取りガイド,第3章,５） (2014)
  • 著者名/発表者名: 森田正彦,西村将臣,横田秀夫
  • 総ページ数: 208-218
  • 出版者: 羊土社
• [図書] ビッグデータ時代のゲノミクス情報処理 (2014)
  • 著者名/発表者名: 北上始, 斉藤成也, 太田聡史
  • 総ページ数: 226
  • 出版者: コロナ社
• [備考] ViBrism DB
  • URL: http://vibrism.neuroinf.jp/