１細胞時系列解析の確立による、細胞の運命決定における概日時計の役割の解明

生物リズムは内外の環境変動に適応するために厳密に調節されており、頑健なリズム制御は生物の恒常的な活動にとって重要なメカニズムである。その一方で、リズムの変調をうまくシステムに組み込み、生物の発生を制御するリズム現象も知られているが、その例は少ない。こうしたリズムの変調による制御メカニズムがこれまでほとんど明らかにされなかった理由として、従来の解析手法では時空間解像度が低く細胞ごとにバラバラなリズムの時系列解析が困難である点が挙げられる。近年になって、１細胞RNA-seqが普及し、１細胞の遺伝子発現データをその他多くのデータとつなぎ合わせることで、詳細な時系列解析を行うことが可能になってきた。そこで、本研究では植物ではまだ報告例が少ない１細胞RNA-seqを用いることで、植物細胞の分化過程における新たなリズムの変調を計測し、それがどのように細胞分化に関わるのか明らかにすることを目的とした。本研究では生物リズムで最も有名な概日リズムの変調とそれによる細胞分化制御を解析した。これまで１細胞RNA-seqデータの時系列解析は時間情報を加味しておらず、概日リズムのような時間経過による変動リズムを捉えることは難しかった。そこで、擬似的な時間軸に実時間の情報を付与するアルゴリズムを新たに開発し、分化誘導系を用いることで幹細胞の分化過程における概日リズムの変動を観察した。その結果、脱分化した幹細胞では概日リズムの振動が停止し、分化が進行するにつれ概日リズムが現れることが明らかとなった。さらに、分化後の時計遺伝子の発現プロファイルは脱分化前の細胞のものとは大きく異なっていたことから、幹細胞において概日時計システムが再構成されていることを示した。この概日リズムの変調が実際に細胞分化・分裂関連遺伝子の発現を制御していたことから、概日時計の変調により細胞運命が制御されていることが明らかになった。

生物リズムは内外の環境変動に適応するために厳密に調節されており、頑健なリズム制御は生物の恒常的な活動にとって重要なメカニズムである。その一方で、リズムの変調をうまくシステムに組み込み、生物の発生を制御するリズム現象も知られているが、その例は少ない。こうしたリズムの変調による制御メカニズムがこれまでほとんど明らかにされなかった理由として、従来の解析手法では時空間解像度が低く細胞ごとにバラバラなリズムの時系列解析が困難である点が挙げられる。近年になって、１細胞RNA-seqが普及し、１細胞の遺伝子発現データをその他多くのデータとつなぎ合わせることで、詳細な時系列解析を行うことが可能になってきた。そこで、本研究では植物ではまだ報告例が少ない１細胞RNA-seqを用いることで、植物細胞の分化過程における新たなリズムの変調を計測し、それがどのように細胞分化に関わるのか明らかにすることを目的とした。本研究では生物リズムで最も有名な概日リズムの変調とそれによる細胞分化制御を解析した。これまで１細胞RNA-seqデータの時系列解析は時間情報を加味しておらず、概日リズムのような時間経過による変動リズムを捉えることは難しかった。そこで、擬似的な時間軸に実時間の情報を付与するアルゴリズムを新たに開発し、分化誘導系を用いることで幹細胞の分化過程における概日リズムの変動を観察した。その結果、脱分化した幹細胞では概日リズムの振動が停止し、分化が進行するにつれ概日リズムが現れることが明らかとなった。さらに、分化後の時計遺伝子の発現プロファイルは脱分化前の細胞のものとは大きく異なっていたことから、幹細胞において概日時計システムが再構成されていることを示した。この概日リズムの変調が実際に細胞分化・分裂関連遺伝子の発現を制御していたことから、概日時計の変調により細胞運命が制御されていることが明らかになった。