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

通过建立单细胞时间序列分析阐明生物钟在决定细胞命运中的作用

基本信息

批准号：
17J08107
负责人：
鳥井孝太郎
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J08107/
关键词：
細胞運命決定概日時計 Single cell RNA-seq PeakMatch １細胞トランスクリプトーム

项目摘要

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。

严格调节生物节奏以适应内部和外部环境变化，稳健的节奏控制是生物永久活性的重要机制。另一方面，节奏现象是已知的，它成功地将节奏调制纳入了系统并控制生物体的发展，但很少有例子。到目前为止，几乎没有阐明由节奏调制引起的控制机制的原因之一是，常规分析方法具有较低的时空分辨率，并且很难分析从细胞到细胞变化的节奏的时间序列。近年来，1细胞RNA-SEQ已变得流行，通过将一个细胞的基因表达数据与许多其他数据相结合，可以进行详细的时间序列分析。因此，这项研究旨在通过使用单细胞RNA-Seq在植物细胞分化过程中测量新节奏的调节，这仅在植物中报道，并阐明这与细胞分化有关。这项研究分析了昼夜节律的调节，最著名的生物节奏和细胞分化的控制。到目前为止，单细胞RNA-seq数据的时间序列分析尚未占用时间信息，并且很难随着时间的流逝，例如昼夜节律，很难捕获波动的节奏。因此，开发了一种新算法，以将实时信息分配给伪时间轴，并通过使用分化诱导剂系统，我们观察到在干细胞分化过程中昼夜节律的变化。结果，揭示了昼夜节律的振荡在去分化的干细胞中停止，并且随着分化的进展，昼夜节律似乎似乎。此外，分化后时钟基因的表达曲线与去分化前的细胞显着不同，表明昼夜节律时钟系统是在干细胞中重建的。昼夜节律的这种调节实际上调节了细胞分化和与分裂相关的基因的表达，并且已经揭示了细胞命运是通过调节昼夜节律时钟控制的。