Spatial transcriptomics of mammalian tissues

Prof. Shalev Itzkovitz

Department of Molecular Cell Biology, Weizmann Institute of Science

【概要】

Mammalian tissues are composed of repeating anatomical units that are polarized by morphogens or directional blood flow. As a result, cells at different tissue coordinates sub-specialize in distinct physiological functions, a phenomenon termed ‘zonation’. I will describe approaches based on single cell RNA sequencing, single molecule transcript imaging and spatial transcriptomics to characterize zonation in the key metabolic organs – the liver and intestine. I will discuss emerging design principles that facilitate optimal organ function through spatial division of labor. I will also describe the impact of zonation on diverse pathological states.

日時： 2022年3月10日（木） 16:00～17:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

参加希望の方は
info.kuroda-lab [at] bs.s.u-tokyo.ac.jp
までメールをいただければZoomのURLを送付いたします。所属機関のメールアドレスでお願いします。個人のメールアドレスはお控えください。その際には、氏名と所属も合わせてお願いいたします。

時空間的な遺伝子発現制御のしくみを探る

沖 真弥 准教授

京都大学大学院 医学系研究科

【概要】

多細胞生物の個体は様々な組織や細胞タイプから構成され、その多様性は時空間的な遺伝子発現によって規定される。これまで、特定の組織や空間領域で時々刻々と発現変化する遺伝子が見出されてきたが、その網羅的な検出や時空間的な制御機構の理解は難しい。

我々は遺伝子発現制御機構をデータ駆動的に解明するため、世界中で報告された全てのChIP-seqデータ（約14万件）を統合したデータベース、ChIP-Atlasを開発した。また最近、さらにATAC-seqデータ（約5万件）とBisulfite-seqデータ（約3万件）を追加し、エピゲノミクス統合データとしてリニューアルした。その膨大なデータを駆使し、各種組織の分化、遺伝的な疾患、また創薬に関わるマスター制御因子の探索を進めている。また我々は空間的な遺伝子発現を高精細に理解するため、光学と化学を融合した新規ゲノミクス技術、photo-isolation chemistry（PIC）を開発した。これは、興味のあるエリアに特定波長の光を照射すると、その照射領域だけの遺伝子発現プロファイルを取り出すことができる。これにより、脳やマウス胚における微小組織から、細胞内に存在するサブミクロンレベルの構造体に至るまで、エリア特異的な遺伝子発現プロファイルの取得に成功した。

本セミナーでは、データ駆動型解析と新規オミクス技術の両立で明らかになった空間的な遺伝子発現の制御機構について紹介し、さらに細胞分化や疾患原理の解明などへの応用について議論したい。

References

1. Oki, et al. ChIP-Atlas: a data-mining suite powered by full integration of public ChIP-seq data. EMBO Rep, 19(12), e46255, (2018).
2. Honda, et al. High-depth spatial transcriptome analysis by photo-isolation chemistry. Nat Commun, 12(1), 4416, (2021).
3. 参考PDF（実験医学）：https://is.gd/UnOAUP

日時： 2022年2月10日（木） 16:00～17:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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Collective Intelligence in Living/non-living agents

池上 高志 教授

東京大学大学院 総合文化研究科

【概要】

In this study, we propose a new theory of collective intelligence by using machine learning algorithms to study the dynamics of biological and non-living populations and their collective phenomena. The goal is to construct a new theory of emergent phenomena in population dynamics, including macroscopic emergent phenomena called superorganisms, by analyzing a large amount of individual tracking data obtained from actual biological experiments.  The ultimate goal is to discuss the relationship between macroscopic properties such as aging and vitality at the population level and the complex microscopic dynamics of the constituent individuals. Specifically, I will report on population phenomena in simulations of large scale swarms, as well as in biological populations such as honeybees, amphipods, and tetrahymena.

cf.
Takashi Ikegami, Yoh-ichi Mototake, Shintaro Kobori, Mizuki Oka, Yasuhiro Hashimoto: Life as an emergent phenomenon: studies from a large-scale boid simulation and web data, Phil.Roy.Soc.,375, pp.1-15, 2017.
Norihiro Maruyama, Daichi Saito, and Takashi Ikegami. Emergence of Superorganisms in a Large Scale Boids Model. 2019 IEEE Symposium Series on Computational Intelligence (SSCI), pp.299-305
Daichi Saito, Norihiro Maruyama, Takashi Ikegami and Yasuhiro Hashimoto. Visualization of Dynamic Structure in Flocking Behavior. Artificial Life and Robotics volume 25, pages544–551 (2020)

日時： 2021年12月21日（火） 16:00～17:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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遺伝子発現量の細胞間多様性を誘引する転写バースト制御機構の解明

落合　博　博士

広島大学大学院統合生命科学研究科・准教授

【概要】

転写バーストとは、プロモーターの確率的な活性化と不活性化のことであり、遺伝子発現量の細胞間多様性に寄与する。しかし、哺乳類細胞における転写バースト動態（転写活性状態の割合であるバースト頻度と、転写活性状態あたりの平均ｍRNA転写数であるバーストサイズ）の制御機構は不明な点が多い。

我々はマウス胚性幹細胞の転写バースト動態を解明するために、ハイブリッドマウス胚性幹細胞で1細胞RNA-Seqを行い、対立遺伝子ごとの発現量を区別することによって、ゲノムワイドに転写バーストによって誘引されるmRNA発現量の細胞間多様性の大きさ(intrinsic noise)および転写バースト動態を推定した。ゲノム解析と機能検証によって、intrinsic noiseおよび転写バースト動態がプロモーター及び遺伝子領域の結合タンパク質の組合せによって決まることを明らかにした。さらに、CRISPRノックアウトライブラリーを用いた網羅解析によって、Akt/MAPKシグナル経路が転写伸長効率の調節を介して転写バーストの調節に関与することを見出した(1)。本発表では最新のデータを紹介するとともに、マウス胚性幹細胞において認められる遺伝子発現量の細胞間多様性にintrinsic noiseが如何に関わるのかについて議論する。

参考文献

1. Ochiai et al., Sci Adv, 6(25), eaaz6699

日時： 2021年11月16日（火） 16:00～17:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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A temporal signaling code to specify innate immune responses and memory

Prof. Alexander Hoffmann

UCLA

【要旨】

Immune sentinel cells must initiate the appropriate immune response upon sensing the presence of diverse pathogens or immune stimuli. To generate stimulus-specific gene expression responses, immune sentinel cells have evolved a temporal code in the dynamics of stimulus responsive transcription factors. I will present recent works 1) using an information theoretic approach to identify the codewords, termed “signaling codons”, 2) using a machine learning approach to characterize their reliability and points of confusion, and 3) dynamical systems modeling to characterize the molecular circuits that allow for their encoding. I will present progress on how the temporal code may be decoded to specify immune responses. Further, I will discuss to what extent such a code may be harnessed to achieve greater pharmacological specificity when therapeutically targeting pleiotropic signaling hubs.

NFκB Signaling: information theory, signaling codons
Adelaja, A., Taylor, B., Sheu, K.M., Liu, Y., Luecke, S., Hoffmann, A. 2021 Six distinct NFκB signaling codons convey discrete information to distinguish stimuli and enable appropriate macrophage responses. Immunity, 54, pp.916-930. e7. PMID: 33979588
Tang, Y., Adelaja, A., Ye, X, Deeds, E., Wollman, R., Hoffmann, A. 2021. Quantifying information accumulation encoded in the dynamics of biochemical signaling. Nature Communications 12, pp. pp.1272. PMID: 33627672, PMC7904837

Decoding signaling codons to specify immune response gene expression and epigenetic memory
Sen S., Cheng, Z., Sheu, K., Chen, E.Y.H., Hoffmann, A. 2020 Gene Regulatory Strategies that Decode the Duration of NFkB Dynamics Contribute to LPS- versus TNF-Specific Gene Expression. Cell Systems, 10, pp.1-14. PMID:31972132, PMC7047529
Cheng, Q.J., Ohta, S., Sheu, K.M., Spreafico, R., Adelaja, A., Taylor, B., Hoffmann, A. 2021 NFκB dynamics determine the stimulus-specificity of epigenomic reprogramming in macrophages. Science, 372, pp.1349-1353; PMID: 34140389.

Pharmacologic manipulation of the code
Behar, M., Barken, D., Werner, S.L., Hoffmann, A. 2013 The Dynamics of Signaling as a Pharmacological Target. Cell, 155, pp.448-461. PMID: 24120141, PMC3856316

日時： 2021年10月27日（水） 10:00～11:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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大規模トランスクリプトーム解析によるデータ駆動型生命科学の展開

二階堂 愛 博士

理化学研究所 生命機能科学研究センター バイオインフォマティクス研究開発チーム チームリーダー
東京医科歯科大学 難治疾患研究所 ゲノム応用医学部門 教授

【要旨】

組織に含まれるすべてのRNAの種類と数（トランスクリプトーム）を計測し、機能や状態を類推するRNA-sequencing法(RNA-seq)は、複雑なヒト臓器を理解し、疾患に立ち向かうために広く用いられている。臓器を構成するひとつひとつの細胞を調べる1細胞RNA-seq法が登場した。さらに数百から数万検体を簡便に低コストで一度に超多検体bulk RNA-seq法が登場し、個人や薬剤ライブラリの影響を大規模に計測できるようになりつつある。本講演ではこれらの2つの技術を達成するQuartz-Seq2 (Sasagawa Y. et al. Genome Biol. 2013, 2018, Adv.s in Exp. Med. and Biol. 2019, Mereu E. et al. Nat. Biotech. 2020) について紹介する。この技術を利用したヒト疾患iPS細胞研究や創薬研究への応用について紹介する。またこれらの大規模トランスクリプトームデータを活用するAIの開発状況について共有する。

日時： 2021年9月14日（火） 17:00～18:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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DNAメチル基転移酵素3a欠損における低メチル化転写終結部位での転写終結異常の同定

白井 均樹 氏

広島大学大学院 理学研究科 生物科学専攻

【要旨】

発表者はエピジェティクスに着目し、研究を進めてきた。その研究成果を発表する。

真核生物のゲノムDNAに付加されるメチル化修飾は、プロモーター領域において、転写を抑制するためのエピジェネティックマークとして機能している。しかしながら、転写終結部位(TTS)におけるDNAメチル化の影響については未だ明らかにされていない。TTSに重なっている低メチル化領域と転写終結の関係性を調べるために、私たちは二つの方法を用いた。データベースに存在するDNAメチル基転移酵素3a(Dnmt3a)欠損マウス細胞の公開データを用いた解析とゼブラフィッシュモデルシステムを用いた解析である。

メチロームとトランスクリプトームデータを用いたバイオインフォマティクス解析により、TTSと重なっている低メチル化領域が存在すると、TTSの下流で発現が上昇し、キメラ転写産物が増加することを発見した。この現象は、AgRP神経細胞で見られたが、MEFやES細胞では見られなかった。さらに、ゼブラフィッシュDnmt3aa変異体を用いた解析により、生物実験的に、リードスルー転写産物とキメラ転写産物を検出できた。本研究により、低メチル化されたTTSにおいて転写終結異常が生じる現象が明らかになった。

日時： 2021年9月1日（水） 16:00～17:00
場所： Zoom
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Proteomes in 3D

Paola Picotti教授

Institute of Molecular Systems Biology, ETH Zurich

【要旨】

Biological processes are regulated by molecular events, such as intermolecular interactions, chemical modification and conformational changes, which do not affect protein levels and therefore escape detection in classical proteomic screens. Reasoning that these events affect protein structure, we tested whether a global readout of protein structure could detect various types of functional alterations simultaneously and in situ. We tested this idea using limited proteolysis coupled to mass spectrometry (LiP-MS), which monitors structural changes in thousands of proteins within a complex, native-like environment. In bacteria adapting to different nutrient sources and in yeast responding to acute stress, the structural readout, visualized as structural barcodes, captured enzyme activity changes, allosteric regulation, phosphorylation, protein aggregation and protein complex formation, with the resolution of individual regulated functional sites such as binding and active sites. Comparison with prior knowledge, including flux, phosphoproteomics and metabolomics data, showed that LiP-MS detects many known functional alterations within well-studied pathways. It suggested novel metabolite-protein interactions and enabled identification of a fructose-1,6-bisphosphate-based regulatory mechanism of glucose uptake in E. coli. The structural readout dramatically increases the coverage of classical protein expression profiling, generates mechanistic hypotheses, better links holistic and reductionist approaches, and paves the way for a new in situ structural systems biology.

日時： 2021年5月17日（月） 16:00～16:30
場所： Zoom
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黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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染色体構造を介した遺伝子発現制御を読み解くゲノム解析

中戸 隆一郎 講師

東京大学 定量生命科学研究所

【要旨】

次世代シーケンサを利用した大規模なデータセットの横断的解析により、前提知識に依存することなく重要な新規知見を獲得する「データ駆動形エピゲノム解析」への期待が飛躍的に高まっている。一方、そのための情報解析技術開発は未だ発展途上であり、大規模解析の律速となっている。本日は主にエピゲノム、立体構造解析を含めた大規模ゲノム情報解析に関する我々の取り組みについて紹介する。

日時： 2021年4月13日（火） 14:00～15:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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非冬眠動物における冬眠様状態の誘導

砂川 玄志郎　博士

国立研究開発法人理化学研究所　生命機能科学研究センター　網膜再生医療研究開発プロジェクト

【要旨】

冬眠中の動物は正常時と比べて数％まで酸素消費量が低下し、外気温よりも数度高い程度の低体温を呈するが、何ら組織障害を伴うことなく自発的に元の状態に戻ることができる。このような“制御された低代謝”は、疾患によって組織が受けるダメージを回避できる可能性があり臨床応用が期待されている。しかし、冬眠のメカニズムはほとんど分かっていない。冬眠研究を困難にしている理由の一つが、通常使用される実験動物であるマウス等が冬眠をしないことであった。
本研究では、マウスの脳（視床下部）の一部に存在する神経細胞群を興奮させると、マウスの体温・代謝が数日間にわたって著しく低下することを発見した。この神経細胞群をQ神経（Quiescence-inducing neurons : 休眠誘導神経）と名付け、このQ神経を刺激することにより生じる低代謝をQIH（Q neurons—induced hypometabolism）と名付けた。

QIH中のマウスは動き・摂食がほぼなくなり、体温セットポイントが低下するため著しい低体温を呈する。行動解析・組織学的解析ではQIHの前後で異常が見らなかった。本研究によって、哺乳類に広く保存されているQ神経を選択的に刺激することで、非冬眠動物に冬眠様状態を誘導できることが明らかとなり、人間でも冬眠を誘導できる可能性が示唆された。

日時： 2020年9月18日（金） 16:00～17:30
場所： Zoom
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