背景紹介 細胞生物学において、細胞がどのように異なる応答を示すかを理解することは非常に重要です。perturbation（擾乱）とは、遺伝子編集、化学物質、環境変化、または機械的な力によって細胞の状態を変化させ、その機能を研究することを指します。しかし、既存の方法では、単一細胞レベルでの異質性応答を定量化する際に限界があり、特に部分的な遺伝子擾乱（partial gene perturbation）や用量効果（dosage effect）の分析において十分な性能を発揮していませんでした。この問題を解決するため、研究者たちは新しい計算手法であるPerturbation-Response Score（PS）を開発し、単一細胞の擾乱応答の異質性をより正確に定量化し、細胞の内在的および外在的要因が擾...

単一細胞トランスクリプトームシーケンシング（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）技術の登場により、細胞の発生と分化過程における遺伝子発現のダイナミクスをこれまでにない解像度で研究することが可能になりました。しかし、生物学的プロセスの複雑さから、異なる条件下での細胞発生軌跡はしばしば非対称であり、データの統合と比較に課題をもたらしています。既存の方法は通常、異なる条件下のサンプルを統合してからクラスタリング分析を行ったり、共有される軌跡を推測したりすることを前提としていますが、これらの方法は非対称な軌跡を扱う際に効果的ではなく、重要な差異発現遺伝子（differentially expressed genes, DEGs）を見逃す可能性があります。 この...

単細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）技術は、単細胞解像度で高スループットなトランスクリプトーム解析を可能にし、細胞生物学の研究を大きく進展させました。しかし、scRNA-seq技術の重要な制約は、組織を解離する必要があるため、細胞の組織内における元の空間位置情報が失われることです。空間トランスクリプトミクス（Spatial Transcriptomics, ST）技術は、正確な空間遺伝子発現マップを提供できますが、遺伝子検出数、コスト、細胞タイプ注釈の細かさにおいて制限があります。そのため、scRNA-seqデータに空間情報を復元する方法は、現在の研究における重要な課題となっています。 この問題を解決するため、研究者たちは、scRNA-seqとSTデータの間で知識を転送する「細胞対応...

アルツハイマー病におけるCRTC1のS-ニトロシル化がCREB依存性遺伝子発現を破壊する 学術的背景 アルツハイマー病（Alzheimer’s Disease, AD）は、記憶や認知機能の徐々な喪失を特徴とする一般的な神経変性疾患です。ADの病理機構は複雑で、多様な分子および細胞プロセスが関与しており、その中でもタンパク質の異常修飾が疾患進行の鍵となる要因の一つと考えられています。S-ニトロシル化（S-nitrosylation）は一酸化窒素（NO）によって媒介されるタンパク質の翻訳後修飾であり、多くの神経変性疾患で重要な役割を果たすことが示されています。しかし、ADにおけるS-ニトロシル化の具体的な作用メカニズムはまだ完全には解明されていません。 本研究では、cAMP応答エレメント結合タン...

単一細胞解析による脳脊髄液中の神経炎症の共通特性の解明 神経炎症（neuroinflammation）は神経系疾患における主要な病理学的特徴であり、脳脊髄液（cerebrospinal fluid, CSF）と末梢免疫系との間で複雑な相互作用を伴う。過去の研究により、多発性硬化症（Multiple Sclerosis, MS）や他の神経炎症疾患においてCSF中でのリンパ球クローン拡大現象が明らかにされてきたが、これら免疫細胞の特性や動的変化メカニズム、健康と疾患の違いに関しては、多くの未解明の科学的課題が残されている。これらの課題を解明し、CSF免疫環境の特徴と疾患状態での生物学的意義を明らかにするために、Benjamin M. Jacobsらが徹底的な研究を行った。 この研究は、イギリスの...

側頭葉てんかんにおけるシナプス密度ネットワーク機能障害の関連遺伝子発現パターンを解明 背景 側頭葉てんかん（Temporal Lobe Epilepsy, TLE）は、最も一般的な部分てんかんの一種であり、その病理的特徴と発症メカニズムは神経科学の分野で長年注目されてきました。本疾患は、単一の脳領域（例：てんかん焦点）のみに関与するのではなく、広範な脳ネットワーク機能に影響を及ぼす疾患と考えられています。TLEの核心的な病理メカニズムには主に興奮性と抑制性シナプス伝達の不均衡が含まれ、シナプスの喪失が重要な要因であるとされています。こうしたシナプスネットワークのマクロな変化が脳機能ネットワークの障害を引き起こす可能性があり、遺伝子レベルでの異常がこれらのシナプス再構築の潜在的な起因である可能...

遺伝子レベルの単一細胞軌跡アライメント：動的プログラミングに基づく新手法 シングルセルRNAシーケンシング（Single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）技術の出現により、生物学研究が飛躍的に進展し、時間や空間における単細胞レベルでの動的変化を観察することが可能になりました。しかしながら、サンプル間や条件（例えば、対照と薬剤処理、体内と体外実験、健康と疾患など）の動的変化を比較するには未だ多くの課題があります。本研究では、新たに開発された「genes2genes」と呼ばれるツールを通じて、単細胞軌跡アライメントにおける重要な課題、特に遺伝子レベルでの動的変化の精確なマッチングを実現しようとしています。 本論文は、Wellcome Sanger Institute...

人間の脳成熟における遺伝子発現のダイナミクス研究：新たな時系列脳細胞アトラス 学術的背景 人間の脳の発達と成熟は神経科学で重要な研究分野ですが、依然として多くの未解明な謎が残されています。発達中の人間の脳は、生後、遺伝子発現の動的な変化に導かれながら長期にわたる複雑な成熟のプロセスを経ます。以前、体塊組織（bulk tissue）に基づく大規模なトランスクリプトーム研究で、胎児後期から幼児初期への移行期、さらには小児期と青年期の脳構造や機能における劇的な変化に伴う顕著な遺伝子発現変化が明らかにされました。しかし、これらの研究の限界は、細胞タイプごとの遺伝子発現の動態を特定できなかった点にあります。そのため、異なる細胞タイプが小児期から成人期にわたる脳の成熟過程でどのように遺伝子発現が変化する...

大判型マイクロアレイを再利用してスケーラブルな空間トランスクリプトミクスを実現する新手法：Array-Seq技術の誕生 背景と研究の起源 近年、空間分子解析（spatiomolecular analyses）は、生物医学研究や臨床病理学にとって重要なツールとなっています。これは、組織内の細胞や分子の空間的な配置が、それらの機能や健康・病気における異常な変化にどのように影響を与えるかを研究できるからです。しかし、既存の空間トランスクリプトミクス（spatial transcriptomics, ST）技術は、複数の面で制約を抱えています。特に、装置の高額さ、操作の複雑さ、表面積の小ささ、大量のサンプル処理との非互換性、さらに一般的な組織学染色（H&E染色など）との非互換性が挙げられます。これら...

大規模言語モデルを用いた遺伝子集合機能発見の探求：GPT-4の優れた性能 学術的背景 機能ゲノミクス（functional genomics）の分野では、遺伝子集合の富化解析（gene set enrichment analysis）が遺伝子の機能と関連する生物学的プロセスを理解するための重要な方法となっています。しかし、現在の富化解析はGene Ontology (GO) などといった文献に基づいて整理された遺伝子機能データベースに依存しており、これらのデータベースには不完全性や更新の遅れといった課題があります。このため、多くの遺伝子集合が従来のツールでは効果的に解析できず、これらの未定義の遺伝子集合が新たな生物学的知識の源泉となる可能性があります。 こうした背景のもと、近年、生成型人工知...