人間の脳成熟過程における遺伝子発現ダイナミクスを強調する側頭葉皮質細胞アトラス
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のかという科学的な疑問は依然未解明です。
さらに、現在構築されている世界的な人間の脳細胞アトラスは主に成人に焦点を当てており、小児期のデータが不足しています。特に、アフリカは遺伝的多様性が最も高い地域であり、その子ども人口が急速に増加しているため、アフリカ系小児のサンプルを含む参照脳細胞アトラスの構築は非常に重要です。このようなアトラスは、世界中の人間の脳発達のメカニズムの研究を促進するだけでなく、結核性髄膜炎（tuberculous meningitis, TBM）やエイズなど、地域に特有した発症率の高い病気が脳発達に与える影響を理解するための参考フレームワークを提供します。
研究の出典
この研究は《A temporal cortex cell atlas highlights gene expression dynamics during human brain maturation》（時系列的脳細胞アトラスが明らかにする、人間の脳成熟時の遺伝子発現ダイナミクス）というタイトルで、Christina Steynおよび彼女の所属する複数の研究機関によって共同で行われました。主な機関には、ケープタウン大学（University of Cape Town）の複数の部門、オックスフォード大学（University of Oxford）のMRC Weatherall Institute of Molecular Medicine、Stowers Institute for Medical Researchなどが含まれます。この論文は2024年12月に《Nature Genetics》誌（volume 56, doi:10.1038/s41588-024-01990-6）に掲載されました。
研究の流れと方法
研究チームは、単核RNAシーケンシング技術（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）を用いて、アフリカ系小児および成人から採取した側頭葉組織サンプルを高解像度で解析し、小児および成人サンプルを組み合わせた脳細胞アトラスを構築しました。このアトラスを通じて、小児と成人の脳成熟過程における遺伝子発現の相違を明らかにすることを目指しました。
a) 実験設計とフロー
研究の第一段階として、5名の小児供与者と3名の成人供与者から収集した側頭葉組織サンプルを用いてsnRNA-seq分析を実施しました。これらのサンプルには、12名の供与者からの23件のデータセットが含まれ、合計144,438個の高品質細胞核が得られました。さらに、17件の既存の類似データセットと統合し、生物データ解析で広く使用されるUMAP（Uniform Manifold Approximation and Projection）法を適用して75種類の細胞サブタイプを特定および注釈付けしました。注釈には、Allen Brain Mapの中側頭回（middle temporal gyrus, MTG）細胞分類体系を活用しました。
その後、これらの細胞サブタイプを正確に位置付けるために、空間トランスクリプトミクス（spatial transcriptomics）技術を導入しました。Visiumプラットフォームを用いて、2名の供与者（それぞれ15歳と31歳）の組織切片をシーケンスし、細胞タイプの分布量を推定しました。さらに、非負値行列因子分解（nonnegative matrix factorization, NMF）を適用して15件の細胞群を特定し、皮質層におけるそれぞれの分布を解析しました。
また、機械学習アルゴリズムNS-Forest v.2.0を活用して、各細胞サブタイプの最小遺伝子マーカーセット（minimal marker genes）を定義し、時代を超えたデータセットでマーカー遺伝子がどの程度普遍的であるかを探りました。
最後に、差分遺伝子発現解析（differential gene expression analysis）および遺伝子セット濃縮解析（Gene Set Enrichment Analysis, GSEA）を実施し、小児および成人サンプルにおける各細胞タイプの機能的な相違と遺伝子経路の動態を明らかにしました。
b) 実験結果と分析
1. サンプル組織と細胞タイプの分布
データ解析の結果、75種類の細胞サブタイプは脳内の主な神経細胞および非神経細胞の主要なタイプ、およびそれらのサブクラスをカバーしていました。神経細胞は、検出された遺伝子数およびユニーク分子識別子（UMIs）が高い点で非神経細胞と明確に区別されました。小児および成人サンプル間で、細胞タイプの全体的な分布が類似しており、成熟過程では細胞構成が大きく変化しないことが示唆されました。両グループで、オリゴデンドロサイト（oligodendrocytes）が最も一般的な非神経細胞タイプ、exc_l2-3_linc00507_frem3が最も一般的な神経細胞サブタイプでした。
2. 細胞の空間的配置
空間トランスクリプトミクスデータは、成人および小児サンプルで非常に似た組織細胞構造を示しました。各神経細胞サブタイプの分布は、大脳皮質の層状構造の特徴と高度に一致しており、例えばexc_l2_lamp5_ltkサブタイプは主に皮質第2層、exc_l6_fezf2_scube1サブタイプは白質まで拡張していました。非神経細胞タイプ、例えば星状グリア細胞（astrocytes）の2種類は、それぞれ異なる分布パターンを示し、その機能特性と一致しました。
3. 差分遺伝子発現
21種類の細胞サブタイプで、合計165の有意に差分発現した遺伝子（DEGs）が検出され、小児サンプルで123個の遺伝子が上方調節され、42個が下方調節されていました。lamc3やsox11などの遺伝子は、複数の興奮性神経細胞サブタイプで発現が上昇しており、これらの遺伝子が大脳皮質の階層化や神経細胞生成に重要な役割を果たしていることが確認されました。また、特定の興奮性神経細胞サブタイプ（例：exc_l2-3_linc00507_frem3）でfnbp1l遺伝子などが高発現しており、子ども期特有の脳成熟プロセスを駆動している可能性が示唆されました。
4. 脳機能経路解析
GSEA解析の結果、細胞呼吸、シナプス可塑性、蛋白翻訳調節に関連する経路が小児サンプルで顕著に濃縮されており、これは小児期の脳における高い代謝需要や神経回路の構築ニーズを反映している可能性があります。一方で、シナプス成長促進および軸索の包み込み経路は顕著に抑制されており、これはシナプス剪定（synaptic pruning）プロセスとの関連が考えられます。
5. 小児期病態マーカーの研究
研究は、このアトラスを使用して小児結核菌性髄膜炎（tuberculous meningitis, TBM）の潜在的な生物マーカーの細胞タイプ別特異的発現を調査しました。多くのマーカー遺伝子が非神経細胞タイプ（例：星状グリア細胞）で特に高く発現していましたが、一部の神経細胞サブタイプも疾患に関連する神経毒性発生プロセスに関与している可能性が示されました。
c) 研究の結論
本研究は、小児と成人のサンプルを網羅した側頭葉細胞アトラスを構築し、脳の成熟過程における異なる細胞サブタイプの遺伝子発現ダイナミクスの特徴を初めて明らかにしました。このリソースは、人間の脳発達メカニズムの理解に貢献するだけでなく、病理的状態における遺伝子発現の研究にとって重要な参考資料を提供します。特に、本研究はアフリカ系小児のサンプルを導入し、グローバル規模の人間細胞アトラス（human cell atlas, HCA）のより広範な人種・年齢背景を拡張する一助となっています。
d) 研究の特徴
- データの独創性：初めてアフリカ系小児のサンプルを含む。
- 技術の先進性：単核シーケンシングおよび空間トランスクリプトミクス技術の組み合わせにより、高解像度の細胞タイプ動態解析を実現。
- 差分遺伝子発現：小児から成人への移行期における遺伝子発現の微細な変化を詳細に描写。
- 応用ポテンシャル：神経発達障害メカニズム研究へのデータ応用を拡張。
e) その他の有益な情報
この研究は、グローバルな単細胞データリソースを充実させ、多様性のある人間参照アトラスの構築への実践的な道筋を提供しました。同時に、細胞レベルでの遺伝子発現プロファイルを用いた病理特性の探索を通じて、個別化医療や精密医療の発展に道を開いています。