NEIL3欠損視点から発達中の海馬の遺伝子発現ネットワークを解剖

背景紹介

海馬は脳内の重要な領域であり、記憶の固定や情報処理、感情の調整における重要な役割により広く注目されています。神経科学の研究において、海馬の遺伝子調節機構は、その正常な発達、シナプスの可塑性、機能的適応において極めて重要であると考えられています。しかし、遺伝子発現の差異の分析により海馬回路の組織と機能に関与する重要な遺伝子が特定されたものの、より広範な遺伝子発現パターンや高次機能は十分に理解されていません。

NEIL3はDNAグリコシラーゼの一種で、発達中の中枢神経系に広く存在し、海馬の神経形成領域や背側室領域を含みます。既存の研究により、NEIL3が神経前駆細胞の生存、脳卒中後の神経新生機能、および海馬の成人神経新生機能において重要な役割を果たしていることが示されています。この背景から、本稿ではNEIL3が海馬の発達に与える影響をさらに探討します。

研究の出典

この研究はノルウェー科学技術大学（NTNU）のAnna M. Bugaj、Nicolas Kunath、Vidar Langseth Saasenらによって行われ、『Progress in Neurobiology』誌（2024年、第235巻、記事番号102599）に掲載されました。オンラインでの公開日は2024年3月24日です。

研究のプロセス

実験対象とサンプル処理

実験では野生型（C57BL/6N）およびNEIL3-/-マウスを使用し、合計42のトランスクリプトームサンプルが含まれました。サンプルはp8（幼年）および3か月（成人）の主要な発達段階をカバーし、海馬のCA1、CA3、歯状回（DG）領域から採取されました。

組織採取

マウスはイソフルラン麻酔と過量のペントバルビタールナトリウム注射によって安楽死させられ、その後、脳内灌流を行い、生理食塩水および4%パラホルムアルデヒドで脳組織を固定しました。固定後の脳組織は切片にされ、免疫組織化学染色が行われました。

RNA測定プロセス

RNA抽出キットを使用してRNAサンプルを抽出し、BGIゲノミクス社によってトランスクリプトームシーケンスが行われました。サンプルはBGISEQ-500プラットフォームで測定され、約4.92GBのリーディングデータが生成されました。生物情報学の分析は研究室内で行われました。

データの前処理と加重遺伝子共発現ネットワーク分析（WGCNA）

変動の大きい15,000の遺伝子に対して加重遺伝子共発現ネットワーク分析が行われ、階層的クラスタリング法を用いて遺伝子がグループ化されました。モジュールが構築され、モジュール特性関係図を用いて発達段階との関連性が評価されました。

主な研究成果

ホジキン成熟遅延現象

研究の結果、海馬のすべてのサブリージョン（CA1、CA3、DG）において、NEIL3の欠損が神経細胞の成熟を顕著に遅延させましたが、成人マウスの成熟神経細胞の総数には明らかな影響を与えませんでした。免疫組織化学分析によって、P26時点でのNEIL3欠損マウスの成熟神経細胞の比率は、野生型マウスよりも顕著に低いことが示されました。

遺伝子発現差異分析

RNA測定と主成分分析により、異なる年齢、脳領域、遺伝子型が主要な変異の決定要因であることが示されました。NEIL3の欠損は新生海馬の全体的な遺伝子発現に顕著な影響を与え、とりわけ幼年期段階でその影響が顕著であり、NEIL3が海馬発達において重要な役割を果たしていることを示唆しています。

遺伝子共発現ネットワークの相違

WGCNA分析の結果、野生型とNEIL3-/-マウスの遺伝子共発現ネットワークには接続性とモジュール特異性に顕著な相違があることが明らかになりました。野生型マウスでは階層的クラスタリング分析によって11の異なるモジュールが識別されましたが、これらのモジュールはNEIL3-/-マウスでは完全に変わってしまうことが分かり、NEIL3が遺伝子ネットワークの構造とダイナミクスを維持する上で重要であることを示しています。

モジュール分析

野生型海馬のトランスクリプトームで識別された各モジュールには、異なる発達段階で高度に相互作用する遺伝子ネットワークが含まれています。特定のモジュール内の主要ハブ遺伝子は幼年歯状回と成人CA1/CA3において上方調整され、他のモジュール内のハブ遺伝子は成人海馬領域に特異的に上方調整されていることが示されました。

NEIL3がモジュールの接続性と特異性に与える影響

NEIL3の欠損が特定のモジュール（1-ブラウンモジュール、5-ブラックモジュール、6-マジェンタモジュールなど）において全体的なモジュールの接続性を減少させることが分かりました。これらのモジュールに関する分析から、NEIL3がこれらのモジュール内の主要ハブ遺伝子に影響を与えることで幼年期特異的な遺伝子共発現ネットワークを駆動していることが示されました。

結論

この記事ではWGCNAとDGE分析を組み合わせることで、NEIL3が海馬発達の分子機構に与える影響をさらに深く探求しました。結果として、NEIL3の欠損が海馬の遺伝子共発現ネットワークの接続性と特異性に顕著な影響を与え、遺伝子接続性と機能接続性との間の潜在的な関連性を明らかにしました。これにより、海馬機能の理解に向けたシステムレベルの分析が提供され、今後の研究において海馬の機能および関連する神経病理状態の研究の基盤が築かれました。

研究のハイライト

1. NEIL3が海馬神経細胞の成熟に関与する重要な役割を明確にした。
2. 加重遺伝子共発現ネットワーク分析を通じて、海馬発育に関係する特異的な遺伝子モジュールを識別した。
3. NEIL3の欠損が遺伝子共発現ネットワークの構造と機能に与える影響を明らかにした。
4. 遺伝子接続性と海馬ネットワーク機能接続性との潜在的な関連性を評価するための包括的なシステムレベルのフレームワークを提供した。

この記事は、NEIL3が海馬発達における独自の役割を持つことを示し、分子および細胞レベルでの詳細な分析を通じて、神経発達中の遺伝子発現の精密な調節機構を明らかにしました。この研究は、海馬神経ネットワークの複雑性の理解を深めるだけでなく、今後の神経病理状態における海馬の研究に重要な参考資料を提供します。