霊長類と齧歯類の皮質分子分類学比較研究報告

脳の構造は複雑で、分子組成と細胞組成の両面で高度な複雑性を示しています。現在、脳の分子分類学に関する研究は主に齧歯類に基づいています。しかし、霊長類と齧歯類は共通の祖先を持っているにもかかわらず、7500万年前に異なる進化の道筋を経て分化しました。したがって、他の種を研究するだけでは霊長類特有の認知能力を完全に説明することはできません。これまで、遺伝子発現プロファイルの種間分析は主に海馬体と前頭前皮質に焦点を当てていました。

著者と出版情報

この論文はLei Zhang、Yanyong Cheng、Zhenyu Xue、Shihao Wu、Zilong Qiuらによって共同執筆され、2024年のNeuroscience Bulletin誌に掲載されました。主な研究機関は上海交通大学医学部附属第九人民病院麻酔科、中国科学院神経科学研究所、国家重点実験室などです。

研究背景と目的

本研究は、帯状皮質の前部帯状皮質（anterior cingulate cortex, ACC）と後部帯状皮質（retrosplenial cortex, RSC）の分子分類学に注目しています。ACCとRSCは皮質構造において種を超えて相同性を示し、シナプス結合が存在し、認知と社会的行動の調節に関与しています。しかし、これらの脳領域の分子組成に関する既存の研究のほとんどは齧歯類に基づいており、霊長類には完全に適用できません。したがって、霊長類と齧歯類のこれらの脳領域の分子分類学を研究することは、認知機能と病理学的プロセスにおけるそれらの違いと共通点を理解するのに役立ちます。

研究方法とプロセス

研究では単一核RNA sequencing（snRNA-seq）技術を用い、2匹のアカゲザルと6匹のマウスのACCとRSC組織を研究対象としました。具体的なプロセスは以下の通りです：

1. サンプル採取と処理：アカゲザルとマウスのACCとRSC領域から組織を採取し、snRNA-seq分析を行いました。
2. 細胞タイプの同定とクラスタリング：既知の細胞タイプマーカー遺伝子を通じて、抑制性ニューロン、興奮性ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイト、前駆細胞、ミクログリアの6つの主要な細胞タイプを同定しました。t-SNEアルゴリズムを用いて細胞クラスタリング分析を行いました。
3. 細胞サブグループと遺伝子機能分析：興奮性ニューロンを皮質層特異的マーカーに基づいてL2/3、L2/3/4、L4、L5/6の4つのサブタイプに分類しました。抑制性ニューロンをSST、PV、VIP、SV2Cの4つのサブタイプに分類し、Gene Ontology（GO）分析を行いました。
4. 遺伝子発現差異分析：ACCとRSC間の発現差異遺伝子（DEGs）を分析し、RNA蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）を通じて異なる種間の発現マーカー遺伝子を検証しました。

研究結果

1. 細胞タイプとクラスタリング：アカゲザルとマウスのACCとRSCからそれぞれ80,484と16,164のトランスクリプトームを得ました。t-SNE分析は、異なる種と脳領域における細胞のクラスタリング状況を示しました。

2. 興奮性と抑制性ニューロンの分子特性：

   • 興奮性ニューロン：皮質層特異的マーカーに基づいてL2/3、L2/3/4、L4、L5/6の4つのサブタイプに分類されました。結果は、アカゲザルのACCとRSCにおける興奮性ニューロンの分布パターンが著しく異なることを示しました。
   • 抑制性ニューロン：SST、PV、VIP、SV2Cの4つのサブタイプに分類されました。抑制性ニューロンのACCとRSCにおける転写特性は概ね同じでした。

3. 遺伝子発現差異分析：興奮性ニューロンでは、ACCとRSC間で多くの発現差異遺伝子（PCDH17、PHGFC、CDH4など）が見つかりました。抑制性ニューロンでは、この差異は少なかったです。

4. 種間分析：無バイアスt-SNE分析により、アカゲザルとマウスのACCとRSCにおける興奮性ニューロンのサブタイプ分布とマーカー遺伝子発現に明確な違いがあることが分かりました。アカゲザルでは、これらの領域の興奮性ニューロンの転写特性に顕著な差異が見られましたが、マウスではこの差異は明確ではありませんでした。

研究結論

本研究はsnRNA-seq技術を通じて、霊長類と齧歯類のACCとRSC領域の分子マップを描きました。霊長類と齧歯類のこれらの細脳領域における興奮性と抑制性ニューロンの転写特性に顕著な違いがあることが分かりました。これらの結果は、霊長類特異的機能と種を超えた脳領域機能の情報統合を理解するための重要な分子基盤を提供しています。

研究の意義

本研究は単一核RNAシーケンシングを通じて、霊長類と齧歯類のACCとRSC脳領域における分子特性の違いを明らかにし、脳領域特異的機能に関する理解を深めました。これらの分子マーカーの同定は、新しい遺伝子ツールの開発、例えば転写と表現型遺伝調節のターゲットなどの基礎を提供しています。さらに、細胞組成と分子特性の研究は、これらの脳領域の生物学的機能を理解するための重要な洞察を提供します。

研究のハイライトと限界

1. 研究のハイライト：霊長類と齧歯類のACCとRSC領域の分子特性を初めて系統的に比較し、特に霊長類の興奮性ニューロンが異なる脳領域で顕著な差異を示すことを発見しました。これは霊長類特有の認知機能をさらに研究する上で重要な意義を持ちます。
2. 研究の限界：サンプル数と組織入手の制限により、本研究には2匹のアカゲザルと6匹のマウスしか含まれていません。将来的には、サンプル数を増やし、多年齢層のサンプルを含めることで、研究結果の一般性と正確性を高める必要があります。

その他の重要な内容

本研究は霊長類と齧歯類のトランスクリプトーム研究に分子フレームワークを提供すると同時に、転写と表現型遺伝の調節などのさらなる機能研究の基礎を築きました。さらに、本論文で報告された遺伝子発現データとコードはGene Expression OmnibusとGitHubプラットフォームで公開されており、後続の研究に便宜を提供しています。