1細胞RNA解析で世界最高成績~国際的な性能比較研究で証明~

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2020-04-07 理化学研究所,日本医療研究開発機構

理化学研究所(理研)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の笹川洋平上級研究員、田中かおりテクニカルスタッフI(研究当時)、林哲太郎技師、二階堂愛チームリーダーの研究チームは、「高出力型1細胞RNA[1]シーケンス法[2]」の国際的な性能比較研究に参加し、同研究室で開発された手法「Quartz-Seq2[2]」が世界最高性能を示しました。

本手法は、今後、細胞分化や臓器・器官発生などの基礎研究から、再生医療や創薬などさまざまな研究分野の発展に貢献すると期待できます。

近年、高出力型1細胞RNAシーケンス法により、臓器に含まれる全ての細胞種と機能を同定し、これにより疾患の解明や発生の機序を理解する研究が盛んに行われています。現在、ヒトの全種類の細胞を調べる国際プロジェクト「ヒト細胞アトラス(HCA)[3]」計画が進められおり、疾患解明や創薬研究などが進展すると期待されています。しかし、1細胞RNAシーケンス法はいくつかの手法が提案されており、その特性の違いが理解されていませんでした。

今回、1細胞RNA-seq法の中で世界的に主要な13手法の開発者・企業が参加し、その性能を比較する研究が実施されました。その結果、研究チームが開発したQuartz-Seq2が総合的な性能スコアで世界最高成績を収めました。

本研究は、科学雑誌『Nature Biotechnology』の掲載に先立ち、オンライン版(4月6日付:日本時間4月7日)に掲載されます。

※研究チーム
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
上級研究員 笹川 洋平 (ささがわ ようへい)
テクニカルスタッフI(研究当時) 田中 かおり(たなか かおり)
技師 林 哲太郎 (はやし てつたろう)
チームリーダー 二階堂 愛 (にかいどう いとし)

本研究は、本研究チームを含むスペインのHolger Heyn博士らを中心とした25の研究機関・企業の国際共同研究グループで実施されました。

研究支援
本技術開発の研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(CREST)「[1細胞]統合1細胞解析のための革新的技術基盤(研究統括:菅野純夫)」の研究課題「臓器・組織内未知細胞の命運・機能の1細胞オミクス同時計測(研究代表者: 二階堂愛)」、JSTおよび日本医療研究開発機構(AMED)再生医療実現拠点ネットワークプログラム「iPS・分化細胞集団の不均質性を1細胞・全遺伝子解像度で高速に測定する技術の開発(研究代表者: 二階堂愛)」「超多検体オミクスによる細胞特性の計測(研究代表者: 二階堂愛)」の支援を受けました。また、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金若手研究B「多数の1細胞から定量性のある網羅的遺伝子発現情報を取り出すための基盤技術の開発(研究代表者:笹川洋平)」の支援を受けました。
背景

私たちの臓器では、多種多様な細胞が互いに関連して臓器の機能を支えています。しかし、臓器に含まれる細胞種やその数、それぞれの細胞の機能については、十分に理解が進んでいません。臓器の疾患の理解や診断、創薬を精緻に行うためには、それらを調べる必要があります。

細胞が持つ多様な機能は、ゲノム[1]DNAから転写される数万種類のRNAの組み合わせによって決まります。RNAは、さまざまなタンパク質に翻訳され、細胞のさまざまな機能を担います。従って、臓器を構成する細胞種を判別し、その機能を類推するには、臓器に含まれている個々の細胞からRNAの量と種類を知る必要があります。これを実現する技術が、「高出力型1細胞RNA-seq法」です(図1)。二階堂チームリーダーらは、これまで高出力型1細胞RNA-seq法「Quartz-Seq2」注1, 2, 3)や1細胞完全長トータルRNAシーケンス法RamDA-seq注4, 5)などの実験技術と、その大規模なデータの解析技術注6,7)の研究で世界をリードしてきました。

図1 臓器の成り立ちや疾患の理解に貢献する高出力型1細胞RNA-seq法の概念図ヒトの体は数十兆個の細胞からなり、数百種類の細胞で構成されているが、臓器の維持に関わる幹細胞は臓器にわずかしかない。このような多様・希少な細胞の機能や状態を調べれば、臓器の成り立ちや疾患を理解できる。しかし、1細胞単位ではなく、臓器単位の実験では、希少な細胞の情報が薄まってしまい、細胞の詳しい機能までは分からない。また、多様な細胞種が混合しているため、細胞種ごとの情報も得られない。そのため、高出力型1細胞RNA-seq法を利用し、臓器を構成する一つ一つの細胞を大量に、高速かつ正確に計測する必要がある。従来法では、多くの細胞を実験できるが、検出できる遺伝子数に限界がある。そのため、細胞種類の同定は得意でも、細胞周期などの細胞状態の違いや細胞の持つさまざまな機能の同定が不得手だった。Quartz-Seq2は検出できる遺伝子数が多いため、細胞状態や機能の正確な同定が容易である。 

高出力型1細胞RNA-seqの登場により、国際共同プロジェクト「ヒト細胞アトラス(HCA)」が進められています。HCAでは、ヒト細胞全種類の1細胞RNAの種類と量を収集し全細胞アトラス[4]の構築が試みられており、全細胞アトラスの完成によって、疾患の解明や創薬の研究などが進展すると期待されています。2020年3月現在、HCAには71カ国1,048の研究機関が参加しており、日本からは、本研究チームや理研生命医科学研究センターなど注8)が参加しています。

しかし、高出力型1細胞RNA-seq法の開発競争は激しく、いくつかの手法が提案されています。国際共同プロジェクトで、各国が分担してデータを収集するには、それらの特性を定量的に理解しておく必要があります。そのためには、各国の開発者や開発企業が、全く同じサンプルを対象に、各手法で実験を実施し、全く同じデータを解析する手法で公平に比較する研究が必要でした。

注1) Yohei Sasagawa, Hiroki Danno, Hitomi Takada, Masashi Ebisawa, Tetsutaro Hayashi, Akira Kurisaki, Itoshi Nikaido. “Quartz-Seq2: a high-throughput single-cell RNA-sequencing method that effectively uses limited sequence reads”. Genome Biology. 2018., doi: 10.1186/s13059-018-1407-3

注2)2013年7月25日理化学研究所プレスリリース「細胞1個の遺伝子発現を網羅的に定量化する「Quartz-Seq法」を開発」 

注3)2018年3月31日理化学研究所プレスリリース「数千個の1細胞からRNA量と種類を正確に計測」 

注4)2018年2月14日理化学研究所プレスリリース「1細胞から多種多様なRNAのふるまいを計測」 

注5)2019年9月17日理化学研究所プレスリリース「1細胞 RNA 解析キットの商用化へ」 

注6)2019年2月25日プ理化学研究所レスリリース「高速検索エンジン「CellFishing.jl」を開発」 

注7)2020年1月20日理化学研究所プレスリリース「大規模データに対する主成分分析の性能を評価」 

注8)2017年12月20日理化学研究所プレスリリース「アジア初のHuman Cell Atlas会議が開催されました」 

研究手法と成果 

高出力型1細胞RNA-seq法を公平に比較するため、その性能の国際的な比較(ベンチマーキング)研究が、スペインのHolger Heyn博士を中心としたドイツ、スウェーデン、英国、米国、本研究チームなどの25の研究機関・企業の国際共同研究チームで実施されました。また、このベンチマーキングには、主要な13手法の開発者や開発企業、実験施設などのチームが参加しました。

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