病院の新生児室では、新生児の細い手首に重要な識別情報、例えば名前、性別、母親、生年月日などを保持する柔らかいバンドを通常配置しています。ロックフェラー大学の研究者たちは、新生児の脳細胞を使い同じアプローチを取っています。これらの新生児は一生IDタグを保持するため、科学者が成長と成熟の方法を追跡できるようになり、脳の老化プロセスをよりよく理解する手段になります。
2023年9月28日のCell誌に掲載された論文で述べられているように、ロックフェラーの遺伝学者、ジュニュエ・カオ博士（Junyue Cao, PhD）と彼の同僚たちが開発した新しい方法はTrackerSci（「スカイ」と発音）と呼ばれています。この低コストでハイスループットなアプローチにより、新生細胞は生涯にわたって作られ続けますが、作られる細胞の種類は年齢によって大きく異なることがすでに明らかになっています。
この画期的な作業は、カオの研究室からの博士課程の学生であるジユ・ル氏（Ziyu Lu）とメリッサ・ジャン氏（Melissa Zhang）によって主導され、脳の研究だけでなく、人体全体の老化と疾患の広範な側面に影響を与えることが約束されています。オープンアクセスのCell誌の記事のタイトルは「Tracking Cell-Type-Specific Temporal Dynamics in Human and Mouse Brains（ヒトとマウスの脳における細胞タイプ特異的な時間的動態の追跡）」となっています。
「細胞は私たちの体の基本的な機能単位であり、細胞への変化は実質的にすべての疾患と老化プロセスの下にある」とカオ博士は言います。彼はロックフェラーの単一細胞ゲノミクスおよび集団動態の研究室の責任者です。「この新しい技術を使用して異なる細胞とその動態を系統的に特徴づけることができれば、多くの疾患のメカニズムと老化の謎の全体的なビューを得ることができるかもしれません。」
希少で強力
新しい細胞は、記憶、学習、およびストレスに関連した重要なプロセスとして、成人哺乳動物の脳で継続的に生成されます。それらは、成熟した細胞タイプに分化する大人の幹細胞の子孫である前駆細胞から発展します。
しかし、このプロセスがどのように進行するかは、技術的な制限と細胞の希少性の両方のため、ほとんど知られていませんでした。哺乳動物の脳で前駆細胞を見つけることは、麦わらの中の針のようなものです。哺乳動物では、それらはすべての脳細胞のわずか0.5％を占めています。その数は、疾患と老化のコア特性である細胞の不安定性による下降シフトのため、生涯の後期段階で0.1％に減少します。
カオ博士は、組織と臓器が細胞の安定した集団を維持する方法を研究しているので、彼と彼のチームは、異なる細胞集団がどのように発展し、これらの異なるニューロン細胞が同じ方法で減少するか、または異なる経路を築くかどうかを調査したかったと言います。彼らの細胞の寿命を追跡することで、それらの違いだけでなく、それらが現れたときも明らかになります。
彼の研究室は、単一細胞シーケンシングの方法を最適化することを専門としており、これは遺伝子発現と個々の細胞の分子動態に焦点を当てる増加しているアプローチです。カオ博士のグループは、同時に数百万の細胞の分析を可能にする洗練されたコスト効果の高い技術である組み合わせインデックスを使用しています。この方法は、各細胞のユニークな分子アセンブリに関連する独自のバーコードで細胞分子を一意にタグ付けします。TrackerSciを使用すると、カオと彼の同僚は、この技術をさらに微調整しています。この強化により、哺乳動物の臓器の希少な前駆細胞の動態の綿密なラベリングと追跡が可能になります。
「それはIDカードとGPSトラッカーを組み合わせたようなものです」とカオ博士は言います。
若い vs. 老いた
現在の研究では、研究者たちは、3つの年齢（若い、成熟した、および高齢）にわたるマウスの脳全体からの10,000以上の新生前駆細胞を、5-エチニル-2-デオキシウリジン（EdU）という合成分子で分析しました。これらの新生細胞が分化し、増殖し、分散するにつれて、EdUは彼らのDNAを継続的にラベル付けし、GPSトラッカーのように機能しました。この革新的な技術により、研究者は、これらの新生細胞が異なる分子機能を持つ細胞タイプの家族に成長するにつれて、数万の遺伝子発現とこれらの新生細胞のクロマチン風景を分析することができました。
「私たちは、単一の実験で、全脳全体で多くの細胞タイプの細胞増殖率と分化率を定量化することができました」とカオ博士は言います。「それらは静的情報のみをキャプチャします。細胞の現在の分子状態を一瞬で。しかし、TrackerSciは時間の経過とともに動的情報をキャプチャします。それは他の方法がスナップショットを撮るようなもので、私たちはフィルムを撮影します。」
これらの映画からいくつかの明確な、そして驚くべきキャラクターが現れました。最も顕著なのは、マウスの年齢に応じて生成される細胞のタイプに大きな変化があることです。
例えば、ニューロンになる前駆細胞の数は、脳の基本的なコミュニケーション細胞である、若い脳で高いです。それは、彼らを包み込み、栄養を供給し、病原体から守ることによって、ニューロンのための安定した環境を作成するグリア細胞の範囲にも当てはまります。これは、まだ発展途上の若い臓器にとって重要です。
高齢の脳では逆のことが真実です。前駆細胞は、ニューロンまたはグリア細胞のいずれにもなることはほとんどありません。事実、脳細胞のほぼすべてのタイプが急激に減少します。最も失われるのは、記憶とアルツハイマー病のような疾患に関連する領域である海馬でニューロンを作成するために不可欠な歯状回の神経芽細胞です。成人の脳と比較して、これらの細胞の数は高齢の脳で16倍減少します。
代わりに、免疫細胞とマイクログリア、一種のマクロファージが、老化する脳で増殖します。しかし、脳を保護するのではなく、それらは老化に特有の炎症性の細胞状態に変換し、これらの細胞は高い速度で生成されます。簡単に言えば、老化する脳は、老化する脳のためにさらに問題を生む細胞をより多く作成します。
Sciが限界
カオ博士は、TrackerSciを使用して、多くの臓器の再生能力を追跡することができると言います。
「私たちは脳の研究室ではありません」と彼は指摘します。「私たちは、肺、大腸、膵臓、および多くの異なる臓器で前駆細胞のプロファイルを作成するためのプロトコルもテストしました。」
他の臓器は、脳よりも前駆細胞の比率がはるかに高いです。例えば、新生前駆細胞は、大腸の細胞の20％以上を占めています。数年前、カオ博士は、同様の組み合わせインデックス方法を使用して、人間の胎児の発育における細胞集団動態を分析する潜在能力を示しました。
TrackerSciは、カオ博士の研究室から最近登場したいくつかの単一シーケンシング技術の1つです。もう1つ、PerturbSci-Kineticsと呼ばれるものは、卒業生のジハン・シュ氏（Zihan Xu）によって開発され、スケーラブルな単一細胞ゲノミクスと高スループットの遺伝的摂動を組み合わせることで、RNAの時間的動態に基づくゲノム全体の調節ネットワークを復号化します。この方法は、最近、2023年9月25日のNature Biotechnology誌のオープンアクセスの論文で説明されました。
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誘導多能性幹細胞から派生したニューロンの蛍光光顕微鏡像。（IKELOS GmbH/クリストファー・B・ジャクソン博士（Dr. Christopher B. Jackson）/Science Photo Library）
