2022 年 9 ⽉ 30 ⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学

細胞間相互作⽤による遺伝⼦発現を推定する解析⼿法を開発
私たちの⾝体は多種多様な細胞から構成されており、それらが互いに相互作⽤しあって、発⽣プロセスが適切に進⾏するとともに、組織・臓器の恒常性が維持されています。この細胞間相互作⽤が破綻すると、疾患につながることもあります。
⼀⽅、同じ種類の細胞型であっても細胞ごとに発現が変動する遺伝⼦があることが知られています。
これらの遺伝⼦の中には、細胞の機能に関与するものも多くあるため、細胞集団全体の機能や疾患の発症にも影響します。このような、細胞間での遺伝⼦発現変動には、細胞間相互作⽤が関連することがいくつかの例で知られていたものの、複数の細胞型が遺伝⼦発現に与える影響を網羅的に調べる⽅法が存在せず、その全貌は明らかではありませんでした。
本研究では、細胞の機能と空間座標を同時に計測する１細胞空間トランスクリプトームデータを⽤い、近傍の細胞が互いに遺伝⼦発現に与える影響を推定する情報解析⼿法 CCPLS を開発しました。
この⼿法は、ある細胞型に着⽬した際の、近傍の細胞型の種類と、それによる遺伝⼦発現との関連を推定するものです。シミュレーションデータを⽤いた評価実験を⾏ったところ、CCPLS が細胞間相互作⽤を精度⾼く推定できることが分かりました。また、脳や⼤腸における実データへの適⽤例から、具体的な細胞間相互作⽤を抽出することができ、本⼿法の有効性が⽰されました。
CCPLS は１細胞空間トランスクリプトームデータ全般に適⽤可能であり、細胞の微⼩環境に着⽬した創薬標的探索などへの応⽤が期待されます。

研究代表者
筑波⼤学医学医療系
尾崎 遼 准教授

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研究の背景私たちの⾝体は多種多様な細胞から構成されており、細胞が互いに相互作⽤しあうこと（細胞間相互作⽤）により、⽣命活動が適切に維持されていますが、この相互作⽤が破綻すると、疾患が⽣じるなどします。例えば、発⽣過程においては、細胞同⼠が接触して情報を伝達することでさまざまな組織が形成されます。また、腫瘍細胞で発現した遺伝⼦が免疫細胞で発現している遺伝⼦に結合することで、免疫細胞の抗腫瘍効果を弱めて腫瘍の進⾏を促進させます。2018 年にノーベル⽣理学・医学賞の受賞対象となった
がん免疫療法は、この細胞間相互作⽤を阻害することで腫瘍の進⾏を⽌めるものです。
⼀⽅、近年の研究では、同じ種類の細胞型であっても細胞ごとに遺伝⼦発現にばらつきがあることが明らかになってきました。このことは、集団としての細胞の機能や、疾患の発症にも影響を及ぼすと考えられます。しかしながら、複数の細胞型間の相互作⽤が遺伝⼦発現に与える具体的な影響を網羅的に調べる⽅法が存在せず、その全貌は明らかではありませんでした。
研究内容と成果
本研究では、細胞ごとの遺伝⼦発現と細胞の空間座標を同時に計測する１細胞空間トランスクリプトームデータ注１）を⽤い、近傍にある細胞同⼠が互いの遺伝⼦発現に与える影響を推定する情報解析⼿法
CCPLS（Cell-Cell communication analysis by Partial Least Square regression modeling）を開発しました。この⼿法は、ある細胞型に着⽬した際の、近傍の細胞型の種類と、それによる遺伝⼦発現との関連を推定するものです。近傍の細胞型の存在度合いを説明変数（原因となる変数）、遺伝⼦発現量を⽬的変数（結果となる変数）として部分最⼩⼆乗（Partial Least Square, PLS）回帰注２）を⾏い、回帰係数注３）を細胞間相互作⽤が遺伝⼦発現に与える影響の向きと程度の指標として出⼒します（参考図）。また、着⽬する細胞型すべてについて推定を⾏い、こういった細胞型と遺伝⼦発現の関連を、⼀度に網羅的に調べることができます。
シミュレーションデータを⽤いた評価実験を⾏ったところ、CCPLS は細胞間相互作⽤を精度⾼く推定できることが⽰されました。また、マウスの⼤脳⽪質のデータに対して本⼿法を適⽤したところ、オリゴデンドロサイト注４）前駆細胞がアストロサイト注５）、オリゴデンドロサイト前駆細胞⾃⾝、オリゴデンドロサイトとの細胞間相互作⽤を介して発現上昇する遺伝⼦群が抽出され、これらは、オリゴデンドロサイト前駆細胞の分化に関わる遺伝⼦群であることが確認されました。このことは、オリゴデンドロサイトの分化はアストロサイトとの細胞間相互作⽤を介して進むという既存の知⾒と合致しています。同様に、マウスの⼤腸のデータへの適⽤例からは、IgA 産⽣型 B 細胞注６）との細胞間相互作⽤を通じて、未成熟 B 細胞注７）において発現上昇する遺伝⼦群が抽出されました。これらは上⽪細胞の形成に関わる遺伝⼦群であり、IgA 産⽣型 B 細胞との細胞間相互作⽤を介して未成熟 B 細胞が上⽪細胞形成に関与するという新規の知⾒が⽰唆されました。これらのことは、CCLPS は、細胞間相互作⽤による遺伝⼦発現への影響を抽出し、細胞集団の振る舞いを⽣物学的に解析するためのツールとして有効であることを⽰しています。
今後の展開
CCPLS は１細胞空間トランスクリプトームデータ全般に適⽤可能で、細胞型の空間配置によって発現変動する遺伝⼦を抽出できることから、例えば、周囲に免疫細胞が少なく悪性度が⾼いとされる⾮炎症性腫瘍注８）など、細胞の微⼩環境に着⽬した創薬標的探索への応⽤が期待されます。
また近年、いくつかの国際コンソーシアムを中⼼に、１細胞空間トランスクリプトームデータの収集と蓄積が進んでおり、CCPLS をこれらのデータに対して適⽤することで、基礎⽣物学から疾患研究まで、さまざまな⽣物学的知⾒の発⾒につながると期待されます。
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参考図

図 CCPLS の概要。近傍の細胞型の存在により発現変動する遺伝⼦を検出する。
上段：近傍の細胞型によって発現変動している遺伝⼦の模式図。左から、細胞型 A が近傍に存在した際に発現上昇している遺伝⼦群１、細胞型 B が近傍に存在した際に発現上昇している遺伝⼦群２、細胞型
A と C が近傍に存在した際に発現上昇している遺伝⼦群 N を⽰す。
下段：CCPLS の出⼒模式図。近傍の細胞型と遺伝⼦群の関係を、ヒートマップ（左図）注９）と⼆部グラフ（右図）注 10）で出⼒する。
⽤語解説
注１）１細胞空間トランスクリプトームデータ
細胞の遺伝⼦発現を１細胞解像度で網羅的に定量し、同時に各細胞の空間位置座標も取得したデータ。
注２）部分最⼩⼆乗（Partial Least Square, PLS）回帰
説明変数の線形結合からなる因⼦に基づいて⽬的変数を予測する線形回帰モデル。説明変数あるいは⽬的変数が、サンプル数に対して⽐較的多い場合に有効。
注３）回帰係数
説明変数と⽬的変数の関係性を⽰す数値。本研究では、近傍の細胞型の存在度合いと遺伝⼦発現量の関係性を⽰す指標となる。
注４）オリゴデンドロサイト
中枢神経系内のグリア細胞の⼀つで、アストロサイトとの細胞間相互作⽤を介してミエリン（髄鞘）形成を担う。オリゴデンドロサイト前駆細胞が分化して⽣じる。
3注５）アストロサイト
中枢神経系内のグリア細胞の⼀つで、シナプス間隙における神経伝達物質の調節を担う。オリゴデン
ドロサイト前駆細胞に対して神経伝達物質を分泌して分化を促す。
注６）IgA 産⽣型 B 細胞
特異的抗原に対する抗体の産⽣・放出を担う B 細胞のうち、抗体の⼀種である IgA を産⽣する細胞。
注７）未成熟 B 細胞
B 細胞のうち、抗体産⽣能などを持たない未成熟な段階の細胞。
注８）⾮炎症性腫瘍
T 細胞の浸潤が認められない腫瘍のことで、cold tumor とも呼ぶ。T 細胞の浸潤が認められる炎症性腫瘍（hot tumor）と⽐較して、投薬効果が得られにくく悪性度が⾼いとされる。
注９）ヒートマップ
表形式のデータをマス⽬の各値に応じて⾊別に可視化する⽅法。
注 10）⼆部グラフ
頂点（ノード）を２グループに分け、グループ間で頂点間の関係を辺（エッジ）により可視化する⽅法。
研究資⾦
本研究は、科学研究費補助⾦（20K19915、17H06300、21H03124、19H03696、19K20394）の⽀援を受けて実施されました。
掲載論⽂【題 名】 CCPLS reveals cell-type-specific spatial dependence of transcriptomes in single cells（CCPLS により１細胞解像度で解明する遺伝⼦発現の細胞型特異的な空間依存性）【著者名】 Takaho Tsuchiya, Hiroki Hori, Haruka Ozaki【掲載誌】 Bioinformatics【掲載⽇】 2022 年 9 ⽉ 5 ⽇（オンライン先⾏公開）【DOI】

10.1093/bioinformatics/btac599

問合わせ先【研究に関すること】
尾崎 遼（おざき はるか）
筑波⼤学医学医療系／⼈⼯知能研究センター 准教授
URL: https://sites.google.com/view/ozakilab-jp【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報局
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp

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