プレスリリース資料

　近年、ゲノムの読み取り技術は急速に進展を遂げていますが、ゲノム情報を希少疾患の原因究明やがん医療へ応用するには、数万人規模のヒトゲノム解析が不可欠です。これには数ペタバイト(1)に及ぶ大量のデータを処理する高度な計算技術が求められていました。

　国立遺伝学研究所 生命情報・DDBJ センター（センター長 有田正規）と株式会社 PEZY Computing（代表取締役社長 髙橋一夫）、株式会社 ゲノムアナリティクスジャパン（代表取締役 八谷剛史）は共同で、PEZYComputing社が開発した国産メニーコアプロセッサPEZY-SC3(2)を搭載した高速ヒトゲノム解析システム「ZettaVEGA」の実証実験を行いました。ZettaVEGAではヒトゲノム解析で最もよく使用されるソフトウェアGATKのベスト・プラクティス(3)をPEZY-SC3に移植し、メニーコアを最大限まで活かした超並列計算による高速化を実現しています。

　まず、国際的によく利用される参照ゲノム配列GRCh38(4)に精度検証用のヒトゲノムデータ(5)を照合する解析をZettaVEGAで実施し、GATKベスト・プラクティスの実装と結果が99.9995%一致することを確認しました。GATKベスト・プラクティスの実装は、CPU16コアを用いても一人分のヒトゲノム解析に1日以上の計算時間を要します。
一方で、ZettaVEGA では33分で計算が完了しました。これはNVIDIA社のGPUを用いた計算時間 (H100 8枚を用いた場合に37分, V100 4枚では90分) よりも高速で、PEZY-SC3プロセッサの高い性能をよく表しています。

　次に、GRCh38よりも新しく、完成度が高い参照ゲノム配列CHM13(4)に、４つの国際コンソーシアムが公開するデータセットを照合する解析を実施しました（表１）。CHM13との照合は更に大きな計算コストがかかりますが、DDBJ(6)とゲノムアナリティクスジャパンは照合結果をインターネットで制限を設けずに公開(7)し、誰もが利用できるようにしています。

表１　ZettaVEGA(PEZY-SC3)を用いた公開データセットの実行結果

まとめ
　国立遺伝学研究所スーパーコンピュータの既存システム (NVIDIA社のV100 GPU 4枚) と比べ、ZettaVEGA を用いた計算速度は2.8倍になりました。ZettaVEGA 1台あたり、年間で約1.2万人のゲノムデータを解析できるペースです。国立遺伝学研究所ではZettaVEGAを2台導入しており、成果を公開・共有することで国内に不足する計算資源の補完に貢献しています。

■ 用語解説

(1) ペタバイト
　ペタとは、ギガ（10億）の100万倍にあたります。ヒト全ゲノムの情報を１万人分管理するのに、おおよそ１ペタバイトのストレージを要します。

(2) PEZY-SC3
　PEZY-SC3プロセッサはHPC(High Performance Computing) 用の高速演算コアを4,096個搭載した、超並列計算向けの高性能かつ省電力 IC チップです。
　製品の解説
　ZettaVEGAの解説

(3) GATKベスト・プラクティス
　GATK (Genome Analysis Tool Kit) は米国ブロード研究所が開発したヒトゲノム解析用のソフトウェア群です。
複数の処理結果を比較可能にするために計算の処理過程を揃えたものをベスト・プラスクティスと呼び、世界中で利用されています。

(4) 参照ゲノム配列 GRCh38・CHM13
　ゲノム解析の際に参考とするヒトゲノムの全染色体情報を参照ゲノム（リファレンスゲノム）といいます。基準ゲノム配列とよばれることもあります。GRCh38とは国際的な学術組織が公開する参照配列で、最新バージョン38は2013年より公開されています（特定個人の情報ではありません）。CHM13は胞状奇胎由来の１倍体完全ゲノムで、2022年に発表・公開されました。

(5) 精度検証用のヒトゲノムデータ
　米国食品医薬品局（FDA）が提供するヒトゲノムデータ PrecisionFDA HG001を、GATKベスト・プラクティスの実装（16コアのCPUを使用）とZettaVEGA（PEZY-SC3を使用）を用いて解析し、結果の一致度を評価しました。

(6) DDBJ (DNA Data Bank of Japan)
　国際的に主要な遺伝子情報のリポジトリ（投稿形式のデータベース）で、生命科学の研究者がゲノムデータを共有・公開するために利用しています。
　センターウェブサイト
　今回の公開データサイト

(7) ヒトゲノムデータの解析結果の公開
　ヒトゲノムデータへのアクセス管理は「制限なし公開」と「制限あり公開」の２通りあります。今回の結果は、制限なし公開データセットを解析したものです。

神経回路構築研究室の二橋彩音さん（総研大遺伝学コースD5･学振特別研究員）が11月27日-29日に福岡にて行われた日本分子生物学会の「MBSJ-EMBO Poster Award優秀賞」を受賞しました。

・受賞ポスタータイトル： 急速タンパク質ノックダウンによって明らかになった、生後発達期バレル皮質における樹状突起精緻化の新規メカニズム
・受賞日：2024年11月27日
・受賞者リスト
・第47回日本分子生物学会年会

左：二橋さん 受賞ポスターの前で

・岩里研究室・神経回路構築研究室

染色体生化学研究室の村山泰斗准教授が、第21回日本学術振興会賞を受賞することが12/19に発表されました。日本学術振興会賞は、創造性に富み優れた研究能力を有する若手研究者を見い出し、早い段階から顕彰することで、その研究意欲を高め、研究の発展を支援することにより、我が国の学術研究の水準を世界の トップレベルにおいて発展させることを目的として設立された賞で、本年度は人文学、社会科学及び自然科学の全分野の470名の候補者の中から25名が選ばれました。

受賞の対象となったのは「染色体分配の正確性を保証する分子基盤の生化学的特性の解明」で、生化学的解析手法を用いた村山氏の独創的な研究は国際的にも高く評価されており、今後も世界をリードする研究者として活躍すると期待できる と評価されました。

令和7年2月に日本学士院において授賞式が行われる予定です。

村山泰斗准教授

村山准教授より受賞のコメントが届いておりますのでご紹介します。

この度は日本学術振興会賞という栄えある賞を頂戴し、大変光栄に存じます。
遺伝研の充実した研究環境と、研究室のスタッフをはじめとして研究に携わっていただいた皆様のご尽力のおかげで、本受賞につながる発見をすることができました。
心より感謝申し上げます。今後も初心を忘れず研究を進めていきたいと思います。

▶ 日本学術振興会 第21回学術振興会賞

▶ 村山研究室・染色体生化学研究室

小出研究室・マウス開発研究室

Visual and olfactory signals of conspecifics induce emotional contagion in mice

Madoka Nakamura, Kensaku Nomoto, Kazutaka Mogi, Tsuyoshi Koide*, Takefumi Kikusui*
*責任著者

Proceedings of the Royal Society B (2024) 291: 20241815. DOI:10.1098/rspb.2024.1815

麻布大学大学院・獣医学研究科の中村月香修士課程学生（研究当時、現在：東京農工大学/国立精神・神経医療研究センター博士課程学生）、同大学獣医学部・介在動物学研究室の菊水健史教授、国立遺伝学研究所・マウス開発研究室の小出剛准教授らは、日本産野生由来のマウス系統（MSM/Ms）を用いて、他者の情動を検知する「情動伝染」という機能には嗅覚情報だけではなく視覚情報が不可欠であることを明らかにしました。

「情動伝染」とは、ある個体の情動が別の個体へと伝染する現象のことです。これは、共感性の最も核となる現象であると考えられており、ヒトのみならず、マウスやイヌなど多くの動物種で観察されています。

マウスは本来「嗅覚」でのコミュニケーションが主要であり、匂いを用いて情報のやりとりをしていると考えられていますが、情動伝染においては何を手がかりに他者の情動情報をキャッチしているのかは明らかになっていませんでした。

そこで今回の研究では、タブレット端末（iPad）を用いてマウスに２次元の映像を呈示し、その映像には見知らぬマウスが電気刺激により痛がっている様子を流しました。その結果、２次元の映像に加えて別室で刺激を受けた個体の尿を呈示したとき、映像を見ているマウス自身は刺激を受けていないにも関わらず、有意に高いすくみ行動（マウスの恐怖反応の一種）を発現しました。

さらにその映像にモザイク加工を施すと、施していない通常の映像を見ている時と比較して、有意にすくみ行動の発現が弱まりました。このことから、マウスの情動伝染には嗅覚情報に加えて視覚情報も重要であることが分かりました。一方、聴覚情報の重要性については、タブレットから音声が流れない場合でも、音声が流れる条件での結果と違いがなかったことから、聴覚情報は情動伝染に顕著な効果を示さないことが明らかになりました。

本研究は、日本学術振興会・JSPS科研費（no.25118007）、遺伝学研究所公募型共同研究・NIG-JOINT（84A2014, 33A2015, 35A2016）の支援を受けて行われました。

本研究成果は、2024年12月11日付で国際科学雑誌『Proceedings of the Royal Society B』オンライン版に掲載されました。

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植物細胞遺伝研究室 津田勝利助教が日本育種学会奨励賞と日本植物生理学会奨励賞を受賞しました。

・日本育種学会奨励賞
　受賞タイトル：イネ科植物における茎形成機構の研究
　育種および育種学上優れた業績をあげ，さらに将来の活躍が期待できる若手会員に対して送られる賞です。授賞式は令和7年（2025年）春に開催される予定です。

・日本植物生理学会奨励賞
　受賞タイトル：茎の初期発⽣機構の研究
　授賞式は2025年3月に金沢で行われる予定です。

津田勝利助教より受賞のコメントが届いておりますのでご紹介します。

この度は日本育種学会奨励賞と日本植物生理学会奨励賞という栄えある賞をいただき、大変光栄に思います。遺伝研の充実した研究環境と、研究にお力添えいただいた皆さまのおかげで、これまで手付かずだった植物の茎の発生メカニズムにチャレンジすることができました。今後も挑戦を続け、植物に潜む美しい仕組みを一つでも多く解き明かしていきたいと思います。

津田勝利助教

・野々村研究室・植物細胞遺伝研究室

平田研究室・脳機能研究室

Neuronal fate resulting from indirect neurogenesis in the mouse neocortex

Hatanaka Y, Yamada K, Eritate T, Kawaguchi Y, Hirata T.

Cerebral Cortex Volume 34, Issue 11, November 2024, bhae439 DOI:10.1093/cercor/bhae439

哺乳類で大きく発達した大脳新皮質は６層構造を示し、各層には特定の機能を持つ神経細胞が配置しています。このうち約８割を占める興奮性神経細胞は脳室帯に並ぶラジアルグリア細胞（RGC）と呼ばれる神経幹細胞から生まれます。RGCは神経細胞を生む分裂過程で、RGCと神経細胞を生じる「直接分化」と、RGCと中間神経前駆細胞(INP)を生じ、さらにこのINPから神経細胞を生じる「間接分化」を示すことが培養系を用いたイメージングの結果から報告されてきました。しかし、これらの分化様式がどの程度実際の皮質形成に寄与しているのか、また神経細胞タイプとどの様関連しているのかは不明でした。

今回、大阪大学大学院の旧細胞分子神経生物学研究室の畠中らは、国立遺伝学研究所の脳機能研究室の平田らが開発したNeurog2^CreERマウスを用いてこの問題に取り組みました。まず、Neurog2^CreERマウスに薬剤を投与することにより、特定の時期にRGCから分裂を経て神経に分化方向が決まった細胞（INPを含む）に組換えを誘導できることを明らかにしました。この時、再度分裂した細胞には核酸類似体を取り込ませることで間接分化由来の神経細胞を見分けられる方法を確立しました。この方法を用いて解析を行なった結果、間接分化は神経新生の初期にその割合が高いこと、どちらの分化様式であっても、分化の時間軸に沿ったタイプの神経細胞になることがわかりました。さらに、１つのINPから生まれる娘神経細胞の関係を解析するためNeurog2^CreERマウスをMADMマウスに交配させ、解析を行なったところ、主としてINPからは１回の分裂で２つの神経細胞が生まれること、これらは相互によく似たタイプであることがわかりました。

以上の結果より、直接分化も間接分化も同じ時間軸に沿った神経細胞タイプを生み出すこと、この時、間接分化は似たタイプの神経細胞数を効率よく増やしていることが考えられます。哺乳類の中でも、サルやヒトでは、マウスに比べて大脳新皮質の神経細胞数はさらに増大していますが、今回の解析結果は進化の過程でどの様に新皮質が拡大していったのかを考える重要な情報になると考えられます。

本研究は科研費（JSPS 16K07011, 20K06891, 23K05988, 23K27272）ならびにNIG-JOINT(33A2018,45A2019, 21A2020, 21A2021, 51A2022)の支援を受けて実施しました。

図：（A）神経細胞は、幹細胞であるラジアルグリア細胞（RGC）から生まれます。この時、RGCの分裂によって直接神経細胞が生まれる「直接分化」と、中間神経前駆細胞（INP）を介して神経細胞が生まれる「間接分化」があります。（B）今回の研究では、神経産生の初期には間接分化の頻度が高いこと、直接・間接分化のいずれにおいても、神経細胞は同じ発生時間軸に沿った細胞タイプ分化することがわかりました。また、INPを介する間接分化から生まれた神経細胞は、よく似たタイプに分化することから同タイプの神経細胞数を増幅する役割があると考えられます。