昆虫外骨格形態を建築するECMリモデリングとその分子機構の解明

• Project Area: Material properties determine body shapes and their constructions
• Project/Area Number: 20H05945
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 大澤 志津江 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (80515065)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田尻 怜子 千葉大学, 大学院理学研究院, 准教授 (70462702)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥130,780,000 (Direct Cost: ¥100,600,000、Indirect Cost: ¥30,180,000); Fiscal Year 2024: ¥29,510,000 (Direct Cost: ¥22,700,000、Indirect Cost: ¥6,810,000); Fiscal Year 2023: ¥29,510,000 (Direct Cost: ¥22,700,000、Indirect Cost: ¥6,810,000); Fiscal Year 2022: ¥29,510,000 (Direct Cost: ¥22,700,000、Indirect Cost: ¥6,810,000); Fiscal Year 2021: ¥27,950,000 (Direct Cost: ¥21,500,000、Indirect Cost: ¥6,450,000); Fiscal Year 2020: ¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000)
• Keywords: 折り畳みとその展開 / ECMリモデリング / ショウジョウバエ / 折り畳み / 展開 / ECM / 一体成型

Outline of Research at the Start

外骨格生物の多くは、脱皮前の外皮を折り畳んだ状態で作り、それを脱皮後に展開させることで形態形成を行う。しかしながら、「折り畳んだ状態で最終形態を作る仕組み」や、「折り畳まれた形態を展開する仕組み」はほとんど分かっていないのが現状である。本研究グループは、ショウジョウバエをモデル生物として導入し、折り畳み形成と展開の分子機構を、主にミクロレベルに焦点を当てた解析により明らかにする。得られた結果を、マクロレベルの解析を主に行う新美班の研究成果と統合させ、数理モデルとも組み合わせることで「折り畳みを介した形態形成」の基本法則を明らかにすることを最終目標とする。

Outline of Annual Research Achievements

外骨格生物の外部形態は、「折り畳み」とその「展開」による「一体成型」方式で形成されることが、新美班らのカブトムシ角をモデルとした研究により明らかになりつつある。研究代表者はこれまでに、ショウジョウバエ成虫原基（外部形態を形成する幼虫期の上皮シート）をモデル系とし、折り畳まれた成虫原基が外部形態へと展開する上で、基底膜の分解が重要な役割を果たすこと、および、この基底膜の分解が上皮シートを構成する細胞群ではなく、その周囲に存在する細胞集団により引き起こされることを見いだしてきた。本年度は、非上皮シート細胞群による基底膜分解が上皮シートの変形を引き起こす仕組みを明らかにするための遺伝学的実験およびライブイメージング解析を行った。その結果、非上皮シート細胞群による基底膜の分解が行われることで、上皮シートが下凸の状態から上凸の状態へと大きく変形できることが明らかとなった。また並行して本研究では、ショウジョウバエ幼虫の外骨格ECM（クチクラ）の折り畳みをキチン結合タンパク質Obstructor-E (Obst-E)が制御する機構に着目している。当該年度は、本来クチクラを産生しない翅原基においてキチン生合成を誘導する実験系を構築し、Obst-Eの分子機能を検討した。その結果、Obst-Eがクチクラ中でキチンと結合しながらマトリックスの立体的な構造をつくりだす働きを持つ分子である可能性を見いだした。また、前年度までにクチクラの展開が阻害されるいくつかの変異体を解析する中で、全身の筋収縮がクチクラの展開を誘導することを示唆する結果が得られた。そこで当該年度は野生型のクチクラ展開過程における全身のタイムラプス観察を行った結果、筋収縮とクチクラ展開が連続的に起こる様子を捉えることができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

非上皮シート細胞群による基底膜分解が上皮変形のどの過程に、どのように寄与しているのか、その意義と分子機構を明らかにするための重要な知見を得ることに成功した。また、幼虫クチクラにおけるObst-Eの分子機能を明らかにするために試行錯誤を続けてきたが、異所的解析系を用いることで分子機能を直接的に示す突破口を開くことができた。またクチクラ展開のメカニズムを明らかにするための基盤となる全身動態の解析方法を確立することができた。クチクラの折り畳みと展開の機構を明らかにするという研究目標に向けて、順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

今後は、野中茂紀博士（基礎生物学研究所）との共同研究により進めているライトシート顕微鏡での解析をさらに進め、基底膜分解と上皮変形の進行をより高解像度で捉えると同時に、上皮変形を引き起こす力学的仕組みを明らかにする。特に、計画班員の秋秋山正和博士（富山大学）との共同研究で行っている数理モデルの構築を推進する。また、前年度に幼虫クチクラにおける解析を進めていたObst-Eの変異型タンパク質について異所的実験系で分子機能の解析を行う。また、前年度までに見出していた、クチクラの展開が阻害されるsol narae変異体、Cuticular protein 49Ac変異体などについて、野生型と同様に全身動態のタイムラプス観察を行う。

Research Products

• [Journal Article] Coronin-1 promotes directional cell rearrangement in <i>Drosophila</i> wing epithelium (2023)
  • Author(s): Keisuke Ikawa, Souta Hiro, Shu Kondo, Shizue Ohsawa, Kaoru Sugimura
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 48 Issue: 2 Pages: 251-257
  • DOI: 10.1247/csf.23049
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Notch signaling generates the “cut here line” on the cuticle of the puparium in Drosophila melanogaster (2023)
  • Author(s): Reiko Tajiri, Ayaka Hirano, Yu-ya Kaibara, Daiki Tezuka, Zhengyang Chen, Tetsuya Kojima
  • Journal Title: iScience Volume: 26 Issue: 8 Pages: 107279-107279
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.107279
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Yorkie drives supercompetition by non-autonomous induction of autophagy via bantam microRNA in Drosophila (2022)
  • Author(s): Nagata Rina、Akai Nanami、Kondo Shu、Saito Kuniaki、Ohsawa Shizue、Igaki Tatsushi
  • Journal Title: Current Biology Volume: 32 Issue: 5 Pages: 1064-1076
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Epithelial cell-turnover ensures robust coordination of tissue growth in Drosophila ribosomal protein mutants (2021)
  • Author(s): Ohsawa S, Akai N, Sando S, Igaki T
  • Journal Title: PLoS Genetics Volume: 17 Issue: 1 Pages: e1009300-e1009300
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1009300
  • NAID: 120006954062
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A corset function of exoskeletal ECM promotes body elongation in Drosophila. (2021)
  • Author(s): Tajiri, R., Fujiwara, H., Kojima, T.
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01630-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] JNK and Yorkie drive tumor malignancy by inducing L-amino acid transporter 1 in Drosophila (2021)
  • Author(s): Cong Bojie、Nakamura Mai、Sando Yukari、Kondo Takefumi、Ohsawa Shizue、Igaki Tatsushi
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 17 Issue: 11 Pages: 1009893-1009893
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1009893
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Yorkie ensures robust tissue growth in <i>Drosophila</i> ribosomal protein mutants (2021)
  • Author(s): Wada Yayoi、Ohsawa Shizue、Igaki Tatsushi
  • Journal Title: Development Volume: 148 Issue: 14 Pages: 14-14
  • DOI: 10.1242/dev.198705
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Non-autonomous Deformation of the Epithelial Sheets by ECM Remodeling (2023)
  • Author(s): Shizue Ohsawa
  • Organizer: EMBO Satellite Meeting
  • Invited
• [Presentation] “非”自律的ECMリモデリングを介した上皮変形 (2023)
  • Author(s): 大澤 志津江
  • Organizer: 学術変革領域A 3領域合同集会
  • Invited
• [Presentation] ECMリモデリングを介した異種細胞間のコミュニケーションはショウジョウバエ成虫原基の外部形態への展開を駆動する (2023)
  • Author(s): 日向 千草、中山萌美、野崎勝也、佐藤良勝、井垣 達吏、井川敬介、大澤 志津江
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 昆虫のクチクラを構成する分子の異所的発現系を用いた分子の機能解析 (2023)
  • Author(s): 堀江周平, 田尻怜子
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] クチクラタンパク質Tweedleファミリーによる体形制御機構：遺伝子クラスター欠損変異体の解析 (2023)
  • Author(s): 佐木崎聡太, 田尻怜子
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ECM remodeling drives dynamic three-dimensional deformation of the folded Drosophila imaginal discs during development (2021)
  • Author(s): 吉村雷輝、前川絵美、野崎勝也、中山萌美、寺田悠人、井垣達吏、大澤志津江
  • Organizer: 日本ショウジョウバエ研究会JDRC14
• [Presentation] ショウジョウバエ成虫原基の外部形態への展開はECMリモデリングにより駆動される (2021)
  • Author(s): 日向千草、野崎勝也、中山萌美、吉村雷輝、井垣達吏、前川絵美、大澤志津江
  • Organizer: 第44回日本分子生物学学会年会
• [Presentation] クチクラの異方的伸長がつくりだす昆虫の体型 (2021)
  • Author(s): 田尻怜子
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ショウジョウバエ成虫原基の外部形態への展開はECMリモデリングにより駆動される (2021)
  • Author(s): 日向 千草、野崎 勝也、中山 萌美、吉村 雷輝、井垣 達吏、前川 絵美、大澤 志津江
  • Organizer: 第44回日本分子生物学学会年会
• [Presentation] ECM remodeling drives dynamic three-dimensional deformation of the folded Drosophila imaginal discs during development (2021)
  • Author(s): 吉村 雷輝、前川 絵美、野崎 勝也、中山 萌美、寺田 悠人、井垣 達吏、大澤 志津江
  • Organizer: JDRC14
• [Presentation] ECMの変形による形づくり：ショウジョウバエ外骨格を例として (2021)
  • Author(s): 田尻 怜子
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] クチクラの異方的伸長がつくりだす昆虫の体型 (2020)
  • Author(s): 田尻 怜子
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会