細胞の競合的コミュニケーションの設計による組織自律性の生成原理の解明

• Project Area: Understanding multicellular autonomy by competitive cell-cell communications
• Project/Area Number: 21H05291
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: The University of Osaka (2024-2025); Kanazawa University (2021-2023)
• Principal Investigator: 戸田 聡 大阪大学, 蛋白質研究所, 准教授 (20738835)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥88,010,000 (Direct Cost: ¥67,700,000、Indirect Cost: ¥20,310,000); Fiscal Year 2025: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2024: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2023: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2022: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2021: ¥31,590,000 (Direct Cost: ¥24,300,000、Indirect Cost: ¥7,290,000)
• Keywords: 合成生物学 / 自己最適化 / 細胞間コミュニケーション / パターン形成 / 細胞競合 / 細胞間相互作用 / モルフォゲン

Outline of Research at the Start

生体組織は、内部に生じるばらつきや異常を排除して、自身の構造や機能を最適化する自律性を備えている。近年、生体の自律性には、異質な細胞を排除する現象である細胞競合が重要であることがわかってきたが、自律性を生成する細胞間相互作用の全体像は不明である。そこで本研究では、培養細胞に細胞間コミュニケーションを人工的に構築した多細胞合成系を作製し、自律的な細胞集団のふるまいを再構成することで、自律性生成に必要十分な要素を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、人工的な細胞間コミュニケーションにより細胞集団がその配置やパターンを自律的に最適化する過程を再構成することで、多細胞システムが自律性を生成する原理を明らかにすることを目的とする。昨年度において、モルフォゲンのシグナル勾配と細胞接着分子カドヘリンの誘導によるパターン形成過程を解析したときに、一定のレベル以上にカドヘリンを発現した細胞は、カドヘリンの発現量に関わらず混ざり合うことを見出した。この結果は、カドヘリンによる細胞接着が細胞表面のカドヘリン分子の量だけで決まるのではなく、カドヘリンが制御する細胞内シグナルも細胞接着の強さに大きく寄与していることを示唆している。そこで、カドヘリン細胞内ドメインを細胞骨格制御因子に置換したキメラカドヘリン分子を作製し、カドヘリン細胞内ドメインのシグナル活性を改変したところ、細胞接着の強さを操作できることを見出した。
また本研究では、細胞間に人工的な競合関係を構築し、異質な集団を含んだ細胞集団が自身を均一な集団へと最適化するための条件も探索する。昨年度までに、人工的な細胞間コミュニケーションにより細胞死を誘導する人工競合システムを樹立し、細胞集団間に薬剤依存的に人工的な競合を誘導して細胞集団動態を観察するin vitroモデル系を構築した。今年度は、この系において、勝者細胞および敗者細胞の細胞数比を様々な値に変えて細胞集団動態を解析したところ、勝者細胞が敗者細胞を駆逐できない細胞比の閾値が存在することを見出した。さらに解析を進めることで、細胞競合は敗者細胞を駆逐するためだけのシステムではなく、細胞競合の強度や効率を制御することで、細胞集団の比率や配置を制御できる可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は、人工モルフォゲン系を用いたパターン形成の再構成系において、モルフォゲン勾配と細胞接着を連動させることで、勾配状のシグナルに応答して活性がオンとオフの２領域からなる組織パターンを自律的に形成できることを示した研究内容と、細胞表面の分子間相互作用だけでなく細胞内シグナル活性を改変することで細胞接着の強さを操作できることを示した研究内容について、それぞれ論文投稿し、現在リバイスを行っている。
また、細胞間に人工的な競合関係を構築したモデル系において、薬剤添加によって細胞競合を発動させ、細胞集団のダイナミクスを解析した。この系において細胞数比などのパラメータを変化させることで、勝者細胞が敗者細胞を駆逐できなくなる細胞比の閾値が存在することなど、興味深い細胞集団のふるまいが見えてきた。さらに、次年度ではこの実験系を発展させて、異なる細胞接着分子を発現する細胞の分離が不十分な場合において、その配置の乱れを修復する仕組みとして細胞競合が十分であるかを解析する領域内共同研究を進める予定である。以上より、細胞集団がその配置やパターンを自律的に制御するメカニズムの研究が、おおむね順調に進展している。次年度以降において、競合関係により細胞集団の割合や配置がどのように変化するかを様々な条件下で体系的に解析することで、細胞競合によって自律的な細胞集団のふるまいが生み出される仕組みを明らかにすることが期待される。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、細胞間シグナルにばらつきやノイズが含まれていても正確な多細胞パターンが自律的に形成される仕組みを検証する。これまでに、in vitroのモデルシステムにおいて、モルフォゲンシグナルと細胞接着分子の誘導を連動させてパターン形成過程を解析してきた。一方で、パターン形成過程では、細胞接着分子の変化だけではなく、細胞増殖や運動の変化も大きく影響すると考えられる。そこで、これらの細胞のふるまいをモルフォゲンによる勾配シグナルと連動させることで、細胞集団は自律的にどのようなパターンを形成することができるかを解析する。
また本研究では、異質な集団を含んだ細胞集団が自身を最適化・均質化する十分条件を解明するため、培養細胞間に競合的コミュニケーションを人工的に構築したモデルシステムを開発し、細胞集団の最適化・均質化が効率よく進む条件を探索する。これまでに、人工的な細胞間コミュニケーションにより細胞死を誘導する人工細胞競合システムを樹立し、勝者細胞と敗者細胞の細胞比を変えて細胞集団動態を解析してきた。今後は、これまでに観察された細胞集団動態が細胞競合によってどのように引き起こされているのかを解明する。さらに、異なる細胞接着分子を発現する２つの細胞集団が明確に分離されないときに、細胞競合が細胞分離を促進し、明確な境界をもった組織領域を形成するのに十分であるかについても検証する。以上により、細胞間の競合的コミュニケーションが、敗者細胞を排除することだけではなく、細胞集団の自律的な分離を十分に誘導できるかを明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Designer cell therapy for tissue regeneration (2024)
  • Author(s): Zama Noyuri、Toda Satoshi
  • Journal Title: Inflammation and Regeneration Volume: 44 Issue: 1 Pages: 15-15
  • DOI: 10.1186/s41232-024-00327-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Instructional materials that control cellular activity through synthetic Notch receptors (2023)
  • Author(s): Lee Joanne C.、Brien Hannah J.、Walton Bonnie L.、Eidman Zachary M.、Toda Satoshi、Lim Wendell A.、Brunger Jonathan M.
  • Journal Title: Biomaterials Volume: 297 Pages: 122099-122099
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2023.122099
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 人工受容体技術が変革するCAR-T細胞医薬のデザイン (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Volume: 41
  • Pages: 2972
  • DOI: 10.18958/7371-00001-0000627-00
• [Journal Article] Calcium sparks enhance the tissue fluidity within epithelial layers and promote apical extrusion of transformed cells (2022)
  • Author(s): Kuromiya K, Aoki K, Ishibashi K, Yotabun M, Sekai M, Tanimura N, Iijima S, Ishikawa S, Kamasaki T, Akieda Y, Ishitani T, Hayashi T, Toda S, Yokoyama K, Lee CG, Usami I, Inoue H, Takigawa I, Gauquelin E, Sugimura K, Hino N, Fujita Y
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40 Issue: 2 Pages: 111078-111078
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111078
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Defunctionalizing intracellular organelles such as mitochondria and peroxisomes with engineered phospholipase A/acyltransferases (2022)
  • Author(s): Watanabe Satoshi、Nihongaki Yuta、Itoh Kie、Uyama Toru、Toda Satoshi、Watanabe Shigeki、Inoue Takanari
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 4413-4413
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31946-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intestinal and optic-cup organoids as tools for unveiling mechanics of self-organizing morphogenesis (2022)
  • Author(s): Nath Sristilekha、Toda Satoshi、Okuda Satoru
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 19 Issue: 0 Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v19.0048
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 細胞分化パターンの操作を可能とする人工モルフォゲンシステムの開発 (2021)
  • Author(s): 戸田 聡, Wendell A. Lim
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 39 Pages: 939-942
• [Journal Article] 人工モルフォゲンによる多細胞パターンのデザイン (2021)
  • Author(s): 水野 皓介, 戸田 聡
  • Journal Title: 月刊「細胞」 Volume: 53 Pages: 54-57
  • NAID: 40022696354
• [Presentation] Designer niche cells to engineer tissue environment (2024)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: RIKEN BDR Organoid Workshop “Exploring Organoid Design with Microengineering”
  • Invited
• [Presentation] Programming multicellular pattern formation with synthetic cell-cell signaling (2023)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: Cell Bio 2023 - An ASCB|EMBO Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞間シグナルと細胞接着の連動による多細胞パターン形成 (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞パターンのデザイン (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 量子生命科学先端フォーラム 2023夏の研究会
  • Invited
• [Presentation] 組織再生を促進するデザイナー細胞の開発 (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 第44回日本炎症・再生医学会
  • Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞パターンのデザイン (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 東京理科大学生命医科学研究所セミナー
  • Invited
• [Presentation] 細胞間相互作用の操作による多細胞パターンのデザイン (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 日本機械学会第35回バイオエンジニアリング講演会
  • Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞パターンのデザイン (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: Cardiovascular-Metabolism-Aging Research Seminar
  • Invited
• [Presentation] Programming multicellular pattern formation with synthetic cell-cell signaling (2023)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: MBI Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 人工的な細胞間シグナルによる多細胞パターンのデザイン (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Invited
• [Presentation] Programming multicellular pattern formation with synthetic cell-cell signaling (2023)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: 2023 RIKEN BDR-CuSTOM Joint Organoid Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞組織のデザイン (2023)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 名古屋大学卓越大学院プログラムGTRセミナー
  • Invited
• [Presentation] 人工的な細胞間シグナルによる多細胞パターンの自律的形成 (2022)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Reconstructing morphogen system to program multicellular patterning (2022)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: EMBO Workshop Wnt 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Programming multicellular pattern formation with synthetic reaction diffusion circuits (2022)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: The 68th NIBB Conference "Principles of Cell Communication in the Tissue"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞パターンのデザイン (2022)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞組織のデザイン (2022)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 筑波大学生存ダイナミクス研究センターTARA公開セミナー
  • Invited
• [Presentation] Programming multicellular pattern formation with synthetic cell-cell signaling (2022)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: Stuttgart Research Center Systems Biology Seminar Talk
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Programming Multicellular Pattern Formation with Synthetic Cell-cell Signaling (2022)
  • Author(s): Satoshi Toda
  • Organizer: The 2022 ISSCR Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Programming Multicellular Pattern Formation with Synthetic Cell-cell Signaling (2022)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 日本発生生物学会第55回大会
  • Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞組織のデザイン (2022)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 大阪大学先導的学際研究機構生命医科学融合フロンティア研究部門シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションの設計による多細胞パターンのデザイン (2022)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 第3回東京理科大学合成生物学研究部門シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Programming Multicellular Pattern Formation with Synthetic Cell-cell Signaling (2022)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: The SPIRITS International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションを設計して細胞に自律的にパターン形成させる (2021)
  • Author(s): 戸田 聡
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
  • Invited