Principle of body malfunctioning through local cell division failure

• Project/Area Number: 19KK0181
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 上原 亮太 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (20580020)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 塚田 祐基 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (80580000) ; 松尾 和哉 京都工芸繊維大学, 分子化学系, 助教 (90764952)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 細胞分裂 / 染色体 / 光制御 / ゼブラフィッシュ / マルチスケールイメージング / 細胞骨格

Outline of Research at the Start

生体では少数細胞の分裂異常が引き金となりガンや発生障害などの疾病が惹起されるが、その原理は明らかでない。これは、生体の随意の細胞集団に分裂異常を起こし、その影響を細胞・個体レベルで追跡できる手法の欠如による。本研究では、光照射によって随意の細胞集団に局所的分裂障害を誘導できる新奇化合物と、ゼブラフィッシュ胚の個々の細胞挙動と形態形成を同時追跡できる顕微鏡システムを駆使し、分裂異常の規模に応じた子孫細胞の形質変化や組織形態・機能への影響を実験・理論の両面から解析する。この知見に基づき、分裂障害に起因する個体機能障害を回避、軽減し、病態制御に有効性をもつ介入法を予測・実証することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

細胞分裂制御は、生命継承や恒常性維持に必要だが、少数細胞の分裂不全が発生や個体機能に及ぼす影響について知見は乏しい。本研究では、独自開発した光応答性の分裂期染色体運動阻害剤を用いて、ゼブラフィッシュ初期胚に様々な時空間パターンの染色体分配異常を誘導した際の個体への影響を解析し、少数細胞の異常に対する生体の感受性、許容性や、その決定因子を探索した。分裂異常パターンと胚運命の関係の系統的な解析から、i) 異常が起こる回数と、ii)異常が起こる発生ステージが、胚の生存性や形態の正常さに大きく影響することが分かった。興味深いことに、分裂が高度に同期する卵割期に1-2回全身的な分裂異常を誘導した場合にも、数か月間目立った異常もなく生存したことから、個体が分裂異常に対して、想定以上に高い許容性をもつことが分かった。また、受精後5時間より前に３回以上の分裂異常が起こるとほとんどが原腸陥入期に致死となる一方、受精後5-12時間に連続的な分裂異常を誘導しても胚への影響は極端に軽微になることが分かった。染色体マーカーを用いた高解像胚イメージングにより、受精後５時間を境に、染色体運動阻害の起こった細胞で中程度の分裂進行遅延が生じ始めることが分かり、紡錘体checkpointが機能し始めることが示唆された。そこで受精後5-12時間の胚で紡錘体checkpointを阻害しながら同様の染色体運動阻害を誘導すると、著しい発生障害が起こることが分かった。つまり、組織形成期に見られる分裂異常への顕著な抵抗性は、紡錘体checkpointによる分裂遅延でエラー修正の機会を増やすことにより担保されている可能性が示唆された。このような生体がもつ分裂異常への高い抵抗性は、環境汚染などによる軽度の染色体異常に対する適応力を示唆するとともに、これにより引き継がれる次世代への遺伝的影響についての検証の重要性を示唆する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology Bombay(インド)
• [Int'l Joint Research] Semmelweis University(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] Tata Institute of Fundamental Research/Indian Institute of Technology Bombay(インド)
• [Int'l Joint Research] Tata Institute of Fundamental Research(インド)
• [Int'l Joint Research] Semmelweis University(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] Tata Institute of Fundamental Research(インド)
• [Int'l Joint Research] Semmelweis University(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] Tata Institute for Funadamenta Research(インド)
• [Int'l Joint Research] Semmelweis University(ハンガリー)
• [Journal Article] Fragility of ER homeostatic regulation underlies haploid instability in human somatic cells (2024)
  • Author(s): Ishida-Ishihara Sumire、Yaguchi Kan、Sato Kimino、Yoshizawa Koya、Miura Sena、Yang Guang、Veszelyi Krisztina、Banhegyi Gabor、Margittai Eva、Uehara Ryota
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2024.04.05.588249
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cell shape instability during cytokinesis in tetraploid HCT116 cells (2023)
  • Author(s): Yamamoto Takahiro、Uehara Ryota
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 678 Pages: 39-44
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2023.08.038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tetraploidy-linked sensitization to CENP-E inhibition in human cells. (2023)
  • Author(s): Yoshizawa Koya、Matsura Akira、Shimada Masaya、Ishida‐Ishihara Sumire、Sato Fuyu、Yamamoto Takahiro、Yaguchi Kan、Kawamoto Eiji、Kuroda Taruho、Matsuo Kazuya、Tamaoki Nobuyuki、Sakai Ryuichi、Shimada Yasuhito、Mishra Mithilesh、Uehara Ryota
  • Journal Title: Molecular Oncology Volume: 10 Issue: 6 Pages: 13379-13379
  • DOI: 10.1002/1878-0261.13379
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Centrosome Loss And Cell Proliferation Defects Underlie Developmental Failure In Haploid Zebrafish Larvae (2022)
  • Author(s): Yaguchi Kan、Saito Daiki、Menon Triveni、Matsura Akira、Mizutani Takeomi、Kotani Tomoya、Nair Sreelaja、Uehara Ryota
  • Journal Title: bioRxiv Volume: －
  • DOI: 10.1101/2022.05.12.491746
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrastructural Characteristics of Finger-Like Membrane Protrusions in Cell Competition (2022)
  • Author(s): Kamasaki Tomoko、Uehara Ryota、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: Microscopy Volume: in press Issue: 4 Pages: 195-205
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfac017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Low-invasive 5D visualization of mitotic progression by two-photon excitation spinning-disk confocal microscopy (2022)
  • Author(s): Kamada Takafumi、Otomo Kohei、Murata Takashi、Nakata Kaito、Hiruma Shota、Uehara Ryota、Hasebe Mitsuyasu、Nemoto Tomomi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-021-04543-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular basis of functional exchangeability between ezrin and other actin-membrane associated proteins during cytokinesis (2021)
  • Author(s): Yang Guang、Hiruma Shota、Kitamura Akira、Kinjo Masataka、Mishra Mithilesh、Uehara Ryota
  • Journal Title: Experimental Cell Research Volume: 403 Issue: 2 Pages: 112600-112600
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2021.112600
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rational design and development of a lit-active photoswitchable inhibitor targeting CENP-E (2021)
  • Author(s): Matsuo Kazuya、Tamaoki Nobuyuki
  • Journal Title: Organic & Biomolecular Chemistry Volume: 19 Issue: 32 Pages: 6979-6984
  • DOI: 10.1039/d1ob01332g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A visible light-controllable Rho kinase inhibitor based on a photochromic phenylazothiazole (2021)
  • Author(s): Matsuo Kazuya、Thayyil Sampreeth、Kawaguchi Mitsuyasu、Nakagawa Hidehiko、Tamaoki Nobuyuki
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 57 Issue: 93 Pages: 12500-12503
  • DOI: 10.1039/d1cc04905d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mevalonate Pathway-mediated ER Homeostasis Is Required for Haploid Stability in Human Somatic Cells (2021)
  • Author(s): Yaguchi Kan、Sato Kimino、Yoshizawa Koya、Mikami Daisuke、Yuyama Kohei、Igarashi Yasuyuki、Banhegyi Gabor、Margittai Eva、Uehara Ryota
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 46 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1247/csf.20055
  • NAID: 130007988144
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Uncoupling of DNA Replication and Centrosome Duplication Cycles Is a Primary Cause of Haploid Instability in Mammalian Somatic Cells (2020)
  • Author(s): Yoshizawa Koya、Yaguchi Kan、Uehara Ryota
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 8 Pages: 1-9
  • DOI: 10.3389/fcell.2020.00721
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoswitchable CENP-E Inhibitor Enabling the Dynamic Control of Chromosome Movement and Mitotic Progression (2020)
  • Author(s): Noushaba Nusrat Mafy, Kazuya Matsuo, Shota Hiruma, Ryota Uehara, Nobuyuki Tamaoki
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 142 Issue: 4 Pages: 1763-1767
  • DOI: 10.1021/jacs.9b12782
  • NAID: 120006955185
  • Peer Reviewed
• [Presentation] The influence of aberrant mitosis in different developmental stages in zebrafish embryos (2023)
  • Author(s): 松浦暉、松尾和哉、小谷友也、玉置信之、上原亮太
  • Organizer: 第56回日本発生生物学会
• [Presentation] Supernumerary-centrosome dynamics and mitotic regulation in whole-genome-duplicated cells (2023)
  • Author(s): 猪子雅哉、楊光、塚田祐基、上原亮太
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Developmental stage-dependent centrosome loss in haploid zebrafish larvae (2023)
  • Author(s): 斎藤大輝、矢口完、Nair Sreelaja、上原亮太
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Whole-genome duplication-dependent changes in human cancer cell property in zebrafish xenografts (2023)
  • Author(s): 佐藤芙由、松浦暉、石原-石田すみれ、島田康人、上原亮太
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 染色体倍加に伴う中心体の量的変化の作用 (2022)
  • Author(s): 上原亮太
  • Organizer: 第45回 日本分子生物学会年会ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 染色体倍加に伴う中心体活性亢進の原理と意義 (2022)
  • Author(s): 上原亮太
  • Organizer: 第95回 日本生化学会大会 シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 動物非二倍体細胞における細胞分裂障害の発生機序 (2021)
  • Author(s): 上原亮太
  • Organizer: 第80回 日本癌学会学術総会 シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 動物生活環を特徴づける“倍数性・中心体リンク” (2021)
  • Author(s): 上原亮太
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会 シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Ploidy-linked alterations in mitotic spindle polarity determine the long-term ploidy dynamics in mammalian cells (2020)
  • Author(s): Ryota Uehara
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited