Analysis of the mechanisms that determine and maintain the tail ratio

• Project/Area Number: 20K06656
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44020:Developmental biology-related
• Research Institution: Tottori University
• Principal Investigator: TAKEUCHI Takashi 鳥取大学, 医学部, 教授 (70197268)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 組織比率 / 尾 / イベリアトゲイモリ / ゲノム編集 / Hox13 / Hox / 器官サイズ比 / 尾長 / 椎骨 / hox / 椎骨数 / 軟骨形成 / 椎骨サイズ / 器官サイズ / 形態形成

Outline of Research at the Start

動物の器官や四肢、尾などのサイズはそれぞれの種固有の比率をもつ。また、再生できる動物では再生過程でもこの比率が再獲得される。しかし、どのようなしくみでこの比率が決まり、維持され、そして再獲得されるかについてはほとんどわかっていない。私たちは個体全体の形成に深く関わるhox遺伝子の一群を破壊したところ、著しい尾の伸長（野生型の2倍以上）を見出した。この結果は、これらの遺伝子が尾の伸長を抑制することでイモリ固有の尾の比率の決定や維持に強く関与することを示している。本研究では、この変異体の解析や移植実験を基盤に発生および再生過程での尾の比率の決定と維持を指令するカスケードの解明をめざす。

Outline of Final Research Achievements

Hox13 mutant newts produced by genome editing show a marked increase in tail length. To understand the mechanisms that determine and maintain tissue size ratios, which largely remain unrknown, we focused on this mutant and obtained the following results. (1) We confirmed that the abnormal tail length is caused by mutation of the Hox13 genes themselves, especially a13 and c13, by generating germline mutants. (2) The abnormal tail length is caused by an abnormal increase in the number of caudal vertebrae. (3) All paralogous genes of Hox13 and marker genes of mesodermal progenitors and neural progenitors are expressed at the tail tips of wild-type adults. These results suggest that Hox13 regulates the differentiation and proliferation of progenitor cells in the tail tips and regulates the tail length ratio to be constant.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ヒトも含めてほとんどの動物の組織の比率はほぼ一定になるように制御されている。その破綻は健常な生命活動を困難にする。また、この制御は様々な動物が環境に適応しながら生存するために必須である。しかし、その仕組みはほとんど解明されていない。遺伝学的にこの課題を困難にしてきた理由の一つは組織比率が異常になる変異体がほとんど発見されていないことにある。本研究はまさにその変異体に注目し、その制御機構の一端を解明した。本研究の発展により様々な組織の比率が一定になる制御機構の一般原理の解明が期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Appendage‐restricted gene induction using a heated agarose gel for studying regeneration in metamorphosed Xenopus laevis and Pleurodeles waltl (2023)
  • Author(s): Matsubara Haruka、Kawasumi‐Kita Aiko、Nara Saki、Yokoyama Hibiki、Hayashi Toshinori、Takeuchi Takashi、Yokoyama Hitoshi
  • Journal Title: Development, Growth & Differentiation Volume: 65 Issue: 2 Pages: 86-93
  • DOI: 10.1111/dgd.12841
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Newt Hoxa13 has an essential and predominant role in digit formation during development and regeneration (2022)
  • Author(s): Takeuchi Takashi、Matsubara Haruka、Minamitani Fumina、Satoh Yukio、Tozawa Sayo、Moriyama Tomoki、Maruyama Kohei、Suzuki Ken-ichi T.、Shigenobu Shuji、Inoue Takeshi、Tamura Koji、Agata Kiyokazu、Hayashi Toshinori
  • Journal Title: Development Volume: 149 Issue: 5
  • DOI: 10.1242/dev.200282
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoperiod-independent testicular development in the model newt Pleurodeles waltl (2021)
  • Author(s): Kyakuno, M. Nakamori, R. Tazawa, I. Uemasu, H. Namba, N. Tsunekawa, N. Noce, T. Satoh, Y. Takeuchi, T. Hayashi, T.
  • Journal Title: Dev Growth Differ Volume: 63 Issue: 6 Pages: 277-284
  • DOI: 10.1111/dgd.12738
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cryo-injury procedure-induced cardiac regeneration shows unique gene expression profiles in the newt Pleurodeles waltl. (2021)
  • Author(s): Uemasu H, Ikuta H, Igawa T, Suzuki M, Kyakuno M, Iwata Y, Tazawa I, Ogino H, Satoh Y, Takeuchi T, Namba N, Hayashi T.
  • Journal Title: Dev Dyn Volume: - Issue: 5 Pages: 864-876
  • DOI: 10.1002/dvdy.450
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A non-mosaic transchromosomic mouse model of Down syndrome carrying the long arm of human chromosome 21 (2020)
  • Author(s): Kazuki Yasuhiro、Gao Feng J、Li Yicong、Moyer Anna J、Devenney Benjamin、Hiramatsu Kei、Miyagawa-Tomita Sachiko、Abe Satoshi、Kazuki Kanako、Kajitani Naoyo、Uno Narumi、Takehara Shoko、Takiguchi Masato、Yamakawa Miho、Hasegawa Atsushi、Shimizu Ritsuko、Matsukura Satoko、Noda Naohiro、et al.
  • Journal Title: eLife Volume: 9 Pages: 1-29
  • DOI: 10.7554/elife.56223
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiple disruption of newt Hox13 paralogs revealed that Hoxa13 has an essential and predominant role in digit formation during limb development and regeneration (2022)
  • Author(s): Takeuchi, T., Matsubara, H., Satoh, Y., Tozawa, S., and Hayashi, T.
  • Organizer: Salamander Meeting 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Newt Hoxa13 has an essential and predominant role in digit formation during development and regeneration (2022)
  • Author(s): Takashi Takeuchi, Haruka Matsubara, Fumina Minamitani, Yukio Satoh, Sayo Tozawa, Tomoki Moriyama, Kohei Maruyama, Ken-ichi T. Suzuki, Shuji Shigenobu, Takeshi Inoue, Koji Tamura, Kiyokazu Agata, Toshinori Hayashi
  • Organizer: 第55回発生生物学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tbx3 differently regulate digits morphogenesis of the fore- and hindlimbs in the newt (Pleurodeles waltl) (2022)
  • Author(s): Haruka Matsubara, Takashi Takeuchi
  • Organizer: 第55回発生生物学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The mechanism of hindlimb defect in Hox13 mutant newts (2022)
  • Author(s): Sayo Tozawa, Haruka Matsubara, Fumina Minamitani, Yukio Satoh, Toshinori Hayashi, Takashi Takeuchi
  • Organizer: 第55回発生生物学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of the initiation mechanism of testicular regeneration in the newt (2022)
  • Author(s): Mai Takehara, Mitsuki Kyakuno, Yukio Sato, Takashi Takeuchi, Ichiro Tazawa, Nobuaki Furuno, Toshinori Hayashi
  • Organizer: 第55回発生生物学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of the progression of cell proliferation in CDK1 knockout newts (2022)
  • Author(s): Yuta Nakao, Ichiro Tazawa, Nobuaki Furuno, Takashi Takeuchi , Toshinori Hayashi
  • Organizer: 第55回発生生物学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Function of cyclin D1 in the regulation of the cell cycle in newts (2022)
  • Author(s): Hiromi Ikuta, Hitoshi Uemasu, Shouhei Azuma, Takeshi Igawa, Ichiro Tazawa1,2, Nobuaki Huru no, Noriyuki Namba, Hajime Ogino, Takashi Takeuchi, Toshinori Hayashi
  • Organizer: 第55回発生生物学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イモリ指形態とShhシグナルの関係性 (2022)
  • Author(s): 松原遼、竹内隆
  • Organizer: 第93回動物学会
• [Presentation] イモリHox9およびHox10の四肢形成における機能 (2022)
  • Author(s): 裏川浩平、松原遼、阿部玄武、竹内隆
  • Organizer: 第93回動物学会
• [Presentation] イベリアトゲイモリの発生や再生におけるHox遺伝子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 竹内隆、松原遼、戸澤紗代、伊藤優、裏川浩平、明日香智絵、林利憲
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
  • Invited
• [Presentation] イベリアトゲイモリの四肢形成におけるHox9/10遺伝子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 裏川浩平、松原遼、阿部玄武、竹内隆
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
• [Presentation] イベリアトゲイモリの四肢形成におけるHox11-13の機能について (2022)
  • Author(s): 伊藤優、松原遼、戸澤紗代、裏川浩平、明日香智絵、林利憲、竹内隆
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
• [Presentation] Hox13変異イモリにおける後肢欠損の仕組みについて (2022)
  • Author(s): 戸澤紗代、松原遼、南谷史奈、佐藤幸夫、林利憲、竹内隆
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
• [Presentation] 四肢の切断面より基部領域で除去した骨格が再生する (2022)
  • Author(s): 阿南有紗、松原遼、阿部玄武、竹内隆
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
• [Presentation] Function of cyclin D1 in the regulation of the cell cycle in newts (2022)
  • Author(s): Hiromi Ikuta, Hitoshi Uemasu, Shouhei Azuma, Takeshi Igawa, Ichiro Tazawa, Nobuaki Huru no, Noriyuki Namba, Hajime Ogino, Takashi Takeuchi, Toshinori Hayashi
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
• [Presentation] CDK1 ノックアウトイモリにおける細胞増殖の進行の解析 (2022)
  • Author(s): Yuta Nakao, Ichiro Tazawa, Nobuaki Furuno, Takashi Takeuchi , Toshinori Hayashi
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
• [Presentation] イモリの精巣再生を開始させる機構の研究 (2022)
  • Author(s): Mai Takehara, Mitsuki Kyakuno, Yukio Sato, Takashi Takeuchi, Ichiro Tazawa, Nobuaki Furuno, Toshinori Hayashi
  • Organizer: 第3回イベリアトゲイモリ研究会
• [Presentation] Changes in the pattern of genes expression could provide the fore- and hindlimb digital pattern of the newt (Pleurodeles waltl) (2021)
  • Author(s): Haruka Matsubaraand Takashi Takeuchi
  • Organizer: 日本発生生物学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イモリにおける精巣再生機構の解明 (2021)
  • Author(s): 竹原 舞、客野 瑞月、佐藤 幸雄、竹内 隆、田澤 一朗、古野 伸明、林 利憲
  • Organizer: 日本動物学会年会
• [Presentation] イモリ後肢発生におけるHox1３遺伝子の機能解析 (2021)
  • Author(s): 戸澤 紗代、南谷 史菜、林 利憲、松原 遼、竹内 隆
  • Organizer: 日本動物学会年会
• [Presentation] イモリ四肢発生における前後軸形成遺伝子の指形態形成への機能 (2021)
  • Author(s): 松原 遼、竹内 隆
  • Organizer: 日本動物学会年会
• [Presentation] イベリアトゲイモリの四肢発生・再生におけるHox13遺伝子の機能解析 (2021)
  • Author(s): 竹内 隆、松原 遼、南谷 史菜、佐藤 幸夫、戸澤 紗代、林 利憲
  • Organizer: 第3回 再生学異分野融合研究会
  • Invited
• [Remarks] 鳥取大学医学部生命科学科発生生物学分野
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/introduction/lifesciences/about/3319/3335/23806.html
• [Remarks] 鳥取大学医学部生命科学科 研究室紹介 発生生物学分野
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/lifesciences/research/staff_takeuchi.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.facebook.com/seitai.seimei.toridai?ref=aymt_homepage_panel
• [Remarks]
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/introduction/lifesciences/about/3319/3335/23806.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/lifesciences/research/staff_takeuchi.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/lifesciences/admissions/opencampus/opencampus_movie_long.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/lifesciences/topics/essay/31713.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.facebook.com/seitai.seimei.toridai?ref=aymt_homepage_panel
• [Remarks]
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/introduction/lifesciences/about/3319/3335/23806.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/lifesciences/research/staff_takeuchi.html
• [Remarks]
  • URL: https://www.med.tottori-u.ac.jp/lifesciences/admissions/opencampus/opencampus_movie_long.html