Developmental mechanism of the limb bud outgrowth by anisotropic stress of the ectoderm

• Project Area: Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms
• Project/Area Number: 16H01444
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 鈴木 孝幸 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (40451629)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2017: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2016: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 形態形成 / 器官形成 / 位置決定 / 発生 / システム生物学 / ３次元 / 発生・分化 / 肢芽 / 階層 / 発生分化 / 細胞組織 / シグナル伝達

Outline of Annual Research Achievements

私たちヒトを含む脊椎動物の体の形は発生中に上皮と上皮直下の未分化な間充織によって3次元の形態として形作られ、その後内部に骨格のパターンが形成されることで特徴付けられる。これまで発生生物学分野における3次元の形態形成メカニズムの研究は、上皮などの単一組織で且つ共焦点顕微鏡を用いて観察が出来る、局所的な細胞動態に着目した研究がほとんどである。しかしながら脊椎動物の多くの器官は由来の異なる組織同士が相互作用しながら協調して発生することにより、巨視的な3次元の形態として形作られる。すなわち、異なる組織同士の協調的発生メカニズムこそが脊椎動物における3次元の形態形成の本質であるといえる。
本研究では当該領域における2年間の公募研究の成果として、由来の異なる肢芽（手足の原器）の組織と脊椎骨（背骨）になる組織同士が、分泌因子を介して位置関係を維持しながら協調して後肢周辺の3次元の形態を構築する新しい発生メカニズムを発見し、これをanatomical integration（解剖学的統合）システムと命名した(Matsubara et al., Nature Eco&Evol., 2017)。これは申請者が世界で初めて提示した、器官と器官（組織と組織）の間のマクロな3次元の形態を構築する新しい発生システムの概念である。本研究成果は、NHKを始めとするテレビ2社、新聞5社、海外のメディア10社から報道された。
また肢芽の３次元の伸長メカニズムに関する実験では、計画班の松本先生との共同研究により、肢芽の上皮を単離後上皮細胞を引っ張ると、activeに上皮細胞が引っ張り返すと言う結果を引っ張り試験機により得た。また計画班の上野先生との共同研究により、上皮細胞の内部には、遠近軸方向より前後軸方向に沿った異方的な力がかかっていることが判明し力の発生源としてミオシンの関与が示唆された。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 1.Anatomical integration of the sacral-hindlimb unit coordinated by GDF11 underlies variation in hindlimb positioning in tetrapods. (2017)
  • Author(s): Matsubara Y., Hirasawa T., Egawa S., Hattori A., Suganuma T., Kohara Y., Nagai T., Tamura K., Kuratani S., Kuroiwa A., Suzuki T
  • Journal Title: Nature Ecology and Evolution Volume: １ Issue: 9 Pages: 1392-1399
  • DOI: 10.1038/s41559-017-0247-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A quantitative approach to understanding vertebrate limb morphogenesis at the macroscopic tissue level. (2017)
  • Author(s): Suzuki T., Morishita Y
  • Journal Title: Curr Opin Genet Dev. Volume: 45 Pages: 108-114
  • DOI: 10.1016/j.gde.2017.04.005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transgene Introduction into the Chick Limb Bud by Electroporation. (2017)
  • Author(s): Ueda S., Suzuki T., Tanaka M.
  • Journal Title: Methods Mol Biol. Volume: 1650 Pages: 203-208
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-7216-6_13
  • ISBN: 9781493972159, 9781493972166
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Upstream regulation for initiation of restricted Shh expression in the chick limb bud. (2017)
  • Author(s): Haruka Matusbara
  • Journal Title: Developmental Dynamics Volume: 印刷中 Issue: 5 Pages: 417-430
  • DOI: 10.1002/dvdy.24493
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inactivation of Sonic Hedgehog Signaling and Polydactyly in Limbs of Hereditary Multiple Malformation, a Novel Type of Talpid Mutant. (2016)
  • Author(s): Matsubara Y, Nakano M, Kawamura K, Tsudzuki M, Funahashi JI, Agata K, Matsuda Y, Kuroiwa A, Suzuki T.
  • Journal Title: Front Cell Dev Biol. Volume: 149 Pages: 1-10
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Efficient harvesting methods for early-stage snake and turtle embryos (2016)
  • Author(s): Matsubara Y, Kuroiwa A, Suzuki T.
  • Journal Title: Development, Growth & Differentiation Volume: 58 Issue: 3 Pages: 241-249
  • DOI: 10.1111/dgd.12278
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Anatomical integration of the sacral-hindlimb unit coordinated by secreted factor, GDF11, underlies variation in hindlimb positioning in tetrapods (2017)
  • Author(s): Yoshiyuki Matsubara, Tatsuya Hirasawa, Shiro Egawa, Ayumi Hattori, Takaya Suganuma, Yuhei Kohara, Tatsuya Nagai, Koji Tamura, Shigeru Kuratani, Atsushi Kuroiwa & Takayuki Suzuki
  • Organizer: 第５０回 日本発生生物学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 四肢動物における後肢の位置の多様性を生み出す発生メカニズム (2017)
  • Author(s): 鈴木孝幸、松原由幸、平沢達矢、江川史朗、服部亜由美、菅沼貴也、小原裕平、永井達也、田村宏治、倉谷滋、黒岩厚
  • Organizer: 第１９回 日本進化学会
  • Invited
• [Presentation] Anatomical integration of the sacral-hindlimb unit coordinated by secreted factor, GDF11, underlies variation in hindlimb positioning in tetrapods (2017)
  • Author(s): Yoshiyuki Matsubara, Tatsuya Hirasawa, Shiro Egawa, Ayumi Hattori, Takaya Suganuma, Yuhei Kohara, Tatsuya Nagai, Koji Tamura, Shigeru Kuratani, Atsushi Kuroiwa & Takayuki Suzuki
  • Organizer: 第40回 日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] Anatomical integration of the sacral-hindlimb unit coordinated by GDF11 enables the evolutionary diversification of hindlimb positioning in tetrapods (2016)
  • Author(s): Takayuki Suzuki
  • Organizer: The 22nd International Conference of Zoology
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター
  • Year and Date: 2016-11-17
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 分子第５講座
  • URL: https://nagoyaumb5.wixsite.com/morphogenesis/kuroiwalabohome
• [Remarks] Developmental Morphogenesis
  • URL: http://bunshi5-bio-nagoya-u.businesscatalyst.com/index.html