ERK活性伝播による３次元形態形成制御の構成的理解

• Project Area: Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms
• Project/Area Number: 16H01447
• 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: Okazaki Research Facilities, National Institutes of Natural Sciences
• Principal Investigator: 青木 一洋 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設), 岡崎統合バイオサイエンスセンター, 教授 (80511427)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000); Fiscal Year 2017: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2016: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: ERK / 細胞集団運動 / collective migration / FRET / 集団運動 / 細胞間伝搬 / シグナル伝達 / 光遺伝学

Outline of Annual Research Achievements

集団として細胞が運動する「細胞集団運動（collective cell migration）」は、胚発生や創傷治癒、癌の浸潤といった組織の構築過程に見られる細胞運動様式の１つである。細胞集団運動の分子機構は、その多様性や複雑性から、単一細胞の細胞運動と比べて解析が進んでいない。我々は、ERK MAPキナーゼの活性の伝搬方向に向かって細胞が集団運動することを明らかにしつつある。しかし、３次元の組織構築において実際にERK活性の伝搬が細胞集団運動を引き起こしているのかは自明ではない。そこで本研究は「ERK活性伝搬による細胞集団運動機構と３次元の形態形成の制御機構の解明」を目的として研究を進めた。
本年度は、ERK活性伝搬機構を解析した。CRISPR/Cas9による遺伝子編集法により、ADAM、MMP遺伝子を網羅的にノックアウトして、ERK活性伝搬をFRETバイオセンサーにより可視化したところ、ADAM17/TACEのノックアウトによりERK活性伝搬が阻害されることが明らかになった。さらに、光遺伝学的な手法によりERK活性の細胞間伝搬を再構成すると、細胞集団運動を誘導できることが分かった。興味深いことに、光の移動速度を変化させると、2 um/minのときに細胞集団運動がもっとも効率よく誘導されることが分かった。これらのデータをもとに細胞がばねで連結された１次元数理モデルを効率し、数値シミュレーションを行ったところ、実験結果同様、ERK活性伝搬速度の最適な値があることが分かった。これらの結果は、Develpmental Cell誌に発表された。

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] Propagating Wave of ERK Activation Orients Collective Cell Migration (2017)
  • Author(s): Aoki Kazuhiro、Kondo Yohei、Naoki Honda、Hiratsuka Toru、Itoh Reina E.、Matsuda Michiyuki
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 43 Issue: 3 Pages: 305-317.e5
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2017.10.016
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient synthesis of phycocyanobilin in mammalian cells for optogenetic control of cell signaling (2017)
  • Author(s): Uda Youichi、Goto Yuhei、Oda Shigekazu、Kohchi Takayuki、Matsuda Michiyuki、Aoki Kazuhiro
  • Journal Title: Proc Natl. Acad. Sci. U.S.A. Volume: 114 Issue: 45 Pages: 11962-11967
  • DOI: 10.1073/pnas.1707190114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two New FRET Imaging Measures: Linearly Proportional to and Highly Contrasting the Fraction of Active Molecules. (2016)
  • Author(s): Yamao M, Aoki K, Yukinawa N, Ishii S, Matsuda M, Naoki H.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 11 Issue: 10 Pages: e0164254-e0164254
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0164254
  • NAID: 120005853281
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visualization of Neuregulin 1 ectodomain shedding reveals its local processing in vitro and in vivo. (2016)
  • Author(s): Kamezaki A, Sato F, Aoki K, Asakawa K, Kawakami K, Matsuzaki F, Sehara-Fujiwara A.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 28873-28873
  • DOI: 10.1038/srep28873
  • NAID: 120005819488
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiplexed Fluorescence Imaging of ERK and Akt Activities and Cell-cycle Progression (2016)
  • Author(s): Maryu G, Matsuda M, Aoki K
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 41 Issue: 2 Pages: 81-92
  • DOI: 10.1247/csf.16007
  • NAID: 130005165901
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synergistic antitumor effects of combination of PI3K/mTOR and MEK inhibition (SAR245409 and pimasertib) in mucinous ovarian carcinoma cells by fluorescence resonance energy transfer imaging. (2016)
  • Author(s): Inaba K, Oda K, Aoki K, Sone K, Ikeda Y, Miyasaka A, Kashiyama T, Fukuda T, Makii C, Arimoto T, Wada-Hiraike O, Kawana K, Yano T, Osuga Y, Fujii T
  • Journal Title: Oncotarget Volume: 7 Issue: 20 Pages: 29577-29591
  • DOI: 10.18632/oncotarget.8807
  • NAID: 120005820854
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Propagating wave of ERK activation orients collective cell migration (2017)
  • Author(s): Kazuhiro Aoki
  • Organizer: FIFTH ANNUAL WINTER Q-BIO MEETING
  • Place of Presentation: Kauai, Hawai, USA
  • Year and Date: 2017-02-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Propagating wave of ERK activation orients collective cell migration (2017)
  • Author(s): Aoki K
  • Organizer: ConBio 2017
  • Invited
• [Presentation] Intercellular propagation of ERK activity orients collective cell migration (2017)
  • Author(s): Aoki K
  • Organizer: 50th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
  • Invited
• [Presentation] Intercellular propagation of ERK activity orients collective cell migration (2016)
  • Author(s): Kazuhiro Aoki
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場, 茨城県、つくば市
• [Remarks] 細胞の集団移動の方向性を決める仕組みの発見 ～ERK分子活性の細胞間伝搬とは逆方向に細胞が動く～
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/press/2017/11/07.html
• [Remarks] 赤色光/近赤外光による細胞機能の光操作の簡便化に成功
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/press/2017/10/24.html