Intracellular transport-dependent mechanisms of temporal regulation of Notch signaling and cell fate specification of neural stem cells

• Project Area: Interplay of developmental clock and extracellular environment in brain formation
• Project/Area Number: 19H04771
• 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: Kanazawa University
• Principal Investigator: 佐藤 純 金沢大学, 新学術創成研究機構, 教授 (30345235)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2020: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2019: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: Notch / Delta / cis-inhibition / ショウジョウバエ / 視覚中枢 / proneural wave / 数理モデル / 細胞内輸送 / パターン形成 / 分化の波 / 後期エンドソーム / Rab7 / ESCRT

Outline of Research at the Start

Notchはあらゆる動物において非常に重要な働きをする受容体で、我々の体の形成過程だけでなくガンの発症の分子機構を解明する上でも重要である。Notchの働きには、Notchを活性化するtrans-activationと、抑制するcis-inhibitionが知られているが、後者の分子機構やその生物学的な意義については不明な点が多い。本研究ではtrans-activationと比べてcis-inhibitionの働きはきわめて高速であることを示すとともに、このような高速な働きを実現する分子機構をNotchの細胞内輸送に着目することによって解明する。

Outline of Annual Research Achievements

Deltaは隣接する細胞においてNotchシグナルを活性化し(trans-activation)、一方でDeltaを発現する細胞自身においてはNotchを不活性化する(cis-inhibition)。ハエ視覚中枢の発生過程において神経幹細胞の分化が波状に伝播するProneural Waveに着目し、cis-inhibitionの生じる機構とその役割を明らかにした。
従来のProneural Waveの数理モデルは、波面においてNotchが１回活性化する様子を再現したが、実際にはNotchは神経幹細胞において再び活性化する。この数理モデルのcis-inhibitionに非線型性を導入すると２回のNotch活性化を再現出来ることを見出した。さらに、生体内においてもcis-inhibitionが強い非線型性を含み、Deltaの発現レベルが閾値を超えると速やかにNotchシグナルを抑制することを示した。
cis-inhibitionの非線型性を産む分子機構として、Delta-Notch複合体の細胞内輸送に着目した。cis-inhibitionを起こす細胞においてDelta-Notch複合体は後期エンドソームに輸送されるが、Notch蛋白質が選択的に分解され、Deltaはリサイクリングエンドソームを経由して細胞膜に輸送されること、これによってNotch蛋白質発現が急激に低下することが示された。シミュレーションの結果と同様、この過程を阻害するとNotchの２回の活性ピークが１つに融合することを示した。また、２回目のNotchの活性化は神経幹細胞において転写因子Kluの発現を誘導し、これによって神経細胞の運命を決定することを示した。この様に、cis-inhibitionを介したNotchシグナルの時間的変化が神経幹細胞の分化と神経細胞の運命決定を協調的に制御することが明らかとなった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Tiling mechanisms of the Drosophila compound eye through geometrical tessellation (2022)
  • Author(s): Takashi Hayashi, Takeshi Tomomizu, Takamichi Sushida, Masakazu Akiyama, Shin-Ichiro Ei, Makoto Sato
  • Journal Title: Current Biology Volume: 32 Issue: 9 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.03.046
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intracellular trafficking of Notch orchestrates temporal dynamics of Notch activity in the fly brain (2021)
  • Author(s): Wang Miaoxing、Han Xujun、Liu Chuyan、Takayama Rie、Yasugi Tetsuo、Ei Shin-Ichiro、Nagayama Masaharu、Tanaka Yoshitaro、Sato Makoto
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22442-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glial insulin regulates cooperative or antagonistic Golden goal/Flamingo interactions during photoreceptor axon guidance (2021)
  • Author(s): Takechi Hiroki、Hakeda-Suzuki Satoko、Nitta Yohei、Ishiwata Yuichi、Iwanaga Riku、Sato Makoto、Sugie Atsushi、Suzuki Takashi
  • Journal Title: eLife Volume: 10
  • DOI: 10.7554/elife.66718
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] N-Cadherin Orchestrates Self-Organization of Neurons within a Columnar Unit in the Drosophila Medulla (2019)
  • Author(s): Trush Olena、Liu Chuyan、Han Xujun、Nakai Yasuhiro、Takayama Rie、Murakawa Hideki、Carrillo Jose A.、Takechi Hiroki、Hakeda-Suzuki Satoko、Suzuki Takashi、Sato Makoto
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 39 Issue: 30 Pages: 5861-5880
  • DOI: 10.1523/jneurosci.3107-18.2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A population dynamics model of cell-cell adhesion incorporating population pressure and density saturation (2019)
  • Author(s): Jose A Carrillo, Hideki Murakawa, Makoto Sato, Hideru Togashi, Olena Trush
  • Journal Title: Journal of theoretical biology Volume: 474 Pages: 14-24
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2019.04.023
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hepatic gluconeogenic response to single and long-term SGLT2 inhibition in lean/obese male hepatic G6pc-reporter mice. (2019)
  • Author(s): Inaba Y, Hashiuchi E, Watanabe H, Kimura K, Sato M, Kobayashi M, Matsumoto M, Kitamura T, Kasuga M, Inoue H.
  • Journal Title: Endocrinology Volume: 160 Issue: 12 Pages: 2811-2824
  • DOI: 10.1210/en.2019-00422
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal patterning of neurogenesis and neural wiring in the fly visual system (2019)
  • Author(s): Sato, M., Yasugi, T. and Trush O.
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 138 Pages: 49-58
  • DOI: 10.1016/j.neures.2018.09.009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Intracellular trafficking of Notch orchestrates temporal dynamics of Notch activity in the fly brain (2021)
  • Author(s): Wang Miaoxing, Sato Makoto
  • Organizer: 14th Japanese Drosophila Research Conference
• [Presentation] Mathematical modeling and genetic analysis of the wave of differentiation in the fly brain. (2019)
  • Author(s): Makoto Sato
  • Organizer: 日本生化学会
  • Invited
• [Remarks] Notchシグナルの時空間的制御機構の解明
  • URL: http://fsosato.w3.kanazawa-u.ac.jp/res_twin.html
• [Remarks] ショウジョウバエ脳視覚中枢の機能を生み出す発生メカニズム
  • URL: http://fsosato.w3.kanazawa-u.ac.jp/restop.html