2016 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of cellular dynamics driving the directional rotation of epithelial tube using 3D vertex model
| Project Area | Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms |
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| Project/Area Number |
15H05863
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
松野 健治 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60318227)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 左右非対称性 / 三次元バーテックスモデル / 細胞のねじれ / 細胞キラリティ / 組織変形 / 三次元ライブイメージング / 消化管 / 腸捻転 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ショウジョウバエの後腸（単層円柱上皮からなる管）は左ネジ捻転して左右非対称化するが、この現象は、左右非対称性形成の既知の機構では説明できない。後腸上皮の頂端面を二次元モデルで扱ったこれまでの研究では、上皮細胞がこの捻転を誘発する機構は不明であった。この問題解決の糸口は、三次元（3D）モデル後腸での捻転のシミュレーションから得られた。3Dモデル後腸の捻転が、個々の3D細胞の頂端面と基底面の間の「ねじれ」と連動することが計算で示された。さらに、現実の胚後腸の上皮細胞でも、細胞の頂端面と基底面の間のねじれを観察することができた。つまり、細胞がキラリティ（細胞キラリティ）を示していることがわかった。しかし、細胞のねじれが形成され、それが後腸の捻転に変換されていく、ねじれによる後腸捻転の大部分の機構は不明である。本研究計画では、これまでの遺伝学的手法に加えて、in vivo 3Dライブイメージングと3Dシミュレーションを併用することで、後腸の左ネジ捻転を誘発する細胞レベル、分子レベルの機構を理解することを目的とする。
この目的を達成するために、平成28年度において次の(1)、(2)の研究を実施し、それぞれで述べた成果を得た。
(1) 後腸上皮細胞のねじれを定量的に解析する
3Dシミュレーションを構築するための基礎データを取得するために、野生型胚の後腸上皮の3Dタイムラプスイメージをもとにして、後腸上皮細胞のねじれを定量的に解析する方法を確立した。その結果、3Dシミュレーションから予測される方向に後腸上皮細胞がねじれていることを明らかにした。
(2) 個々のモデル上皮細胞のねじれによって3Dモデル後腸の捻転を誘発する
3D後腸コンピュータ・モデルにおいて、モデル上皮細胞にねじれを導入することで、3Dモデル後腸をin vivoと同程度に捻転させることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究で、後腸の捻転が誘発される機構を理解するために、3Dモデル後腸で捻転を再現し、それに必要な上皮細胞の挙動の予測を試みた。その結果、後腸の捻転は、円柱上皮細胞のねじれとして検出される細胞キラリティによって起こっている可能性が示唆された。平成28年度の研究では、次の(1)、(2)の研究を実施し、それぞれでほぼ計画どおりの成果が得られた。その判断の根拠を以下に示す。
(1) 後腸上皮細胞のねじれを定量的に解析する
後腸捻転の過程で起こる後腸上皮細胞のねじれを、3Dタイムラプス撮影することで解析した。後腸上皮細胞の頂端面はDE-cadherin-GFP、側面と基底面はDiscs large-GFP用いて可視化することで、明瞭な3Dタイムラプス映像を取得した。また、後腸上皮細胞のねじれを検出するには、細胞を、その頂底軸に垂直な方向から観察して、細胞全体の3Dイメージを取得する必要がある。平成27年度の研究で、共同研究者が開発した画像解析ソフトを応用することで、3Dイメージの垂直方向からのずれを補正することに成功している。平成28年度において、3Dタイムラプスのデータから細胞のねじれを算出する方法を開発した。この方法によって、まだ検体数は少ないが、3Dモデル後腸から予測した方向に個々の細胞がねじれていることを明らかにできた。
(2) 個々のモデル上皮細胞のねじれによって3Dモデル後腸の捻転を誘発する
3D後腸コンピュータ・モデルにおいて、細胞のねじれによってモデル後腸の捻転を駆動させる条件を検討した。付加条件として、モデル細胞の体積を捻転前後で20％増加させることで、3Dモデル後腸の捻転を誘発すことができた。このような細胞体積の増加はin vivoでも観察されているが、体積増加が捻転の必須条件であるかどうかを検討する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度の研究において、後腸上皮細胞のねじれによって、後腸の捻転が駆動される機構を理解する。in vivoで明らかになった個々の細胞のねじれが後腸捻転の原因であることを検証するには、in vivo での細胞のねじれを3Dモデル後腸の細胞で再現したうえで、3Dモデル後腸の捻転が誘発できることを確認する必要がある。平成28年度の研究によって、まだ検体数は少ないが、3Dモデル後腸から予測した方向に個々の細胞がねじれていることを明らかにできた。そこで、平成29年度の研究では、これまでの成果を利用して、次の(1)と(2)の研究を行う。
(1) 後腸円柱上皮細胞のねじれの経時的変化を詳細に解析する
in vivoの後腸においても、3Dモデル後腸においても、後腸が左ネジ捻転する過程で、上皮細胞は基底面から見て時計まわりにねじれる。in vivoでの細胞のねじれの程度、頻度、ばらつきなどを、3Dモデル後腸に反映させるために、in vivoでの細胞のねじれの経時的変化を詳細に観察する。後腸捻転の方向、程度が異常になるMyosin31DFやDE-cadherinの突然変異体の後腸においても同様な解析を行う。
(2) 個々のモデル上皮細胞のねじれによって3Dモデル後腸の捻転を誘発する
3Dモデル後腸において、モデル細胞の体積を捻転前後で20％増加させることで、3Dモデル後腸の捻転がスムーズに起こる。しかし、体積増加が捻転の必須条件であるかどうかは不明である。in vivoでの細胞体積の増加の状況が、捻転中の3Dモデル後腸と類似しているかを検討する。また、体積増加以外にも、3Dモデル後腸の捻転に促進的なパラメータを検討する。例えば、細胞の大きさや、細胞のねじれの程度のばらつきなどについて検討を加える。
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[Journal Article] Dual roles of O-glucose glycans redundant with monosaccharide O-fucose on Notch in Notch Trafficking.2016
Author(s)
Matsumoto, K., Ayukawa, T., Ishio, A., Sasamura, T., Yamakawa, T. and Matsuno, K.
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Journal Title
J. Biol. Chem.
Volume: 291
Pages: 13743-13752
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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