2017 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 / Ｉ型ミオシン / 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（単層上皮の管）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。この問題を解決するために、三次元（3D）バーテックスモデルを用いた後腸捻転のシミュレーションを構築した。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。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29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) 後腸捻転の過程で起こる後腸上皮細胞のねじれの経時的定量データの取得
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、後腸捻転の過程で起こる後腸上皮細胞のねじれの経時的な定量的データを取得することに成功した。これらのデータをもとに、3Dシミュレーションを構築することが可能となった。
(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
(1)の研究でin vivoにおいて明らかにした細胞のねじれを、3D後腸コンピュータ・モデルに導入した。定性的ではあるが、細胞のねじれを再現する条件を3D後腸コンピュータ・モデルに導入することで、in vivoと同程度に3Dモデル後腸を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29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) 後腸捻転の過程で起こる後腸上皮細胞のねじれの経時的定量データの取得
平成28年度の研究で、後腸捻転過程の後腸上皮細胞の形態変化を明瞭に観察できる、3Dタイムラプス映像の取得方法を確立していた。この方法を用いて、多数の3Dタイムラプス映像を取得し、個々の上皮細胞の形態変化を定量的に解析するのに十分なデータソースを得た。また、共同研究者が、3Dタイムラプス映像のデータから細胞のねじれを算出する方法を改良、確立した。これらの成果によって、後腸捻転過程で起こる後腸のねじれの経時的な変化を定量的に明らかすることができた。この成果は、本プロジェクトの成功の鍵をにぎるものであり、研究計画の最難関を突破できたと言える。
(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。その結果、実験(1)において明らかにしたin vivoでの細胞のねじれを再現した条件で、3Dモデル後腸の捻転を誘発すことに初めて成功した。この条件をさらに詳細に検討していくことで、本研究の目的を達成できると考えれらる。
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| Strategy for Future Research Activity |
後腸上皮細胞のねじれが後腸の管の左ネジ捻転を誘発する機構を、in vivo 三次元（3D）ライブイメージングと3Dシミュレーションを用いて解析する。この目的を達成するために、平成30年度に以下の(1)～(3)研究計画を実施する。
(1)3D後腸上皮コンピュータ・モデルを用いた上皮の管の捻転を誘発できる条件の検討 平成29年度までに実施した3D後腸上皮コンピュータ・モデルを用いた研究から、モデル上皮の管は、個々のモデル円柱上皮細胞のねじれによって捻転させられることが明らかになった。平成30年度では、一部の細胞を左右いずれかにねじることで、モデル上皮の管の左ネジ捻転を誘発できるパラメータを探索する。ねじれの大きさ、向きや、それらを示す細胞の割合などを検討する。最終的には、平成29年度の研究で見出したin vivoでの上皮細胞のねじれの定量的、経時的パターンを定量的にモデルに反映させる。
(2)ライブイメージングによる後腸円柱上皮細胞のねじれの経時変化の統計的解析
平成30年度には、細胞のねじれの定量的、経時的パターンを統計的に確定できるように解析する。また、後腸の捻転方向が反転するMyosin31DF突然変異体胚の後腸においても同様の解析を行い、後腸上皮細胞のねじれが野生型の鏡像になっているかを検討する。
(3)後腸円柱上皮細胞のねじれを誘発する機能の解析
後腸円柱上皮細胞のねじれが、細胞の頂底軸を中心とした細胞質の回転によって起こっている可能がある。そこで、合胞体胞胚期の将来後腸を形成する部分に微小な蛍光ビーズを顕微注入することで、後腸円柱上皮に蛍光ビーズを取り込ませ、それらの動きをタイムラプス撮影で解析する。蛍光ビーズの軌跡をコンピュータ解析することで、これらの細胞の細胞質の渦巻き運動の有無、その性質を調べる。
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