2015 Fiscal Year Annual Research Report
組織の折りたたみと管形成の力学制御－神経管形成をモデルとして－
| Project Area | Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms |
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| Project/Area Number |
15H05865
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| Research Institution | National Institute for Basic Biology |
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Principal Investigator |
上野 直人 基礎生物学研究所, 形態形成研究部門, 教授 (40221105)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 誠 基礎生物学研究所, 形態形成研究部門, 助教 (10533193)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 発生 / 神経管形成 / ライブイメージング / 細胞移動 / 細胞変形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
力学制御の解析基盤として、細胞の動態に基づいて神経管の形成現象を扱うことができる数理モデルを構築した（計画班員井上との共同研究）。実データとして、組織レベルの形態特徴（組織形態・曲率）に加え、細胞レベルの形態特徴（細胞数、細胞形態）の時空間パターンを過去の研究文献から抽出し、不足分を新たに取得した組織染色像の画像解析から算出した。これらを元に上皮シート動態の解析に優れた３Dバーテックスモデルを適用することで管形成動態をモデル化することに成功し、頂端収縮と細胞伸長がそれぞれ上皮シート屈曲の方向決定と速度調節に機能すること、深層細胞の背側正中線への移動と協働した力学制御により管形成過程を至適化していることを提唱した。モデルの妥当性については細胞伸長・頂端収縮の二重阻害実験の結果がシミュレーションと胚操作実験でおおよそ一致することから支持された。また、MIDタンパク質の阻害実験から、細胞伸長の阻害が神経管の最終形状に影響するという新たな予測結果が実際の胚でも再現され、数理モデルの妥当性が確認された。
次に、実際に細胞が起こす形態的な動態変化、組織内に働く力を定量するために高速ライブセルイメージングと組み合わせた神経上皮細胞のレーザー焼灼実験を進めた。まず、UVレーザー出力調整を含むツメガエルの神経上皮細胞に特化したプロトコル全体の至適化を行った後に、頂端収縮が活発化する前後の発生段階で細胞頂端面のレーザー焼灼処理を行った。更に切断後3秒後までの切断面の反発量を画像解析により得ることで、神経管形成過程の予備的な張力マップを得た。その結果、細胞辺の長さと張力の間に正の関連性があることが明らかになった。
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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
神経管形成の数理モデルについては、当初計画していた通りの構築に成功した。各力学要素の定性的な意義を示し、更に細胞伸長の有無が管の最終形状に影響を与えるという知見を得ることが出来た点で順調に進んでいると言える。またこの過程で計画班員井上と密な連携関係を築き双方向に有意義な議論が可能になったことからも、今後の研究発展の基礎が得られたと考えている。一方で現在のモデルには、前後軸に周期境界条件を導入している、脊索や体節といった周辺組織の物理特性が考慮できていないなどの課題が残っており、改善の余地がある。
実際の胚での細胞の形状と物理特性の計測については、最も理解が進んでおりライブセルイメージングにも適した細胞頂端面については順調に進んだ。この種の解析で問題となる計測結果のばらつきに関しては至適化作業が済み、特に張力マップはプロファイルを数理モデルに導入できる状態が整いつつある。胚の深部で起こる細胞伸長や基底部、中胚葉組織の硬さ・張力測定については依然として困難が伴うため、新たな計測法を導入する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度に整備を開始した各種の計測手法を用いて管形成における物理パラメーターの収集を行う。3D細胞形態の計測についてはライカ社の高感度HyD検出器を活用し深部での低光毒性イメージングを実現することで、細胞伸長と深層細胞の背側正中線への移動の動態を追跡する。レーザー焼灼については引き続き解析を進め、神経上皮細胞に加えて非神経外胚葉についても体系的にデータを収集し、より広範な張力マップを作成する。細胞形態のみならずF-アクチンやリン酸化ミオシンといった物理力を発生する分子の局在パターンとの比較も行い、力分布への寄与の程度を推定する。更に平成27年度に新規に導入した分子間力顕微鏡については、ズーム型光学顕微鏡とのキャリブレーション作業を行い、神経板の形状の変化過程、あるいは中・外胚葉の組織間差に基づく硬さの計測を実現する。数理モデルについては、以上の解析から得られる物理パラメーターに加えて、前後軸の境界条件の改善や周辺組織の物理特性の導入を施すことにより、より現実に即した管形成の物理の理解に資するモデルに発展させる。
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Research Products
(6 results)
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[Journal Article] Conservation of structure and function in vertebrate c-FLIP proteins despite rapid evolutionary change.2015
Author(s)
Sakamaki, K., Iwabe, N., Iwata, H., Imai, K., Takagi, C., Chiba, K., Shukunami, C., Tomii, K., and Ueno, N.
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Journal Title
Biochemistry and Biophysics Report
Volume: 3
Pages: 175-189
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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