2018 Fiscal Year Annual Research Report
Studying the mechanism and function of cellular diversity in vivo using Drosophila melanogaster
| Project Area | Integrated analysis and regulation of cellular diversity |
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| Project/Area Number |
17H06332
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中嶋 悠一朗 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90782152)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 細胞多様性 / 細胞分化 / 幹細胞 / 細胞可塑性 / 恒常性維持 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体中の臓器や組織という細胞社会において、様々な細胞タイプが適切な細胞数で存在する「細胞ダイバーシティー」の形成が、恒常性の維持や摂動への対応に重要である。本研究計画は、幹細胞を起点とした細胞社会を形成するショウジョウバエ中腸をモデルとして用いて、細胞ダイバーシティー維持の制御機構および生理的意義の解明を目指すものである。また実験と理論の複合的なアプローチによって細胞ダイバーシティー維持の普遍原理を明らかにすることで、細胞ダイバーシティーの破綻や異常に起因する病態の理解につなげることを最終目標としている。
本年度は昨年に続き、「細胞ダイバーシティー変化における個々の細胞および細胞集団レベルのダイナミクスの解明」に取り組んだ。細胞タイプを適切に標識できる遺伝子改変系統や抗体を入念に準備し、それぞれの発現パターンやタンパク質局在の体系的な確認を行った。また様々な摂動（腫瘍移植・老化）を与えた後の腸管における組織レベルの応答や細胞タイプの変化を解析した。正常なショウジョウバエ中腸においては、組織恒常性を維持するために幹細胞を起点とした分裂と分化のバランスが成り立つ。一方、腫瘍移植や老化に対する応答ではストレス応答シグナルの活性化を伴う腸幹細胞や前駆細胞の増殖が促進され、細胞ダイバーシティーの変化を伴う組織レベルの応答が観察された。今後は、摂動前後の細胞タイプ変化を定量的に解析し、数理モデルを構築することで、個体や組織レベルの応答に必要な細胞ダイバーシティー維持の仕組みを明らかにする予定である。
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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
本研究計画は、幹細胞を起点とした細胞社会を形成するショウジョウバエ腸管を用いて、細胞ダイバーシティー維持の制御機構および生理的意義の解明を目指すものである。今年度の計画では、細胞ダイバーシティー変化における個々の細胞および細胞集団レベルのダイナミクスの解明を行うために、様々な摂動（腫瘍移植・老化）を与えた前後の腸管における組織レベルの応答や細胞タイプの変化、個体レベルの表現型を解析した。ショウジョウバエ腫瘍移植モデルでは、非腫瘍組織である腸管においてストレスシグナルが亢進することを見出し、さらにストレスシグナルに応答して、腸管を構成する腸幹細胞や前駆細胞の割合が顕著に増大したことから、悪性腫瘍との相互作用によって、腸管組織の細胞ダイバーシティー変化が誘導されることが明らかとなった。また老化個体では組織再生に異常がみられ、損傷に対して個体の致死率が著しく上昇したこと、さらに細胞死シグナル活性が特定の細胞種で亢進していることを見出した。以上のように、ショウジョウバエ腸管をモデルにして細胞ダイバーシティー維持や破綻の仕組みを調べる実験系を構築することができたといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
生理学的変化や病態での組織レベルの応答を規定する細胞集団レベルのダイナミクスは不明である。また細胞レベルでは、特に腸幹細胞の細胞分裂の様式やシグナル伝達、そして細胞可塑性は、腸管の細胞数や細胞タイプという細胞ダイバーシティーに大きく影響する。しかしながら、これまでに腸管の幹細胞や分泌前駆細胞の多様性、それら細胞の発生起源に注目した研究はほとんどない。そこで、本研究では幹細胞や分泌前駆細胞の発生過程に着目した詳細な細胞系譜解析をショウジョウバエの遺伝学的ツールによって行う。また、近年のシングルセル解析技術の発展により、 当初はバルク（組織）で計画していたトランスクリプトーム解析の一部はsingle cell RNA-seqで行った方が有用かつ必要な情報が得られると考える。そこで、発生ステージごとにシングルセル解析を導入することで、腸幹細胞や分泌前駆細胞の多様性や新規のマーカー遺伝子を明らかにする予定である。
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