2013 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | From molecules, cells to organs : trans-hierarchical logic for higher-order pattern and structures |
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| Project/Area Number |
22127007
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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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| Project Period (FY) |
2010-06-23 – 2015-03-31
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| Keywords | 形態形成 / 神経管形成 / 細胞接着 / 細胞運動 / 機械刺激 |
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| Research Abstract |
H24年度途中から開始した、基礎生物学研究所・小山宏史博士との共同研究によって構築されたヴァーテックス（Vertex）モデルを用いた数理モデルの妥当性について、実際の実験・観察結果との整合性を検証するとともに、実データを数理モデルに還元し、in vivo現象を反映するより適切で、汎用性の高いモデルへ質を高めるための「観察データ-数理モデル循環」を目指して研究を進めた。H25年度はアフリカツメガエル胚を用いた実験による観察データの収集を中心に実施し、細胞骨格、とくにアクチン動態に着目した研究を行った。その結果、細胞内カルシウムの一過的上昇後、数分以内に細胞内の中央部にファイラメント上のF-アクチン（LifeActで観察可能）が観察されることがわかった。また、細胞間接着とカルシウム伝播および細胞変形の関係について、モルフォリノによるE-カドヘリンのノックダウン実験を行った。このカドヘリン機能阻害により、カルシウム伝播および集合的細胞変形が阻害されたことから、F-アクチンの集積と同様に細胞間接着は細胞辺長に必須であることが分かった。現在、このF-アクチンダイナミクスを定量化し、数理モデルに取り入れることや、細胞接着の強度を変化させたシミュレーションを行っている。
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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
数理モデルを用いたシミュレーションによって、神経板内の細胞集団は安定的にその面積を縮小できることが明らかになった。また、これら数理モデルから得られる情報が、実験的に観察されている一過的な細胞内Ca2+上昇や、それに連動して起こる細胞中心部でのF-アクチンの集積とどのように関連するのかなどについて検証した。具体的にはF-アクチンの蛍光プローブLifeActを用いたアフリカツメガエル神経板のライブイメージングでF-アクチン動態を観察したところ、細胞内カルシウムの上昇後、F-アクチンは動的なフィラメント様の構造として細胞中心部に一過的に集積することが明らかとなった。その結果として、細胞膜の各辺は常にゆらぐように変化しており、一旦短くなった細胞辺は元に戻りにくく安定的、一方向性をもって短くなることがわかった。ショウジョウバエの原腸形成期にも頂端収縮が観察されており、それら細胞の収縮時には、一旦表面積が小さくなった細胞はその面積を安定化させるために、反発によって再び表面積を増大させることを抑止するメカニズムが存在することが示唆されている（ラチェットメカニズム）。その結果、細胞表面積は徐々に小さくなるものと理解されている。このように、本年度の本研究によって頂端収縮のメカニズムが、動物種や発生時期、組織の多様性を超えた器官形成のメカニズムであることを明らかにしつつある。また、カドヘリンの機能阻害実験から、数十細胞にわたって見られるカルシウム伝播や集合的な細胞形態変化（頂端収縮）にはカドヘリンに依存した細胞間接着が重要であることも明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在は細胞内Ca2+動態および細胞形態変化を神経上皮という二次元平面で観察している。頂端収縮という観点では頂端面積や細胞辺の長さの変化を十分に解析できているが、頂底軸に沿って伸長し、電子顕微鏡による観察結果から円錐または三及び四角錐に変化していると思われる三次元的な細胞変形の実態を捉えられていない。細胞シートが管構造に変化する際におこる組織の「たわみ」を力学的に説明するためには、三次元での細胞形態変化を捉え、その実データに基づく数理モデルを構築する必要があると考えている。アフリカツメガエルは細胞にメラニン色素を多く含んでおり、三次元での画像取得を実現するためには現在の顕微鏡システムでは十分でなく、頂端側から細胞のわずか20-30%のみが観察可能である。この問題を克服するために、二光子顕微鏡のレーザー強度を落として使用する（色素が多いため励起光の吸収によって細胞が死ぬことが多いため）などの最適化を試みる。同時にメラニン色素を持たないアルビノ系統を試料として用いるなどの工夫をして、深部の観察を可能にしたいと考えている。
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Research Products
(3 results)
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[Journal Article] Directional migration of leading-edge mesoderm generates physical forces: Implication in Xenopus notochord formation during gastrulation.2013
Author(s)
Hara, Y., Nagayama, K., Yamamoto, TS., Matsumoto, T., Suzuki, M. and Ueno, N.
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Journal Title
Developmental Biology
Volume: 382
Pages: 482-495
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Transgenic Xenopus laevis for live imaging in cell and developmental biology.2013
Author(s)
Takagi, C., Sakamaki, K., Morita, H., Hara, Y., Suzuki, M., Kinoshita, N. and Ueno, N.
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Journal Title
Development, Growth & Differentiation
Volume: 55
Pages: 422-433
DOI
Peer Reviewed
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