Mechanisms of embryonic (animal-vegetal and left-right) axes determination during oogenesis and embryogenesis

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H03234
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 西田 宏記 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60192689)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 今井 薫 (佐藤薫) 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (00447921) ; 小沼 健 大阪大学, 理学研究科, 助教 (30632103)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 胚発生 / ホヤ / オタマボヤ / 胚軸 / 動物植物軸 / 左右非対称性 / 卵形成 / 卵成熟

Outline of Annual Research Achievements

動物の胚発生における初期の重要な過程として胚軸の決定がある。胚軸には３種類あり、動植軸 (卵の上と下)、それに直交する軸 (カエルなどでは背腹軸、ホヤでは前後軸と呼ばれる。歴史的な理由で呼び方は異なれど同じもの)と、左右軸 (上記の二つの軸に依存して決定されるが、ここでは左右非対称な体の形態形成をもたらす左右軸ベクトルの向きのことをいう)が、3Dの体を作るための軸として設定される。
全ての動物の未受精卵は動植軸を持っている。そして、この軸に沿って三胚葉が配置され原腸陥入へと進行する。動植軸の決定機構は重要であるが、未受精卵に既に動植軸が存在しているために研究しにくいこともあり、研究が少ない。本研究では、ホヤの卵成熟過程とオタマボヤの卵形成過程で起こる動植軸の決定機構を探っている。
左右軸決定に関しては、脊椎動物では、それに繊毛が関与している場合が多い。脊索動物門に属するホヤにおいても繊毛が重要な働きをしているが、繊毛が関与する左右非対称決定機構は脊椎動物とは異なっている。特にホヤにおいては、神経胚回転が左右非対称形成に関して重要な役割を果たすことをこれまでに示してきた。本研究ではホヤとオタマボヤを用いて、左右非対称性の決定機構を探っている。動植と左右の胚軸決定機構を明らかにすることでホヤと脊椎動物を含む脊索動物門に関して、胚軸決定機構の比較が可能になり、脊索動物門の進化についても、推測することが可能になると考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

オタマボヤの左右非対称形成を中心に研究を行った。左右非対称形成、すなわち胚発生の進行にともない左右対称性が崩壊するしくみについては、生物間で異なるしくみが報告されている。たとえば脊索動物の左右形成では、繊毛運動やNodal遺伝子の左側発現がかかわる。他方で、これらのしくみをもたない動物群も知られている。左右形成のしくみから、発生学の新しい領域が発掘できると期待される。
オタマボヤの左右形成について以下のことがわかっていた。1. 卵割パターンが個体差なく非対称になる。2-4細胞期に左前と右後の割球が植物極側に少しだけずれ、このずれを引きずって発生が進行する。2. オタマジャクシ幼生は、尾が体幹部に対して反時計周りに約90度ねじれている。すなわち尾の中枢神経系は (背側ではなく) 左側を走る。
本研究で以下のことが判明した。２細胞期胚の右側と左側の割球は、等価ではない。それぞれの子孫細胞は、出来上がった体に左右非対称に分布する。脊索動物一般に左側の決定因子であるNodal遺伝子がオタマボヤのゲノム上に存在しない。他方、腹側化因子Bmp遺伝子の1つが「右側に」発現する。このBmpの発現細胞はすべて、初期胚の右側割球の子孫細胞である。また、Bmp発現は、初期胚のCa2+ オシレーション依存的に起きる。次に、Bmpを阻害した幼生では、左側の神経索に発現する遺伝子が異所的に発現するので、Bmpは神経マーカー遺伝子の発現を抑制する。以上をもとに、Bmpの右側発現やCa2+オシレーションをもちいた左右形成を提唱し論文を発表した。脊椎動物ではBmpは神経形成の阻害因子であり、背腹軸の形成をになうことが知られている。オタマボヤは、この背腹軸形成のしくみを90度回転させて、左右形成に「転用」している初めての例といえる。

Strategy for Future Research Activity

卵細胞の中で局在している母性因子は、胚軸形成や胚細胞の発生運命決定に重要な役割をしていることが知られている。オタマボヤの８細胞期胚を動物半球と植物半球に切り分け、それぞれのRNA-seqの結果を比較して、植物半球に局在していると考えられる mRNAを6個発見した。これらについて、in situ hybridizationを用い詳細な局在パターンを各ステージで調べると共に、卵形成過程でこれらのmRNAが何処でつくられ、どのように局在していくのかを明らかにしていく。
また、マボヤの動植軸形成に関して、ベータカテニンが植物半球割球のみで核内に移行することが知られている。また、ベータカテニンの核内移行は、植物半球における細胞運命決定に必須である。ホヤの母性mRNAでは、Wnt5 mRNAが植物極に局在していることが知られている。そこで、ベータカテニンの核内移行が、植物半球だけで起こる理由を明らかにするため、ホヤ胚やそこから単離した割球を市販のWntタンパク質で処理し、それらでベータカテニンの核内移行が引き起こされるのかを探る。

Research Products

• [Int'l Joint Research] パドバ大学(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: パドバ大学
• [Int'l Joint Research] モンパリエ大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: モンパリエ大学
• [Int'l Joint Research] 上海交通大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 上海交通大学
• [Journal Article] ANISEED 2019: 4D exploration of genetic data for an extended range of tunicates. (2020)
  • Author(s): Dardaillon, J., Dauga, D., Simion, P., Faure, E., Onuma, T.A., .............. , Nishida, H., Dantec, C., Lemaire, P.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 48 Pages: D668-D67
  • DOI: 10.1093/nar/gkz955
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Protein phosphatase 2A is essential to maintain meiotic arrest, and to prevent Ca2+ burst at spawning and eventual parthenogenesis in the larvacean Oikopleura dioica. (2020)
  • Author(s): Matsuo, M., Onuma, T.A., Omotezako, T., Nishida, H.
  • Journal Title: Dev. Biol. Volume: 460 Pages: 155-163
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2019.12.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A chordate species lacking Nodal utilizes calcium oscillation and Bmp for left-right patterning. (2020)
  • Author(s): Onuma, T.A., Hayashi, M., Gyoja, F., Kishi, K., Wang, K., Nishida, H.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 117 Pages: 4188-4198
  • DOI: 10.1073/pnas.1916858117
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A genome database for a Japanese population of the larvacean Oikopleura dioica. (2020)
  • Author(s): Wang, K., Tomura, R., Chen, W., Kiyooka, M., Ishizaki, H., Aizu, T., Minakuchi, Y., Seki, Yutaka Suzuki, M., Omotezako, T., Suyama, R., Masunaga, A., Plessy, C., Luscombe, N.M., Dantec, C., Lemaire, P., Itoh, T., Toyoda, A., Nishida, H., and Onuma, T.A.
  • Journal Title: Dev. Growth Differ. Volume: 62 Pages: 450-461
  • DOI: 10.1111/dgd.12689
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mouth opening is mediated by separation of dorsal and ventral daughter cells of the lip precursor cells in the larvacean, Oikopleura dioica. (2020)
  • Author(s): Morita, R., Onuma, T.A., Manni, L., Ohno, N., Nishida, H.
  • Journal Title: Dev. Genes Evol. Volume: 230 Pages: 315-327
  • DOI: 10.1007/s00427-020-00667-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conservation of peripheral nervous system formation mechanisms in divergent ascidian embryos. (2020)
  • Author(s): Coulcher, J. F., Roure, A., Chowdhury, R., Robert, M., Lescat, L., Bouin, A., Cadavid, J. C., Nishida, H., and Darras, S.
  • Journal Title: eLIFE Volume: 9 Pages: e59157
  • DOI: 10.7554/eLife.59157
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] The larvacean Oikopleura dioica lacks Nodal and utilizes calcium oscillation and Bmp expression for left-right patterning. (2020)
  • Author(s): Takeshi A. Onuma, Momoko Hayashi, Fuki Gyoja, Kanae Kishi, Kai Wang and Hiroki Nishida
  • Organizer: 日本発生生物学会
• [Presentation] 脊索動物オタマボヤをもちいて左右形成の新しい領域を開拓する (2020)
  • Author(s): 小沼健、西田宏記
  • Organizer: 第５回ホヤ研究会
• [Presentation] マボヤの原腸陥入と単離内胚葉割球のブレブ形成活性について (2020)
  • Author(s): 西田宏記、西田遥香、児下未佳
  • Organizer: 第５回ホヤ研究会
• [Presentation] 動物繊維をもちいたオタマボヤの「ハウス」建築 (2020)
  • Author(s): 小沼 健、秋山 正和、山崎 慎太郎、近藤 滋、西田 宏記
  • Organizer: 日本分子生物学会
  • Invited
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/nishida/index.html