Left-right symmetry breaking in vertebrates: cilia-dependent and independent mechanisms

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00472
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 濱田 博司 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (00208589)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 清成 寛 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (40721048) ; 内川 昌則 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 助教 (80346147)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 左右非対称性 / 繊毛 / Nodal / 生物多様性

Outline of Annual Research Achievements

私たちの体は、頭尾・背腹・左右という3つの極性(体軸)を持っている。なかでも左右非対称な形態は、発生のどの時期において、どのような仕組みで生じる のか? 本研究の目的は，2つの異なる脊椎動物において、左右非対称性の起源を明らかにすることであった。すなわち、マウスにおいては、繊毛に依存して方向 性を持った水流が生じ、その水流を感知する機構を解明する。一方、繊毛に依存しない爬虫類や鳥類においては、繊毛がなくても対称性が破られる機構を調べる ことで非対称性の起源に迫る。これら2種類の脊椎動物における機構を比較することで、対称性が破られるメカニズムの多様性を明らかすることであった。本年 度は、以下のような研究成果を得た。
1) 前年度には、マウスにおいては、ノードの不動繊毛が機械的刺激に対して反応することがわかった。次に、なぜノードの左側の繊毛だけが左向きの水流に反応するのかが、残された疑問であった。そこで、両側の不動繊毛の構造、特に繊毛基部に不均一な配置を示す構造がないかを、FIB-SEMなどの方法で観察した。しかし、期待された構造は見つからなかった。
2) ニワトリのNodal遺伝子のエンハンサーを、ニワトリ胚へのエレクトロポレーション法で探索し、ヘンセン結節（ノード）の左側で特異的な活性を持つエンハンサーを、遺伝子近傍（3'側）に同定することができた。さらにそのエンハンサーを、約350bp内にマッピングすることができた。
3) 爬虫類胚の脳で、Nodal遺伝子が左右非対称に発現する事を見出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

1)は目的とする結果を得ることはできなかった。
2)は、目的であるノード特異的なエンハンサーを同定することができたので、予定通り。
3)は、予想外の発見であった。
全体を総合すると、概ね順調な進展と言える。

Strategy for Future Research Activity

1)ノードの左側の繊毛だけが左向きの水流に反応する、新たな機構を考えて検証する。
2)ニワトリNodal遺伝子のノード特異的なエンハンサーをさらにmappingして、結合する転写因子を同定する。
3)爬虫類胚の脳でNodal以外の遺伝子（Lefty, Pitx2など）の発現を調べる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Hohenheim(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University of Hohenheim
• [Int'l Joint Research] EPFL(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: EPFL
• [Journal Article] Flow-induced decay of Dan5 mRNA for left-right symmetry breaking involves Bicc1-Ccr4 RNA degradation complex. (2021)
  • Author(s): Minegishi, K., Rothe, B., Komatsu, K.R., Ono, H., Ikawa, Y., Nishimura, H., Kato, T.A., Kajikawa, E., Sai, X., Miyashita, E., Takaoka, K., Bando, K., Kiyonari, H., Yamamoto,T., Saito, H., Constam, D., and Hamada, H.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 12 Pages: 4071
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24295-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bicc1 and Dicer regulate left-right patterning through post-transcriptional control of the Nodal-inhibitor Dand5. (2021)
  • Author(s): . Maerker, M., Getwan, M., Dowdle, M.E., McSheene, J.C., Gonzalez, V., Pelliccia, J.L., Hamilton, D.S., Yartseva, V., Tingler M., Minegishi, K., Vick, P., Giraldez, A.J., Hamada, H., Burdine, R.D., Sheets, M.D., Blum, M, and Schweickert, A.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 12 Pages: 5482
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25464-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Remarks] 体の左右非対称性はmRNAの分解から始まる
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20210730_3/index.html