Modeling of 3D morphogenesis through rotational and collective cell migration

• Project Area: Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms
• Project/Area Number: 15H05859
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 武田 洋幸 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (80179647)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥119,210,000 (Direct Cost: ¥91,700,000、Indirect Cost: ¥27,510,000); Fiscal Year 2019: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000); Fiscal Year 2018: ¥23,270,000 (Direct Cost: ¥17,900,000、Indirect Cost: ¥5,370,000); Fiscal Year 2017: ¥23,270,000 (Direct Cost: ¥17,900,000、Indirect Cost: ¥5,370,000); Fiscal Year 2016: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000); Fiscal Year 2015: ¥26,390,000 (Direct Cost: ¥20,300,000、Indirect Cost: ¥6,090,000)
• Keywords: ゼブラフィッシュ / 体節形成 / 3次元 / シミュレーション / 形態形成 / ３次元

Outline of Annual Research Achievements

体節の伸長が細胞の集団回転運動によって促進されるメカニズムを明らかにするため、今年度は定量的な評価が必要な内容に関して個体数を大幅に増やすことで仮説の検証作業を行なった。その結果、以下の成果を得た。

①体節伸長過程における３次元細胞動態をバーチャル体節内で定量解析した。その結果、ほぼすべての細胞は隣接関係を大きく変化させることなく集団回転しつつ「南京玉すだれ」のように伸長方向に互いにずれ合うことで体節全体を短時間で伸長させることが確かめられた。これまで組織伸長のメカニズムとして、細胞が他の細胞の間に割り込むようにして移動し隣接関係を変えることで伸長する「インターカレーション」が広く受け入れられているが、本研究によって、「インターカレーション」ではない新しい組織伸長メカニズムが存在することがわかった。
②背側体節に注目し、回転方向の細胞移動速度を定量解析した。その結果、脊索に近く伸長方向への「ずれ」が大きい細胞ほど速度が大きく、反対に側方に位置する細胞ほど速度が小さいことが分かった。実際に、回転方向に対して後方に位置する速い細胞が、前方に隣接する遅い細胞の背側にずれ上がる行動が観察された。
そこでSdf1（体節細胞の集団回転を引き起こすシグナル）の阻害剤を処理したところ、脊索に近い細胞の移動が特に抑制されて細胞間の速度差が小さくなり、この時確かに体節の伸長も抑制された。
③これらの実験結果を踏まえて体節モデルを構築し、シミュレーションを行なった。その結果、単に回転させるだけでは伸長しなかったが、移動速度に勾配を与えた場合は効率良く伸長し、しかも水平に区切った細胞層はin vivo体節と同じ方向に傾くことが分かった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

体節伸長過程における３次元細胞動態をバーチャル体節内で多数のサンプルを用いて定量解析したことで、ほぼすべての細胞が隣接関係を大きく変化させることなくブラインドのように伸長方向に互いにずれ合うことで組織全体を伸長させるという、これまでに報告のない新しい組織伸長メカニズムを発見できた。この変形過程を軸にすえることで、集団回転運動が組織伸長に寄与するロジックを確定する作業が大きく進んだ。現在、以上の結果を論文としてまとめている。

Strategy for Future Research Activity

これまでの結果をまとめて論文として投稿するところである。
またこれと並行して、以下の追加実験を行う。研究実績②より、体節細胞は移動速度に勾配を持って集団回転運動することで、組織全体で細胞をずらして効率的に伸長することが示唆された。体節は隣接組織である脊索から分泌されるシグナル因子Shhの濃度勾配を用いて部位特異的に筋分化することが知られているが、Shhが細胞の移動速度の勾配をも生み出している可能性がある。今後は、Shhの阻害剤サイクロパミンや受容体smoothenedの変異体などを用いて３次元細胞動態を定量化し、速度勾配や伸長率が抑制されるかを調べ、速度勾配を作るメカニズムとそれが伸長に果たす役割を検証する予定である。また、これらの実験結果を踏まえて体節モデルをさらに改良しつつシミュレーション実験を行うことで、集団回転運動が組織伸長を促進するロジックをブラシュアップする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Havard Medical School(米国)
• [Int'l Joint Research] Heidelberg University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] COS, Heiderberg University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Harvard Medical School(米国)
• [Int'l Joint Research] Institute of Science and Technology(Austria)
• [Journal Article] Horizontal Boundary Cells, a Special Group of Somitic Cells, Play Crucial Roles in the Formationof Dorsoventral Compartments in Teleost Somite (2019)
  • Author(s): Abe k, Shimada A, Tayama S, Nishikawa H, Kaneko T, Tsuda s, Karaiwa A, Matsui T, Ishitani T, Takeda H
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 27 Pages: 928-939
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2019.03.068
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Systematic studies of all PIH proteins in zebrafish reveal their distinct roles in axonemal dynein assembly (2018)
  • Author(s): Yamaguchi H, Oda T, Kikkawa M, Takeda H
  • Journal Title: eLife Volume: 7
  • DOI: 10.7554/elife.36979
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Zic Genes in Teleosts: Their Roles in Dorsoventral Patterning in the Somite (2018)
  • Author(s): Abe K., Kawanishi T., Takeda H.
  • Journal Title: Advances in experimental medicine and biology Volume: 1046 Pages: 141-156
  • DOI: 10.1007/978-981-10-7311-3_8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Targeted ablation of pancreatic β cells in medaka (2017)
  • Author(s): Takayoshi Otsuka and Hiroyuki Takeda
  • Journal Title: Zoological Science Volume: 印刷中
  • NAID: 40021219582
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Coordinated growth of midline tissues in the zebrafish axis elongation (2019)
  • Author(s): Kawanishi T, Takeda H, Megason S
  • Organizer: 52nd Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Canonical and non-canonical Wnt signaling are linked by zic1/zic4 in dorsal somite patterning (2019)
  • Author(s): Heilig AK, Nakamra R, Shimada A, Wittbrodt J, Takeda H
  • Organizer: 52nd Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Live-imaging and 3D analysis of zebrafish somite morphogenesis (2018)
  • Author(s): Tong Y, Kametani H, Shimada A, Akiyama M, Inoue Y, Takeda H
  • Organizer: 12th Gfe School 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coordinated tissue elongation in the zebrafish posterior body (2018)
  • Author(s): Kawanishi T, Megason S
  • Organizer: Japan-Tronto Morphogenesis Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rotational cell migration: a new logic behind 3D somite morphogenesis (2018)
  • Author(s): Tong Y, Kametani H, Shimada A, Akiyama M, Inoue Y, Takeda H
  • Organizer: Japan-Tronto Morphogenesis Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3D Cell behavior in zebrafish somite morphogenesis (2018)
  • Author(s): Tong Y, Kametani H, Shimada A, Akiyama M, Inoue Y, Takeda H
  • Organizer: 第70回日本細胞生物学会 第51回日本発生生物学会合同大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Role of rotational collective cell migration in somite morphogenesis (2018)
  • Author(s): Kametani H, Tong Y, Shimada A, Takeda H
  • Organizer: 第70回日本細胞生物学会 第51回日本発生生物学会合同大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3D morphogenesis and dorsoventral patterning in zebrafish somites (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Takeda
  • Organizer: 3D morphogenesis Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cellular and molecular mechanisms for the establishment of the lifelong dorsoventral compartment boundary in the teleost trunk (2017)
  • Author(s): Kota Abe
  • Organizer: 18th International Congress of Developmental Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ゼブラフィッシュ体節形態形成の3次元解析 (2017)
  • Author(s): 仝 由悦
  • Organizer: 日本発生生物学会第５０回大会
• [Presentation] Cellular and molecular mechanisms for the establishment of the dorsal and ventral compartments in the teleostsomite (2017)
  • Author(s): 阿部 耕太
  • Organizer: 日本発生生物学会第５０回大会
• [Presentation] Dorsoventral patterning and 3D morphogenesis of teleost somites. (2016)
  • Author(s): Hiroyuki Takeda
  • Organizer: Austria-Japan joint meeting "Understanding the logic behind developmental dynamics"at IST Austria
  • Place of Presentation: Klosterneuburg(Austria)
  • Year and Date: 2016-11-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward understanding of the mechanical force during tissue morphogenesis in zebrafish (2016)
  • Author(s): Harunobu Kametani
  • Organizer: The Joint meeting of the 22nd International Congress of Zoology & the87th meeting of the Zoological Society of Japan
  • Place of Presentation: Okinawa Convention Center（沖縄県宜野湾市）
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The establishment of the zic1-expression boundary that demarcates the dorso-ventral module in the medaka trunk throughout life. (2016)
  • Author(s): Kota Abe
  • Organizer: The Joint meeting of the 22nd International Congress of Zoology & the87th meeting of the Zoological Society of Japan
  • Place of Presentation: Okinawa Convention Center（沖縄県宜野湾市）
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the zic-expressing dorsal compartment in fish and its implications for evolution of the vertebrate. (2016)
  • Author(s): Kota Abe
  • Organizer: The Joint meeting of the 22nd International Congress of Zoology & the87th meeting of the Zoological Society of Japan
  • Place of Presentation: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（沖縄県国頭郡）
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻動物発生学研究室
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~hassei/
• [Remarks]
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~hassei/index.html
• [Remarks] Virtual labratory of 3D Molphologic
  • URL: http://www.3d-logic.jp/publication.html
• [Remarks] 東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻動物発生学研究室
  • URL: http://www.biol.s.u-tokyo.ac.jp/users/hassei/
• [Remarks] 東京大学大学院理学系研究科動物発生学研究室
  • URL: http://www.biol.s.u-tokyo.ac.jp/users/hassei/