Analysis of cellular dynamics driving the directional rotation of epithelial tube using 3D vertex model

• Project Area: Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms
• Project/Area Number: 15H05863
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 松野 健治 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60318227)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥143,000,000 (Direct Cost: ¥110,000,000、Indirect Cost: ¥33,000,000); Fiscal Year 2019: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2018: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2017: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2016: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2015: ¥31,720,000 (Direct Cost: ¥24,400,000、Indirect Cost: ¥7,320,000)
• Keywords: 発生・分化 / 細胞・組織 / 左右非対称性 / 三次元バーテックスモデル / 細胞のねじれ / 細胞キラリティ / Ｉ型ミオシン / 三次元ライブイメージング / 消化管 / 腸捻転 / 組織変形

Outline of Annual Research Achievements

ショウジョウバエの後腸は左ネジ捻転して左右非対称化するが、この現象は、繊毛に依存した脊椎動物の左右非対称性形成とは異なる機構で起こる。後腸上皮細胞が後腸捻転を誘発することがわかっていたが、その機構は不明であった。三次元（3D）モデル後腸での捻転のシミュレーションから、個々の3D細胞の頂端面と基底面の間の「ねじれ」と後腸捻転が連動することが計算で示された。さらに、現実の後腸でも、このねじれが観察できた。しかし、細胞のねじれが形成され、それが後腸の捻転に変換されていく、ねじれによる後腸捻転の機構は不明である。本研究計画では、これまでの遺伝学的手法に加えて、in vivo 3Dライブイメージングと3Dシミュレーションを併用することで、後腸の左ネジ捻転を誘発する細胞レベル、分子レベルの機構を理解することを目的とする。この目的を達成するために、平成30年度において次の(1)、(2)の研究を実施し、それぞれで述べた成果を得た。
(1) 後腸上皮細胞のねじれを定量的に解析する
平成29年度までの研究において、野生型胚の後腸上皮の3Dタイムラプスイメージをもとにして、後腸上皮細胞のねじれを定量的に解析する方法を確立していた。平成30年度の研究において、得られたデータを統計的に解析した。その結果、現在の細胞のねじれの計測・計算法では、後腸上皮細胞のねじれの値にばらつきが大きく、統計的に有意なデータが得られていないことがわかった。一つの原因は、3Dタイムラプスイメージから得た細胞形態の座標データの誤差が大きいことであった。
(2) 個々のモデル上皮細胞のねじれによって3Dモデル後腸の捻転を誘発する
3D後腸コンピュータ・モデルにおいて、モデル上皮細胞にねじれを導入することで、3Dモデル後腸をin vivoと同程度に捻転させる各種条件を明らかにした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

これまでの研究で、後腸の捻転が誘発される機構を理解するために、3Dモデル後腸で捻転を再現し、それに必要な上皮細胞の挙動の予測を試みた。その結果、後腸の捻転は、円柱上皮細胞のねじれとして検出される細胞キラリティによって起こっている可能性が示唆された。平成30年度の研究では、次の(1)、(2)の研究を実施し、それぞれで成果が得られたが、問題点も見いだされた。問題解決の方針は立ったが、研究の進展はやや遅れることとなった。その判断の根拠を以下に示す。
(1) 後腸上皮細胞のねじれを定量的に解析する
後腸捻転の過程で起こる後腸上皮細胞のねじれを、3Dタイムラプス撮影することで解析した。後腸上皮細胞の頂端面はDE-cadherin-GFP、側面と基底面はDiscs large-GFP用いて可視化することで、明瞭な3Dタイムラプス映像を取得した。平成28年度において、3Dタイムラプスのデータから細胞のねじれを算出する方法を開発し、平成29年度に多量のデータを取得し、統計的解析を実施した。その結果、3Dタイムラプス映像から得た細胞の座標データの誤差が大きく、細胞のねじれデータが統計的に有意でないことが判明した。
(2) 個々のモデル上皮細胞のねじれによって3Dモデル後腸の捻転を誘発する
3D後腸コンピュータ・モデルにおいて、細胞のねじれによってモデル後腸の捻転を駆動させる条件を検討した。付加条件として、モデル細胞の体積を捻転前後で20％増加させることや、細胞の高さを小さくすることによって、3Dモデル後腸の捻転を誘発すことができた。このような細胞体積の増加、高さの減少はin vivoでも観察されている。また、3Dモデルから、時計、反時計方向にねじれた細胞が混在する場合、多数を占める細胞によって後腸捻転の方向が決まることがわかった。これは、in vivoの状況により近いシミュレーションである。

Strategy for Future Research Activity

後腸上皮細胞のねじれが後腸の管の左ネジ捻転を誘発する機構を、in vivo 三次元（3D）ライブイメージングと3Dシミュレーションを用いて解析する。この目的を達成するために、令和元年度に以下の(1)-(3)研究計画を実施する。
(1) ライブイメージングによる後腸円柱上皮細胞のねじれの定量的解明　平成30年度までに実施したライブイメージングによる後腸円柱上皮細胞のねじれの経時変化の解析から、野生型胚の後腸上皮細胞は、後腸の左ネジ捻転にともなって、基底膜（消化管を外から）からみて時計方向にねじれていくことが示された。しかし、誤差が大きく、後腸上皮細胞のねじれを定量的に理解するには至っていなかった。令和元年度には、細胞のねじれの定量的、経時的パターンを統計的に解析できる計測法を開発する。
(2) 3D後腸上皮コンピュータ・モデルによる後腸上皮細胞のねじれの再現　令和元年度では、(1)の研究で見出したin vivoでの上皮細胞のねじれの定量的、経時的パターンをモデルに反映させる。例えば、上皮細胞の体積変化、異なるねじれ方向を示す細胞の割合などをパラメータとして取り入れ、3D後腸上皮コンピュータ・モデルで捻転を誘発できる至適条件との整合性を検討する。
(3) 後腸円柱上皮細胞のねじれを誘発する機構の解析　後腸円柱上皮細胞のねじれを誘発する機構を明らかにする。後腸上皮細胞のF-アクチンの機能に何らかのキラリティがあると予測しているが、これまでの研究では、これを検出することはできていない。上皮細胞で機械的力を発生しているMyosin IIの動態にキラリティがあると予測し、スピニングディスク顕微鏡を用いて、Myosin II-GFPの動きをex vivoでライブ観察する。Myosin II-GFPの動態をコンピュータ解析することで、Myosin II-GFPが渦巻き運動する可能性を検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マンチェスター大学(イギリス)
• [Int'l Joint Research] シンガポール国立大学(シンガポール)
• [Journal Article] Cells with Broken Left-Right Symmetry: Roles of Intrinsic Cell Chirality in Left-Right Asymmetric Epithelial Morphogenesis (2019)
  • Author(s): Utsunomiya, S., Sakamura, S., Sasamura, T., Ishibashi, T., Maeda, C., Inaki, M., and Matsuno K.
  • Journal Title: Symmetry Volume: 11 (4) Pages: 505-505
  • DOI: 10.3390/sym11040505
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] E and ID proteins regulate cell chirality and left?right asymmetric development in Drosophila (2019)
  • Author(s): Ishibashi, T., Hatori, R., Maeda, R., Nakamura, M., Matsuyama, Y., and Matsuno, K.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 24 (3) Pages: 214-230
  • DOI: 10.1111/gtc.12669
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proper direction of male genitalia is prerequisite for copulation in Drosophila, implying cooperative evolution between genitalia rotation and mating behavior (2019)
  • Author(s): Inatomi, M., Shin, D., Lai, Y.-T., and Matsuno, K.
  • Journal Title: Scientific reports Volume: 9 (1) Pages: 210-210
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36301-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Drosophila flies high over the Asia-Pacific: Report on the Fourth Asia-Pacific Drosophila Research Conference (2018)
  • Author(s): Lai, Y.-T., Maeda, C., and Matsuno, K.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 23 (7) Pages: 512-516
  • DOI: 10.1111/gtc.12601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chiral cell sliding drives left-right asymmetric organ twisting. (2018)
  • Author(s): Mikiko Inaki, R.Hatori, N.Nakazawa, T.Okumura, T.Ishibashi, J.Kikuta, M.Ishii, K.Matsuno, H.Honda
  • Journal Title: eLife Volume: 7
  • DOI: 10.7554/elife.32506
  • NAID: 120006491604
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell chirality drives left-right asymmetric morphogenesis. (2018)
  • Author(s): Inaki Mikiko、Sasamura Takeshi、Matsuno Kenji
  • Journal Title: Front. Cell Dev. Biol. Volume: 6 Pages: 34-34
  • DOI: 10.3389/fcell.2018.00034
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Left-right asymmetric morphogenesis in Drosophila and other invertebrates: the discovery of intrinsic cell chirality and its functions (2017)
  • Author(s): Inaki, M., Yang L. J., and Matsuno K.
  • Journal Title: Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cell chirality: its origin and roles in left-right asymmetric development (2016)
  • Author(s): Inaki, M., Yang L. J., and Matsuno K.
  • Journal Title: Philosophical Transaction of The Royal Society B Volume: 371 Pages: 20150403-12
  • DOI: 10.1098/rstb.2015.0403
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dual Roles of O-Glucose Glycans Redundant with Monosaccharide O-Fucose on Notch in Notch Trafficking. (2016)
  • Author(s): Matsumoto, K., Ayukawa, T., Ishio, A., Sasamura, T., Yamakawa, T. and Matsuno, K.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 291 Pages: 13743-13752
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.710483
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Class I myosins have overlapping and specialized functions in left-right asymmetric development in Drosophila. (2015)
  • Author(s): Okumura T, Sasamura T, Inatomi M, Hozumi S, Nakamura M, Hatori R, Taniguchi K, Nakazawa N, Suzuki E, Maeda R, Yamakawa T, Matsuno K
  • Journal Title: Genetics Volume: 199 Pages: 1183-1199
  • DOI: 10.1534/genetics.115.174698
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] O-fucose monosaccharide of Drosophila Notch has a temperature-sensitive function and cooperates with O-glucose glycan in Notch transport and Notch signaling activation. (2015)
  • Author(s): Akira Ishio, Takeshi Sasamura, Tomonori Ayukawa, Junpei Kuroda, Hiroyuki O. Ishikawa, Naoki Aoyama, Kenjiroo Matsumoto, Takuma Gushiken, Tetsuya Okajima, Tomoko Yamakawa and Kenji Matsuno2
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 290 Pages: 505-519
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.616847
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 暁のNotchシグナル－無脊椎モデル動物の役割の過去と未来 (2015)
  • Author(s): 山川智子、松本顕治郎、松野健治
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 34 Pages: 390-396
• [Presentation] A novel 3D mprphologic change of epithelial cells, cell twisting, may account for left-right directional trissue rotation (2018)
  • Author(s): Mikiko Inaki, Akino Okubo, Takamich Susida, Masakazu Akiyama, Yasuhiro Inoue, Kenji Matsuno
  • Organizer: 第５１回日本発生生物学会
• [Presentation] Id protein regulates MyosinID and MyosinIC balance via YAP independent Hippo pathway to control the left-right asymmetric development of the Drosophila hindgut (2018)
  • Author(s): Tomoki Ishibashi, Ryo Hatori, Yoka Matsuyama, Kneji Matsuno
  • Organizer: 第５１回日本発生生物学会
• [Presentation] Chirarity in the dynamic behaviro of bood cell cytoplasm in Drosophila (2018)
  • Author(s): Takashi Sasamura, Daisuke Kurisu, Masakazu Akiyama, Kohei Otomo, Kaname Nemoto, Hiroaki Mizuno, Naoki Watanabe, Kenji Matsuno
  • Organizer: 第５１回日本発生生物学会
• [Presentation] A genetic screen based on a mirror-image mutant condition in Drosophila to identify genes required for the formation of default left-right asymmmetry (2018)
  • Author(s): Yukako Inoue, Takeshi Sasamura, Mikiko Inaki, Kenji Matsuno
  • Organizer: 第５１回日本発生生物学会
• [Presentation] Single molecular dynamics of Myosin-ID dictating chiral behaviors of Drosophila cells (2018)
  • Author(s): Sousuke Utsunomiya, Takeshi Sasamura, Yukihiro Miyamaga, Masahiro Ueda, Kenji Matsuno
  • Organizer: 第５１回日本発生生物学会
• [Presentation] キラルな細胞変形によって駆動される組織自立的な内臓捻転の機構 (2018)
  • Author(s): 稲木美紀子、大久保明野、須志田隆道、秋山正和、井上康博、松野健治
  • Organizer: 第４１回日本分子生物学会年会
• [Presentation] キイロショウジョウバエの血球細胞における、アクチン束の回転によって細胞質の流動にキラリティが生じる可能性の検討 (2018)
  • Author(s): 栗栖大祐、笹村剛司、野中茂紀、松野健治
  • Organizer: 第４１回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ショウジョウバエ細胞のキラルな振る舞いを制御するI型ミオシンの一分子動態 (2018)
  • Author(s): 宇都宮聡介、笹村剛司、宮永之寛、上田昌宏、松野健治
  • Organizer: 第４１回日本分子生物学会年会
• [Presentation] A genetic screen based on a mirror-image mutant condition in Drosophila to identify genes required for the formation of default left-right asymmmetry (2018)
  • Author(s): Yukako Inoue, Takeshi Sasamura, Mikiko Inaki, Kenji Matsuno
  • Organizer: 第４１回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 第４１回日本分子生物学会年会 (2018)
  • Author(s): 森遼太、亀井勇亮、桑名悟史、松野健治
  • Organizer: ショウジョウバエの細胞や組織のキラリティを反転させるMyosin31DFと相互作用する因子の近位ビオチン標識法による探索
• [Presentation] Chiral cell sliding drives left-right asymmetric organ twisting (2017)
  • Author(s): Mikiko Inaki, Hisao Honda, Kenji Matsuno
  • Organizer: The 4th Asia-Pacific Drosophila Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The cell-type specific functions of an ER modulating factor, Pecanex in Notch and Wnt signaling pathways (2017)
  • Author(s): Tomoko Yamakawa, Kenji Matsuno
  • Organizer: The 4th Asia-Pacific Drosophila Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolutionally cooperativity between mating position and rotation of male genitalia in Diptera (2017)
  • Author(s): Momoko Inatomi, Chisako Sakuma, Hirotaka Kanuka, Kenji Matsuno
  • Organizer: The 4th Asia-Pacific Drosophila Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The cell-type specific functions of an ER modulating factor, Pecanex in Notch and Wnt signaling pathways (2017)
  • Author(s): Tomoko Yamakawa, Kenji Matsuno
  • Organizer: Annual meeting of the Japanese Society of Developmental Biology
• [Presentation] 上皮細胞組織変形の三次元シミュレーションを用いたショウジョウバエ消化管の左右非対称な捻転を引き起こす細胞変形の素過程の同定 (2017)
  • Author(s): 稲木美紀子、大久保明野、須志田隆道、秋山正和、井上康博、松野健治
  • Organizer: 第６９回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] Cell chirality drives left-right asymmetric morphogenesis (2017)
  • Author(s): Kenji Matsuno
  • Organizer: 第６９回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 小胞体調節因子PecanexのNotchとWntシグナル伝達における細胞型特異的な機能の解析 (2017)
  • Author(s): 山川智子、松野健治
  • Organizer: 第６９回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 細胞が示すキラリティがからだの左右非対称性をつくる (2017)
  • Author(s): 松野健治
  • Organizer: 日本動物学会第９９回富山大会
• [Presentation] ショウジョウバエ血球細胞が示す細胞質動態のキラリティ (2017)
  • Author(s): 笹村剛司、栗栖大祐、秋山正和、松野健治
  • Organizer: 日本動物学会第９９回富山大会
• [Presentation] Cell chirality drives left-right asymmetric development (2017)
  • Author(s): Kenji Matsuno
  • Organizer: Annual International Seminar on Trends in Science and Science Education 2017, State University of Medan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cell chirality drives left-right asymmetric development (2017)
  • Author(s): Kenji Matsuno
  • Organizer: The 3rd International Symposium on Mechanobiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Notch受容体の機能発現におけるO型糖鎖の多様で冗長的な機能 (2017)
  • Author(s): 松野健治
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
  • Invited
• [Presentation] 細胞質流動の計測による細胞キラリティ形成機構の解明 (2017)
  • Author(s): 栗栖大祐、笹村剛司、松野健治
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] ショウジョウバエ胚上皮細胞のキラルなねじれによる管状上皮組織の捻転機構 (2017)
  • Author(s): 大久保明野、稲木美紀子、須志田隆道、秋山正和、井上康博、松野健治
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] Notch シグナル構成因子 Pecanex とタンパク質小胞輸送制御因子 NSF の 機能的関連に関する研究 (2017)
  • Author(s): 近藤頼子、山川智子、松野健治
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] 上皮細胞組織変形の三次元シミュレーションを用いたショウジョウバエ消化管の左右非対称な捻転を引き起こす細胞変形の素過程の同定 (2017)
  • Author(s): 稲木美紀子、大久保明野、須志田隆道、秋山正和、井上康博、松野健治
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] Chiral cell sliding drives left-right asymmetric organ twisting (2017)
  • Author(s): Inaki M, Honda H, Matsuno K
  • Organizer: Mechanical forces in biology, Heidelberg, Germany
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chiral cell sliding drives left-right asymmetric organ twisting (2017)
  • Author(s): Inaki M, Honda H, Matsuno K
  • Organizer: European Drosophila Research Conference, London, UK
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discovery of cell chirality, a novel cell polarity, and its functions (2016)
  • Author(s): Kenji Matsuno
  • Organizer: 第３９回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-11-30
  • Invited
• [Presentation] Cell chirality my be an evolutionarily conserved mechanisms that drives twisting of alimentary canal (2016)
  • Author(s): Kenji Matsuno
  • Organizer: The 22nd International Congress of Zoology
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県那覇市）
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cell chirality is a novel and evolutionarily conserved cell polarity that drives left-right asymmetric morphogenesis (2016)
  • Author(s): Kenji Matsuno
  • Organizer: 57th annual Drosophila research conference
  • Place of Presentation: Orlando, USA
  • Year and Date: 2016-07-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞のキラリティが駆動する組織の左右非対称な変形 (2016)
  • Author(s): 松野健治
  • Organizer: 基生研研究会
  • Place of Presentation: 基礎生物学研究所（愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2016-01-05
  • Invited
• [Presentation] Transciptome analysis to identify genes responding to mechanical force in developing Drosophila embryos (2015)
  • Author(s): Tomoki Ishibashi, Katsushi Yamaguchi, Shuji Shigenobu, and Kenji Matsuno
  • Organizer: The 5th annual meeting for whole-roganism science society
  • Place of Presentation: 大阪大学Σホール（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] Evolutionary cooperrativity between mating position and rotation of male genitalia in Diptera (2015)
  • Author(s): Momoko Inatomi, Chisako Sakuma, Hiroyuki Kanuka, and Kanji Matsuno
  • Organizer: The 5th annual meeting for whole-roganism science society
  • Place of Presentation: 大阪大学Σホール（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] Functional interaction between Pecanex and NSF2 in Notch signaling (2015)
  • Author(s): Ami Yamagishi, Tomoko Yamakawa, and Kenjji Matsuno
  • Organizer: The 5th annual meeting for whole-roganism science society
  • Place of Presentation: 大阪大学Σホール（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] BioID-based identification of proteins interacting with Myosin31DF, which controls left-rihgt asymmetry in Drosophila (2015)
  • Author(s): Yusuke Kamei, Hiroki Okanishi, Takeshi Sasamura, Seiki Kueamitsu, and Kenji Matsuno
  • Organizer: The 5th annual meeting for whole-roganism science society
  • Place of Presentation: 大阪大学Σホール（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] Analysis of cellular dynamics in left-right asymmetric rotation of Drosophila hindgut (2015)
  • Author(s): Mikiko Inaki, Hisao Honda, and Kenji Matsuno
  • Organizer: The 5th annual meeting for whole-roganism science society
  • Place of Presentation: 大阪大学Σホール（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2015-12-19
  • Invited
• [Presentation] 細胞のキラリティがからだの左右非対称性をつくる (2015)
  • Author(s): 松野健治
  • Organizer: 第６７回日本細胞生物学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京都江戸川区）
  • Year and Date: 2015-06-30
  • Invited
• [Remarks]
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/matsuno/index.html
• [Remarks] 大阪大学大学院 理学研究科 生物科学専攻 細胞生物学 松野研究室
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/matsuno/index.html
• [Remarks] 大阪大学大学院 理学研究科 生物科学専攻 細胞生物学・松野研究室
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/matsuno/index.html
• [Funded Workshop] The 4th Asia-Pacific Drosophila Research Conference (2017)