Studying the mechanism and function of cellular diversity in vivo using Drosophila melanogaster

• Project Area: Integrated analysis and regulation of cellular diversity
• Project/Area Number: 17H06332
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中嶋 悠一朗 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90782152)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥62,790,000 (Direct Cost: ¥48,300,000、Indirect Cost: ¥14,490,000); Fiscal Year 2020: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2019: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2018: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2017: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000)
• Keywords: 細胞多様性 / 幹細胞 / 細胞分化 / 細胞可塑性 / 恒常性維持

Outline of Annual Research Achievements

生体中の臓器や組織という細胞社会において、様々な細胞タイプが適切な細胞数で存在する「細胞ダイバーシティー」の形成が、恒常性の維持や摂動への対応に重要である。本研究計画は、幹細胞を起点とした細胞社会を形成するショウジョウバエ中腸をモデルとして用いて、細胞ダイバーシティー維持の制御機構および生理的意義の解明を目指すものである。また実験と理論の複合的なアプローチによって細胞ダイバーシティー維持の普遍原理を明らかにすることで、細胞ダイバーシティーの破綻や異常に起因する病態の理解につなげることを最終目標としている。
本年度は昨年に続き、「細胞ダイバーシティー変化における個々の細胞および細胞集団レベルのダイナミクスの解明」に取り組んだ。細胞タイプを適切に標識できる遺伝子改変系統や抗体を入念に準備し、それぞれの発現パターンやタンパク質局在の体系的な確認を行った。また様々な摂動（腫瘍移植・老化）を与えた後の腸管における組織レベルの応答や細胞タイプの変化を解析した。正常なショウジョウバエ中腸においては、組織恒常性を維持するために幹細胞を起点とした分裂と分化のバランスが成り立つ。一方、腫瘍移植や老化に対する応答ではストレス応答シグナルの活性化を伴う腸幹細胞や前駆細胞の増殖が促進され、細胞ダイバーシティーの変化を伴う組織レベルの応答が観察された。今後は、摂動前後の細胞タイプ変化を定量的に解析し、数理モデルを構築することで、個体や組織レベルの応答に必要な細胞ダイバーシティー維持の仕組みを明らかにする予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究計画は、幹細胞を起点とした細胞社会を形成するショウジョウバエ腸管を用いて、細胞ダイバーシティー維持の制御機構および生理的意義の解明を目指すものである。今年度の計画では、細胞ダイバーシティー変化における個々の細胞および細胞集団レベルのダイナミクスの解明を行うために、様々な摂動（腫瘍移植・老化）を与えた前後の腸管における組織レベルの応答や細胞タイプの変化、個体レベルの表現型を解析した。ショウジョウバエ腫瘍移植モデルでは、非腫瘍組織である腸管においてストレスシグナルが亢進することを見出し、さらにストレスシグナルに応答して、腸管を構成する腸幹細胞や前駆細胞の割合が顕著に増大したことから、悪性腫瘍との相互作用によって、腸管組織の細胞ダイバーシティー変化が誘導されることが明らかとなった。また老化個体では組織再生に異常がみられ、損傷に対して個体の致死率が著しく上昇したこと、さらに細胞死シグナル活性が特定の細胞種で亢進していることを見出した。以上のように、ショウジョウバエ腸管をモデルにして細胞ダイバーシティー維持や破綻の仕組みを調べる実験系を構築することができたといえる。

Strategy for Future Research Activity

生理学的変化や病態での組織レベルの応答を規定する細胞集団レベルのダイナミクスは不明である。また細胞レベルでは、特に腸幹細胞の細胞分裂の様式やシグナル伝達、そして細胞可塑性は、腸管の細胞数や細胞タイプという細胞ダイバーシティーに大きく影響する。しかしながら、これまでに腸管の幹細胞や分泌前駆細胞の多様性、それら細胞の発生起源に注目した研究はほとんどない。そこで、本研究では幹細胞や分泌前駆細胞の発生過程に着目した詳細な細胞系譜解析をショウジョウバエの遺伝学的ツールによって行う。また、近年のシングルセル解析技術の発展により、 当初はバルク（組織）で計画していたトランスクリプトーム解析の一部はsingle cell RNA-seqで行った方が有用かつ必要な情報が得られると考える。そこで、発生ステージごとにシングルセル解析を導入することで、腸幹細胞や分泌前駆細胞の多様性や新規のマーカー遺伝子を明らかにする予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stowers Institute for Medical Research(米国)
• [Journal Article] Mitotic spindle orientation in epithelial homeostasis and plasticity (2018)
  • Author(s): Nakajima Yu-ichiro
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 164 Pages: 277-284
  • DOI: 10.1093/jb/mvy064
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Caspase-dependent non-apoptotic processes in development (2017)
  • Author(s): Nakajima Yu-ichiro、Kuranaga Erina
  • Journal Title: Cell Death and Differentiation Volume: 24 Pages: 1422-1430
  • DOI: 10.1038/cdd.2017.36
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Environmental control of life cycle and morphological changes in jellyfish Cladonema pacifica (2019)
  • Author(s): Yu-ichiro Nakajima, Sosuke Fujita, Haruna Takashima and Erina Kuranaga
  • Organizer: Janelia Conference New Genetic Tools for Non-model Organisms
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ショウジョウバエ病態モデルにおける細胞ダイバーシティー変化を理解する (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 細胞ダイバース・第２回若手シンポジウム
• [Presentation] ショウジョウバエ病態モデルを用いた細胞ダイバーシティーの理解 (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御・第2回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Environmental control of life cycle in jellyfish Cladonema pacifica (2018)
  • Author(s): Sosuke Fujita, Haruna Takashima, Erina Kuranaga and Yu-ichiro Nakajima
  • Organizer: First Biennial Cnidofest: The Cnidarian Model Systems Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pinsはショウジョウバエ翅原基の再生過程において異常な細胞運命の転換を抑制する (2018)
  • Author(s): 石原文哉, 倉永英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ショウジョウバエ腸管の生理的および病態変化における細胞ダイバーシティーの理解に向けて (2018)
  • Author(s): 中嶋悠一朗, 長谷川景太, 田中芳音, 倉永英里奈
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Study of body-growth and regeneration in medusa jellyfish (2018)
  • Author(s): 冨士田壮佑, 倉永英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 日本動物学会 第89回札幌大会
• [Presentation] Investigation for tumor-host interactions in the Drosophila tumor microenvironment (2018)
  • Author(s): 長谷川景太, 倉永英里奈, 中嶋悠一朗
  • Organizer: JDRC13(日本ショウジョウバエ研究集会）
• [Presentation] Cell fate control during development, disease and environmental responses (2018)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 第3回FRIS若手研究者学際融合領域研究会プログラム
• [Presentation] Environmental control of cell fate and life cycle (2018)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: The 3rd Morphomeostasis meeting
• [Presentation] Studing interactions between tumor cells and surrounding normal cells in the tumor-microenvironment using Drosophila (2018)
  • Author(s): Yuichiro Nakajima
  • Organizer: 細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御・第１回公開シンポジウム
• [Presentation] ショウジョウバエを用いた生体内がん微小環境および全身性応答の解析 (2018)
  • Author(s): 中嶋悠一朗
  • Organizer: 細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御・第１回若手シンポジウム
• [Presentation] Abberant planar spindle orientation induces epithelial plasticity in Drosophila (2017)
  • Author(s): Yu-ichiro Nakajima, Christopher Seidel, Matthew Gibson
  • Organizer: 58th Annual Drosophila Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cell fate plasticity during homeostasis, regeneration and a life cycle (2017)
  • Author(s): Yuichiro Nakajima
  • Organizer: The 2nd Morphomeostasis meeting
• [Presentation] 自分らしいサイエンスを求めて～日本、アメリカ、また日本 (2017)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 第69回 日本細胞生物学会大会 細胞生物若手の会主催 シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Cell fate change and plasticity in life cycles (2017)
  • Author(s): Yuichiro Nakajima
  • Organizer: 第2回 FRIS 若手研究者学際融合領域研究会
• [Presentation] Comparative analysis of cell proliferation in hydrozoan jelllyfish (2017)
  • Author(s): Sosuke Fujita, Erina Kuranaga, Yu-ichiro Nakajima
  • Organizer: 日本動物学会第88回富山大会
• [Presentation] Towards understanding epithelial homeostasis and cell fate plasticity during a life cycle (2017)
  • Author(s): Yuichiro Nakajima
  • Organizer: Seminar at Observatoire Oc_anologique de Villefranche-sur-Mer, France
  • Invited
• [Presentation] Tissue homeostasis and cellular plasticity in proliferating epithelia (2017)
  • Author(s): Yuichiro Nakajima
  • Organizer: Seminar at Max Planck Institute for Heart and Lung Research, Germany
  • Invited
• [Presentation] Tissue injury can induce cell-fate reprogramming in the Drosophila wing disc (2017)
  • Author(s): Fumiya Ishihara, Erina Kuranaga, Yu-ichiro Nakajima
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（ConBio2017)
• [Presentation] Analysis for the interaction between tumor cells and surrounding cells in tumor microenvironment using Drosophila (2017)
  • Author(s): Keita Hasegawa, Erina Kuranaga, Yu-ichiro Nakajima
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（ConBio2017)
• [Remarks] 中嶋悠一朗助教『The Journal of Biochemistry』に論文掲載
  • URL: https://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-516.html
• [Remarks] 『Cell Death & Differentiation』に総説論文掲載
  • URL: http://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-54.html