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 2021)
• Budget Amount: ¥62,790,000 (Direct Cost: ¥48,300,000、Indirect Cost: ¥14,490,000); Fiscal Year 2021: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); 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、生理的状態や摂動を与えた状態において、ショウジョウバエ中腸の腸管上皮における細胞種に特異的な応答を解析した。老化ショウジョウバエ個体において、カスパーゼや他のストレスレポーターの発現変化を定量的に解析した。また、腫瘍移植個体において、腸管特異的なストレス応答と、そのシグナルパスウェイの機能を遺伝学的に解析した。また、腫瘍移植個体の腸管を単離して行ったRNA-seqによって、腸上皮で発現変動している遺伝子群を同定することができた。
さらに、腸管上皮において、発生過程で細胞種に特異的な細胞運命の可塑性を見出しており、その制御が栄養依存的であることを見出している。
また、現在シングルセル解析(scRNA-seq)を行うための準備を進めており、腸上皮を細胞レベルに単離する手法の確立や、実際のデータ解析する前にバイオインフォ解析の基礎を新学術主催の講習会で学習することができた。

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。今年度は、生理的状態、そして様々な摂動（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、これまでに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ており、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。同様の効果は、別の腫瘍を移植した個体においても観察されていることから、腸管と腫瘍との相互作用に共通および腫瘍に特異的な応答を見いだすことが可能である。また老化個体では細胞死シグナルであるカスパーゼ活性が特定の細胞種で亢進していることを見出した。さらに、発生過程において、栄養依存的に細胞運命可塑性を示す細胞タイプを発見することができた。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、生理的状態下や摂動を与えた場合にショウジョウバエ腸管上皮で見出した、各細胞タイプの特異的な応答について、遺伝学的ツールによって操作することで、それぞれの機能を解析する。また、細胞種ごとのトランスクリプトームやsingle cell RNA-seqを使ったシングルセル解析を導入することで、新規の分子メカニズムや細胞ポピュレーションの同定を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stowers Institute for Medical Research(米国)
• [Int'l Joint Research] Stowers Institute for Medical Research(米国)
• [Journal Article] Junctional tumor suppressors interact with 14-3-3 proteins to control planar spindle alignment (2019)
  • Author(s): Nakajima Yu-ichiro、Lee Zachary T.、McKinney Sean A.、Swanson Selene K.、Florens Laurence、Gibson Matthew C.
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 218 Pages: 1824-1838
  • DOI: 10.1083/jcb.201803116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell proliferation controls body size growth, tentacle morphogenesis, and regeneration in hydrozoan jellyfish Cladonema pacificum (2019)
  • Author(s): Fujita Sosuke、Kuranaga Erina、Nakajima Yu-ichiro
  • Journal Title: PeerJ, Volume: 7
  • DOI: 10.7717/peerj.7579
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Pins suppresses abnormal cell-fate reprogramming during Drosophila wing regeneration (2019)
  • Author(s): 石原史哉, 倉永英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: International Symposium: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dissecting mechanisms of tumor growth and metastasis during tumor-host interactions in Drosophila (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: The 9th EMT International Association Meeting-Early Career Researcher Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dissecting mechanisms of tumor growth and metastasis during tumor-host interactions in Drosophila (2019)
  • Author(s): 長谷川景太, 河井陽一, 倉永英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: The 9th EMT International Association Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tumor growth and metastasis through tumor-host interactions in Drosophila (2019)
  • Author(s): 河井陽一, 長谷川景太, 倉永英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: Tohoku University Thematic Forum for Creativity "Cancer - from Biology to Acceptance -
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-autonomous stress responses during tumor-host interactions in Drosophila (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: Tohoku University Thematic Forum for Creativity "Cancer - from Biology to Acceptance -
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Temperature shift controls life cycle and morphological changes in hydrozoan jellyfish Cladonema pacificum (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗, 冨士田壮佑, 高嶋春奈, 倉永英里奈
  • Organizer: At the roots of bilaterian complexity: insights from early emerging metazoans
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-autonomous stress responses in the host intestine function as a tumor-suppressive mechanism in Drosophila (2019)
  • Author(s): 中嶋悠一朗
  • Organizer: Barcelona BioMed Conference Drosophila as a cancer model
• [Presentation] 組織恒常性・病態・環境応答を 細胞の振る舞いから理解する Understanding cellular logic of tissue homeosta (2019)
  • Author(s): 中嶋悠一朗
  • Organizer: 第9回FRIS Hub Meeting
• [Presentation] Tissue homeostasis, diseases and environmental responses (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 第 4 回 FRIS 若手研究者学際融合領域研究会
• [Presentation] ショウジョウバエ中腸における加齢によるカスパーゼ活性化と組織恒常性への影響 (2019)
  • Author(s): 田中芳音, 倉永英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Cell Fate Control during Epithelial Homeostasis, Diseases and Environmental Responses (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: THE 4th MORPHOMEOSTASIS MEETING
  • Invited
• [Presentation] エダアシクラゲ メデューサの再生における細胞メカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): 冨士田 壮佑, 倉永 英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 第二回再生学異分野融合研究会
• [Presentation] エダアシクラゲにおける触手再生メカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): 冨士田 壮佑, 倉永 英里奈, 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 日本動物学会・令和元年度東北支部大会
• [Presentation] ショウジョウバエ腫瘍移植モデルにおける細胞ダイバーシティー (2019)
  • Author(s): 長谷川景太, 河井陽一, 倉永英里奈, 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4回公開シンポジウム「1細胞解析と数理モデリングの融合がもたらす細胞社会ダイバーシティーの理解」
• [Presentation] ショウジョウバエ腫瘍-宿主相互作用における細胞ダイバーシティーの理解 (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物 学会大会 合同年次大会
  • Invited
• [Presentation] Cell fate control during epithelial homeostasis and environmental response (2019)
  • Author(s): 中嶋 悠一朗
  • Organizer: The 1st Interdisciplinary Medical Research meeting
  • Invited
• [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] がん抑制因子による上皮の細胞分裂方向の制御機構を解明
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2019/06/press-20190607-YN-domestic.html
• [Remarks] クラゲの体の成長や触手の発生・再生には細胞増殖が必須
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2019/09/press20190904-01-jellyfish.html
• [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