Formation of fish fins by assembly of collagen needle-like crystals
| Project Area | Material properties determine body shapes and their constructions |
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| Project/Area Number |
20H05943
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
近藤 滋 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (10252503)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥104,910,000 (Direct Cost: ¥80,700,000、Indirect Cost: ¥24,210,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,010,000 (Direct Cost: ¥17,700,000、Indirect Cost: ¥5,310,000)
Fiscal Year 2021: ¥21,840,000 (Direct Cost: ¥16,800,000、Indirect Cost: ¥5,040,000)
Fiscal Year 2020: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
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| Keywords | 形態形成 / コラーゲン / ゼブラフィッシュ / アクチノトリキア / ヒレ骨 / 鰭 / ヒレ / 可視化 / 建築資材 / シミュレ―ション |
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| Outline of Research at the Start |
魚類ヒレの先端には、アクチノトリキアと呼ばれるコラーゲンの棒状結晶体を、ヒレの細胞が「建築資材」のように扱い、分業体制で、作成・整列・骨化を行うことで、ヒレ骨パターンを作り上げている。本申請研究では、その過程の完全な理解、インビトロにおける再現、計算機シミュレーションによるインシリコ再構成により、これまで不明であった後期形態形成現象の新たな概念を創出し将来の再生医療の基礎を作ることを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
この研究は、ヒレの細胞がアクチノトリキアという棒状構造を、どの様に使ってヒレを組み立てるのかを明らかにすることが目的である。
１：アクチノトリキアの移動：昨年までにアクチノトリキアと一緒に動く細胞を探したところ、間葉系細胞がそれであることが解った。アクチノトリキアの先端部に付いている間葉系細胞は引っ張るように移動し、基部側についている細胞は動かない。アクチノトリキアの端部と間葉系細胞の関係が、何か特殊なものと推定された。
２：アクチノトリキアの成長：アクチノトリキアをパルス的に染色する試薬を発見した。（後述）これを使って。アクチノトリキアの成長を調べると、先端部でだけに新たなコラーゲンが付加されることが解った。これは、これまでに、電顕でも発見できなかった前後軸に沿った非対称性があることを意味し、ヒレ形成に関して重要な示唆を与える。
３：アクチノトリキアの整列方向：ヒレ特異的に発現し、アクチノトリキアの成分であるアクチノジン１，２の両方をＫOすると、予期しないことにヒレに対してアクチノトリキアが垂直に立つ。しかも、10本ほどのアクチノトリキアが束になり、束と束の間隔も同じ。非常に規則的。この意味については後述する。
４：コラーゲンの可視化：アクチノトリキアができる以前のコラーゲンが既に整列しているかどうかを知ることが必要と考えたので、コラーゲン分子を蛍光ラベルして、分子を直接見る系を構築しようとしている。この実験は、多くの人が試し、上手くいかない実験であるが、透明な魚のヒレ、うろこに関してはもしかしたら成功するかもしれないと考え試みている。多数の遺伝子について調べた結果、col2である程度分子の方向性の可視化に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
意外、かつ極めて重要と思われる発見が2つあった。一つ目は、アクチノトリキアに、おそらく、前後の違いがあることを示唆するデータが得られたこと。ヒレ骨は他の骨とは異なり、先端部に向かってのみ、付加成長をする。この違いが何によって起きるかについては、これまで、全く答えが無かったが、ヒレ先端の構造物であるアクチノトリキアに前後の違いがあれば、これを説明できるはずである。これは、ヒレ構造だけではなく、末端成長する硬質構造である歯やツノ、爪などがどうして1方向にだけしか新調しないかを説明するかもしれず、興味深い。
もう一つは、アクチノトリキアが垂直に立つ変異個体を発見したことである。コラーゲンは体のあらゆる部位に存在するが、それぞれの特徴的な物理的性質を生み出すために、積層構造を取ることが多い。例えば、皮膚では、コラーゲンは層構造をとるが、各層はほぼ90度回転して、垂直の配向性を持つ。この配向性をどのようにして作るかが、極めて重要であることは論をまたないが、これまで、この問題にまともに食い込む研究は行わていない。その理由は、コラ―ゲンが、通常は見えないことと、配向に異常を与える遺伝子変異が無い（あるいはあったとしても見えないので、発見されていない）からである。アクチノトリキアは、見えるコラーゲン繊維なので、この系の利点が発揮された結果である。この変異の解析を起点にして、これまで未知であったコラーゲンのダイナミクスに迫れると期待している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の中心は、３：アクチノトリキアの整列方向と、４：コラーゲンの可視化になる。3に関しては、現時点では、F0の観察のみのデータしかないため、早急にF2の魚を作り、どうやってアクチノトリキアが直立するのかを、解明していきたい。その方法としては、第一には、FIBSEMにより３D電顕像の取得である。コンフォーカル顕微鏡で観察すると、垂直になったコラーゲンの束の周囲には、間葉系細胞の核がアクチノトリキアと同じように入り込み、直立している。細胞が先かアクチノトリキアが先かは解らないが、変異遺伝子の発現をうまく調節すれば、どちらに原因があるのかわかるはずである。また、アクチノジン１，２を他の骨のある所にも発現させる実験も行う予定である。ヒレ骨の特殊なところは、非常に薄い膜構造を取ることで、それは、アクチノトリキアが平面上にしか並ばないことに対応している。もしかすると、3次元のかたちをしている他の骨も、アクチノジン１，２が存在すれば、平面状の形態になるかもしれないと期待している。期待通りであれば、何故、魚でのみヒレと言う平面構造が発達することができたかという、進化上の大きな問題に対する答えが得られる。
上記の2つの実験に加えて、コラーゲン繊維の可視化の実験も継続する。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
