上皮細胞の動態を制御する場としての力の発生とその応答

• Project Area: Cross-talk between moving cells and microenvironment as a basis of emerging order in multicellular systems
• Project/Area Number: 22111007
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 林 茂生 The Institute of Physical and Chemical Research, その他部局等, その他 (60183092)
• Project Fiscal Year: 2010-06-23 – 2015-03-31(Estimated)
• Project Status: Completed(Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥51,740,000 (Direct Cost : ¥39,800,000、Indirect Cost : ¥11,940,000); Fiscal Year 2014 : ¥9,620,000 (Direct Cost : ¥7,400,000、Indirect Cost : ¥2,220,000); Fiscal Year 2013 : ¥10,140,000 (Direct Cost : ¥7,800,000、Indirect Cost : ¥2,340,000); Fiscal Year 2012 : ¥10,660,000 (Direct Cost : ¥8,200,000、Indirect Cost : ¥2,460,000); Fiscal Year 2011 : ¥10,530,000 (Direct Cost : ¥8,100,000、Indirect Cost : ¥2,430,000); Fiscal Year 2010 : ¥10,790,000 (Direct Cost : ¥8,300,000、Indirect Cost : ¥2,490,000)
• Keywords: Drosophila / 陥入 / 上皮 / 気管 / 細胞分裂 / 形態形成 / 定量生物学 / 細胞運動 / 力学 / 細胞骨格 / ライブイメージング / シミュレーション / ショウジョウバエ

Research Abstract

昨年度は生体内での管状組織の長さが調節されるしくみについてショウジョウバエの胚の気管系をモデルに研究した。生物の体内では、血管、呼吸管など管状組織のネットワークが縦横に張り巡らされ、血液や空気などの物質循環が行われる。物質がスムーズに循環するためには、部位ごとに管の太さが均一にそろっている必要がある。成長期のヒトの血管系では拍動の物理的な刺激に応じて血管内の細胞の再配置・増殖が起こり、血流が最適化されるように管の形状が変化するが、胚発生においては血液循環が始まる前にすでに血管はある程度適正な形状を獲得している。これまで、この循環に非依存的な管構造の適正化の仕組みはよく分かっていなかった。過去の研究から、ショウジョウバエ胚の気管の内側（管腔）にはタンパク質とキチン質を主成分とした細胞外マトリクスが蓄積し、気管の太さと長さという2つの形状特性を制御していることが知られていた。しかし、長さの制御において、細胞外マトリクスの果たす役割の詳細については未解明のままだった。
我々は、気管に蓄積する細胞外マトリクスの性状を詳細に解析したところ、粘り気がある液体成分と弾性体成分で構成されていることを見いだした。これらの成分を損なう条件や、気管上皮細胞の管腔側の細胞膜（アピカル細胞膜）が過剰に拡大するショウジョウバエの変異体を解析し、物理モデルで検証した。その結果、気管上皮細胞のアピカル細胞膜の拡張力と細胞外マトリクスの弾性力が拮抗することで力学的に安定し、適正な長さの気管ができることを見いだしました。 本成果は、細胞外マトリクスの形態形成に関わる新たな機能の発見であり、細胞が生物の管状組織を形作る細胞生物学的見地からも興味深いといえる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

組織の形態形成を座屈と言う物理学的概念で説明を与えた事は発生プロセスの一般的理解を助ける面で貢献度があると考えている．

Research Output

• [Journal Article] TALEN-induced gene knock out in Drosophila. (2014)
  • Author(s): Kondo T
  • Journal Title: Development Growth and Differentiation Volume : 56:1 Pages : 86-91
  • DOI: 10.1111/dgd.12097.
• [Journal Article] Balance between Apical Membrane Growth and Luminal Matrix Resistance Determines Epithelial Tubule Shape. (2014)
  • Author(s): Dong B
  • Journal Title: Cell Reports Volume : 7 Pages : 1-10
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2014.03.066.
• [Journal Article] Efficient TALEN construction and evaluation methods for human cell and animal applications (2013)
  • Author(s): Sakuma T
  • Journal Title: Genes Cells Volume : 18:4 Pages : 315-326
  • DOI: 10.1111/gtc.12037.
• [Journal Article] Homeogenetic inductive mechanism of segmentation in polychaete tail regeneration. (2013)
  • Author(s): Niwa N
  • Journal Title: Developmental Biology Volume : 381: 2 Pages : 460-470
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2013.04.010.
• [Journal Article] TAG-1-assisted progenitor elongation streamlines nuclear migration to optimize subapical crowding. (2013)
  • Author(s): Okamoto M
  • Journal Title: Nature Neuroscience Volume : 16:11 Pages : 1556-1566
  • DOI: 10.1038/nn.3525.
• [Journal Article] Drosophila oocyte polarity and cytoskeleton organization requires regulation of Ik2 activity by Spn-F and Javelin-like. (2013)
  • Author(s): Amsalem S
  • Journal Title: Molecular and Cellular Biology Volume : 33:22 Pages : 4371-4380
  • DOI: 10.1128/MCB.00713-13.
• [Journal Article] IKKε regulates cell elongation through recycling endosome shuttling (2011)
  • Author(s): Tetsuhisa Otani
  • Journal Title: Developmental Cell Volume : 20 Pages : 219-232
• [Journal Article] Sustained elongation of sperm tail promoted by local remodeling of giant mitochondria in Drosophila (2011)
  • Author(s): Noguchi, T
  • Journal Title: Current Biology Volume : 21 Pages : 805-814
  • DOI: 10.1016/j.cub.2011.04.016
• [Journal Article] Joint morphology in the insect leg : evolutionary history inferred from Notch loss-of-function phenotypes in Drosophila (2011)
  • Author(s): Tajiri R
  • Journal Title: Development Volume : 138 Pages : 4621-6
  • DOI: 10.1242/dev.067330
• [Journal Article] Robust specification of sensory neurons by dual functions of charlatan, a Drosophila NRSF/REST-like repressor of extramacrochaetae and hairy (2011)
  • Author(s): Yamasaki Y
  • Journal Title: Genes Cells Volume : 16 Pages : 896-909
  • DOI: 10.1111/j.1365-2443.2011.01537.x
• [Journal Article] Evolutionary origin of the insect wing via integration of two developmental modules. (2010)
  • Author(s): Nao Niwa
  • Journal Title: Evolution & Development Volume : 12 Pages : 168-176
• [Journal Article] Dynamic intracellular distribution of Notch during activation and asymmetric cell division revealed by functional fluorescent fusion proteins. (2010)
  • Author(s): Koji Kawahashi
  • Journal Title: Genes to Cells Volume : 15 Pages : 749-759
• [Journal Article] Dynamic shape changes of ECM-producing cells drive morphogenesis of ball-and-socket joints in the fly leg. (2010)
  • Author(s): Reiko Tajiri
  • Journal Title: Development Volume : 137 Pages : 2055-2063
• [Presentation] ショウジョウバエ気管原基における陥入過程の形態学的定量解析 (2014)
  • Author(s): Hayashi S
  • Organizer: 動く細胞と場のクロストークによる秩序の生成, 第八回領域班会議
  • Place of Presentation: 横浜市
  • Year and Date: 20140124-20140125
• [Presentation] 細胞外マトリクスとアピカル細胞膜のカップリングが気管上皮チューブの形状を決定する (2013)
  • Author(s): Hayashi S
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会ワークショップ
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 20131205-20131205
• [Presentation] Cellular logic behind organ shape specification (2013)
  • Author(s): Hayashi S
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 細胞が集団になって初めて発現する機能
  • Place of Presentation: 大阪市
  • Year and Date: 20131128-20131128
• [Presentation] 上皮形態形成と分裂期ダイナミクス (2013)
  • Author(s): Kondo T
  • Organizer: 日本発生生物学会 2013年秋期シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 20131118-20131118
• [Presentation] 細胞外マトリクスとアピカル細胞膜のカップリングが気管上皮チューブの形状を決定する (2013)
  • Author(s): Hayashi S
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 20131029-20131029
• [Presentation] Synergistic action of mitosis and cell shape change in epithelial invagination (2013)
  • Author(s): Hayashi S
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 20131028-20131028
• [Presentation] A self-sustaining signaling center controls cell elongation (2013)
  • Author(s): Otani T
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 横浜市
  • Year and Date: 20130912-20130912
• [Presentation] 上皮構造の局所的不安定化による形態形成の制御 (2013)
  • Author(s): Hayashi S
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 横浜市
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] Apical extracellular matrix and its coupling with mebrane shape tracheal tube geometry in Drosophila (2013)
  • Author(s): Dong B
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 横浜市
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] Mitotic cell rounding accelerates invagination of the Drosophila tracheal placode (2013)
  • Author(s): Kondo T
  • Organizer: The 17th International Congress of Developmental Biology
  • Place of Presentation: カンクン、メキシコ
  • Year and Date: 20130620-20130620
• [Presentation] A self-sustaining signaling center controls cell elongation (2013)
  • Author(s): Otani T
  • Organizer: 第65回日本細胞生物学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋市
  • Year and Date: 20130619-20130619
• [Presentation] Mechanical coupling of apical membrane and luminal matrix shapes tracheal tube geometry in Drosophila (2013)
  • Author(s): Dong B
  • Organizer: 第46回日本発生生物学会大会
  • Place of Presentation: 松江市
  • Year and Date: 20130530-20130530
• [Presentation] IKKe antagonizes PKC-dependent inhibitory phosphorylation of Singed/Fascin to promote (2013)
  • Author(s): Otani T
  • Organizer: 第46回日本発生生物学会大会
  • Place of Presentation: 松江市
  • Year and Date: 20130530-20130530
• [Presentation] A self-sustaining signaling center controls cell elongation (2013)
  • Author(s): Otani T
  • Organizer: The 2nd Asia-Pacific Drosophila Research Conference
  • Place of Presentation: ソウル、韓国
  • Year and Date: 20130514-20130514
• [Presentation] The role of mitotic cell rounding and mechanical instability in epithelial morphogenesis (2013)
  • Author(s): Hayashi S
  • Organizer: The 2nd Asia-Pacific Drosophila Research Conference
  • Place of Presentation: ソウル、韓国
  • Year and Date: 20130513-20130516
• [Presentation] Cell and tissue morphogenesis in Drosophila (2012)
  • Author(s): 林茂生
  • Organizer: India-Japan Workshop
  • Place of Presentation: バンガロール、インド(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] IKKepsilonはFascin/SingedをPKCによるリン酸化から保護することによってアクチンの束化を促進する (2011)
  • Author(s): 大谷哲久
  • Organizer: 第34回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 横浜市
  • Year and Date: 2011-12-15
• [Presentation] Mitotic Cell Rounding Accelerates Invagination of the Drosophila Tracheal Placode (2011)
  • Author(s): 近藤武史
  • Organizer: 第34回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 横浜市
  • Year and Date: 2011-12-13
• [Presentation] Regeneration of Polychaete Annellide, Perinereis nuntia Suggests a Homeogenetic Mechanisms of Sequential Segmentation Involving Wingless (2011)
  • Author(s): 林茂生
  • Organizer: The 21st CDB Meeting The 1st CDB-Regeneration Biology Study Group meeting "from Regeneration Biology to Regenerative Medicine (I)"
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2011-11-24
• [Presentation] Imaging and quantitative approaches or the study of epithelial morphogenesis in Drosophila (2011)
  • Author(s): 林茂生
  • Organizer: RIKEN-Taiwan National Science Council Workshop on Biomedical Imaging and Image Processing
  • Place of Presentation: 神戸市(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-18
• [Presentation] Force coupling in three-dimensional epithelial morphogenesis in Drosophila (2011)
  • Author(s): 林茂生
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 姫路市(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-16
• [Presentation] エンドソームシャトリングによる細胞成長の制御 (2011)
  • Author(s): 林茂生
  • Organizer: 第5回膜生物学グローバルCOE研究討論会
  • Place of Presentation: 淡路市(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-21
• [Presentation] Mitotic cell rounding accelerates invagination of the Drosophila tracheal placode/分裂期進入に伴う細胞球形化がショウジョウバエ胚気管原基の陥入を促進する (2011)
  • Author(s): 近藤武史
  • Organizer: 第44回日本発生生物学会
  • Place of Presentation: 宜野湾市
  • Year and Date: 2011-05-19
• [Presentation] IKKε regulates recycling endosome shuttling by phosphorylation of Nuf/Rad11FIP3. (2010)
  • Author(s): 大谷哲久
  • Organizer: 第33回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-12-08
• [Presentation] Joint structure in the insect leg : development, evolution and Notch-mediated regulation (2010)
  • Author(s): 田尻怜子
  • Organizer: 第33回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-12-08
• [Presentation] Regulation and function of Notch endosomal trafficking (2010)
  • Author(s): 林茂生
  • Organizer: 第5回Notch研究会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2010-11-08
• [Presentation] Joint structure in the insect leg : development, evolution and Notch-mediated regulation (2010)
  • Author(s): 田尻怜子
  • Organizer: 第5回Notch研究会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2010-11-08
• [Presentation] Coordination of Planar and Apico-Basal Forces during Invagination of Epithelial Placode. (2010)
  • Author(s): 林茂生
  • Organizer: ASCB/JSCB/Riken CDB Meeting
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2010-09-23
• [Presentation] ECM産生細胞の形状変化が司る骨格の形態形成:ハエ成虫肢のBall-and-socket型間接 (2010)
  • Author(s): 田尻怜子
  • Organizer: 日本発生生物学会 夏季シンポジウム2010
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2010-08-25
• [Presentation] 関節で向かい合う骨格の二面がぴったりと嵌り合う仕組み-昆虫の肢の発生学と比較形態学- (2010)
  • Author(s): 田尻怜子
  • Organizer: 日本進化学会第12回東京大会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2010-08-02
• [Presentation] IKKε regulates recycling endosome shuttling by phosphorylation of Nuf/Rad11FIP3. (2010)
  • Author(s): 大谷哲久
  • Organizer: 札幌国際がんシンポジウム2010
  • Place of Presentation: 札幌市
  • Year and Date: 2010-06-28
• [Presentation] Milton/dMiro mediated morphogenesis of giant mitochondria shapes extremely long sperm tails of Drosophila. (2010)
  • Author(s): 野口立彦
  • Organizer: 第43回日本発生生物学会年会
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2010-06-23
• [Remarks]
  • URL: http://www.cdb.riken.jp/signal/
• [Remarks]
  • URL: http://www.riken.jp/r-world/research/lab/cdb/mor/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.cdb.riken.jp/jp/02_research/0201_core06.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.cdb.riken.jp/signal/