卵形成及び初期発生過程における胚軸（動植軸・左右軸）決定機構の包括的解析

• 研究課題/領域番号: 19H03234
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分44020:発生生物学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 西田 宏記 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60192689)
• 研究分担者: 今井 薫 (佐藤薫) 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (00447921) ; 小沼 健 大阪大学, 理学研究科, 助教 (30632103)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: 胚発生 / 卵形成 / 動物植物軸 / カテニン / 局在母性因子 / ホヤ / オタマボヤ / 胚軸 / 左右非対称性 / 胚 / 左右非対称 / 卵成熟

研究開始時の研究の概要

動物の胚は、３つの軸 (動植軸、それに直交する軸、左右軸）を持っている。胚発生を理解するためには胚軸の決定機構を知ることは重要である。全ての動物の未受精卵は動植軸を持っている。そして、この軸に沿って三胚葉が配置され原腸陥入へと進行する。本研究では、ホヤの卵成熟過程とオタマボヤの卵形成過程で起こる動植軸の決定機構を探る。また、左右軸に関してホヤとオタマボヤを用いて、左右非対称性の決定機構を探る。動植と左右の胚軸決定機構を明らかにすることによって、ホヤと脊椎動物を含む脊索動物門に関して、胚軸決定機構の比較が可能になり、脊索動物門の進化についても、推測することが可能になる。

研究実績の概要

動物の胚発生における初期の重要な過程として胚軸の決定がある。胚軸には３種類あり、動植軸 (卵の上と下)、それに直交する軸 (カエルなどでは背腹軸、ホヤでは前後軸と呼ばれる。歴史的な理由で呼び方は異なれど同じもの)と、左右軸 (上記の二つの軸に依存して決定されるが、ここでは左右非対称な体の形態形成をもたらす左右軸ベクトルの向きのことをいう)が、3Dの体を作るための軸として設定される。
全ての動物の未受精卵は動植軸を持っている。そして、この軸に沿って三胚葉が配置され原腸陥入へと進行する。動植軸の決定機構は重要であるが、未受精卵に既に動植軸が存在しているために研究しにくいこともあり、研究が少ない。本研究では、ホヤの卵成熟過程とオタマボヤの卵形成過程で起こる動植軸の決定機構を探っている。
左右軸決定に関しては、脊椎動物では、繊毛が関与している場合が多い。脊索動物門に属するホヤにおいても繊毛が重要な働きをしているが、繊毛が関与する左右非対称決定機構は脊椎動物とは異なっている。特にホヤにおいては、神経胚回転が左右非対称形成に関して重要な役割を果たすことをこれまでに示してきた。本研究ではホヤとオタマボヤを用いて、左右非対称性の決定機構を探っている。動植と左右の胚軸決定機構を明らかにすることでホヤと脊椎動物を含む脊索動物門に関して、胚軸決定機構の比較が可能になり、脊索動物門の進化についても、推測することが可能になる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでの研究により、３つの母性mRNAが未受精卵の植物極側に既に局在しており、8細胞期で植物半球後方割球に受け継がれていることがわかった。これらの母性局在mRNAをPLT1~3と名付けた。そこで、これらのmRNAが未受精卵に運ばれ局在していく過程を観察した。卵形成過程を5つのステージに分けて組織切片を作成した。オタマボヤの卵巣は多核体であり、卵形成が進むにつれて、哺育核の遺伝子発現によって作られた卵巣細胞質が卵母細胞のring canalを通って卵内へと流れ込んでいき、卵母細胞が大きくなっていくと予想されていた。３つの局在母性mRNAは、卵形成の初期段階で卵母細胞の核ではなく保育核によって転写され、卵巣細胞質に拡散し、ring canalを通って卵母細胞に輸送され、一旦、卵母細胞内に均一に分布し、卵形成の後期に植物極の近くに局在することがわかった。
マボヤの左右非対称性は、神経胚回転により生じる。神経胚回転とは、神経胚が前後軸を中心に反時計回りに回転し、胚の左側を下向きにして停止する現象を指す。その後、卵膜と接する胚の左側の表皮でのみnodal遺伝子が発現する。神経胚回転は表皮に生えている繊毛運動がdriving forceとなっている。このことから、表皮には何らかの平面内細胞極性 (PCP) の存在が推察される。マボヤ胚においてPCPタンパク質 Pk (Prickle)、Invs (Inversin)、Vangl2 (Van gogh-like 2)をノックダウンする実験を行った結果、それぞれの胚では神経胚回転が異常になった。また、Pkノックダウン胚では繊毛の向きがランダムになっていることも明らかになった。さらに、神経胚表皮の細胞内におけるPkタンパク質の局在を観察した結果、予想に反して細胞の側方に片寄っているのではなく、細胞の前側の膜に局在している様子が観察された。

今後の研究の推進方策

１．オタマボヤの動植軸：多くの動物胚で、植物半球の割球でのみベータカテニンが核内移行し、その核内移行が植物半球特異的遺伝子発現に必要である。これまでの研究により、ベータカテニンにビーナス蛍光タンパク質を融合して、オタマボヤの卵巣に注入すると卵形成過程で翻訳され、未受精卵内のベータカテニンを蛍光で可視化できることがわかった。この方法を使って、タイムラプス撮影を行い、胚発生初期のベータカテニンの核移行を可視化し定量することを試みる。
２．ホヤの左右軸： 前述のようにマボヤの左右非対称性は、神経胚回転により生じる。胚の左側を下向きにして回転が停止した後、卵膜と接する胚の左側の表皮でのみnodal遺伝子が発現する。これには、卵膜からの何らかの化学シグナルが関わっていることがわかっている。卵膜からのシグナル分子の同定は、その候補を数十個にまで絞ったが、最終的な同定には困難が生じている。そこで、この問題を別の角度から攻めるために、nodal遺伝子の左側特異的な発現制御領域の解析を進める。予備的結果として、nodal遺伝子の第一イントロンが重要である可能性が浮かび上がっている。

研究成果

• [国際共同研究] バルセロナ大学(スペイン)
• [国際共同研究] パドバ大学(イタリア)
• [国際共同研究] 上海交通大学(中国)
• [国際共同研究] パドバ大学(イタリア)
• [国際共同研究] モンパリエ大学(フランス)
• [国際共同研究] 上海交通大学(中国)
• [雑誌論文] Ascidian gastrulation and blebbing activity of isolated endoderm blastomeres. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishida, H. Y., Hamada, K., Koshita, M., Ohta, Y., and Nishida, H.
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: 496 ページ: 24-35
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2023.01.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zic-r.b controls cell numbers in Ciona embryos by activating CDKN1B. (2023)
  • 著者名/発表者名: Treen N, Konishi S, Nishida H; Onuma TA and Sasakura Y
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: - ページ: 26-34
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2023.03.005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Germline development during embryogenesis of the larvacean, Oikopleura dioica. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishida, H., Matsuo, M., Konishi, S., Ohno, N., Manni, L., and Onuma T.A.
  • 雑誌名: Devevalopmental Biology 巻: 481 ページ: 188-200
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2021.10.009
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Developmental biology of the larvacean Oikopleura dioica : Genome resources, functional screening, and imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Onuma, T. A. and Nishida, H.
  • 雑誌名: Dev. Growth Differ. 巻: 64 号: 1 ページ: 67-82
  • DOI: 10.1111/dgd.12769
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Expression and functional analyses of ectodermal transcription factors FoxJ-r, SoxF, and SP8/9 in early embryos of the ascidian Halocynthia roretzi (2021)
  • 著者名/発表者名: Shih, Y., Wang, K., Kumano, G., and Nishida, H.
  • 雑誌名: Zoological Science 巻: 38 号: 1 ページ: 26-35
  • DOI: 10.2108/zs200128
  • NAID: 210000177228
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 3D reconstruction of structures of hatched larva and young juvenile of the larvacean Oikopleura dioica using SBF-SEM (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishida H., Ohno N., Caicci F., Manni L.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 4833-4833
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83706-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Massive gene loss and function shuffling in appendicularians stretch the boundaries of chordate Wnt family evolution (2021)
  • 著者名/発表者名: Marti-Solans, J., Godoy, H., Diaz-Gracia, M., Onuma, T., Nishida, H., Albalat R., and Canestro, C.
  • 雑誌名: Frontiers Cell Dev. Biol. 巻: 9 ページ: 700827-700827
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.700827
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ANISEED 2019: 4D exploration of genetic data for an extended range of tunicates. (2020)
  • 著者名/発表者名: Dardaillon J, Dauga D, Simion P, Faure E, Onuma TA, DeBiasse M, Louis A, Nitta N, Naville M, Besnardeau L, Reeves W, Wang K, Fagotto M, Gueroult-Bellone M, Fujiwara S, Dumollard R, Veeman M, Volff JN, Roest Crollius H, Douzery E, Ryan J, Davidson B, Nishida H, Dantec C and Lemaire P
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research. 巻: 48(D1)
  • DOI: 10.1093/nar/gkz955
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protein phosphatase 2A is essential to maintain meiotic arrest, and to prevent Ca2+ burst at spawning and eventual parthenogenesis in the larvacean Oikopleura dioica. (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuo M, Onuma TA, Omotezako T and Nishida N
  • 雑誌名: Developmental Biology. 巻: 460(2) 号: 2 ページ: 155-163
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2019.12.005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A chordate species lacking Nodal utilizes calcium oscillation and Bmp for left-right patterning. (2020)
  • 著者名/発表者名: Onuma, T.A., Hayashi, M., Gyoja, F., Kishi, K., Wang, K., Nishida, H.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 巻: 117 号: 8 ページ: 4188-4198
  • DOI: 10.1073/pnas.1916858117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A genome database for a Japanese population of the larvacean Oikopleura dioica. (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang, K., Tomura, R., Chen, W., Kiyooka, M., Ishizaki, H., Aizu, T., Minakuchi, Y., Seki, Yutaka Suzuki, M., Omotezako, T., Suyama, R., Masunaga, A., Plessy, C., Luscombe, N.M., Dantec, C., Lemaire, P., Itoh, T., Toyoda, A., Nishida, H., and Onuma, T.A.
  • 雑誌名: Dev. Growth Differ. 巻: 62 号: 6 ページ: 450-461
  • DOI: 10.1111/dgd.12689
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mouth opening is mediated by separation of dorsal and ventral daughter cells of the lip precursor cells in the larvacean, Oikopleura dioica. (2020)
  • 著者名/発表者名: Morita, R., Onuma, T.A., Manni, L., Ohno, N., Nishida, H.
  • 雑誌名: Dev. Genes Evol. 巻: 230 号: 5-6 ページ: 315-327
  • DOI: 10.1007/s00427-020-00667-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Conservation of peripheral nervous system formation mechanisms in divergent ascidian embryos. (2020)
  • 著者名/発表者名: Coulcher, J. F., Roure, A., Chowdhury, R., Robert, M., Lescat, L., Bouin, A., Cadavid, J. C., Nishida, H., and Darras, S.
  • 雑誌名: eLIFE 巻: 9
  • DOI: 10.7554/elife.59157
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] マボヤ胚の胚軸の決定機構をその始まりまで遡っていく (2022)
  • 著者名/発表者名: 西田宏記
  • 学会等名: 日本動物学会
  • 招待講演
• [学会発表] 脊索動物ワカレオタマボヤを活用した発生生物学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小沼 健、西田宏記
  • 学会等名: 日本動物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Ascidian gastrulation and blebbing activity of isolated endoderm blastomeres (2022)
  • 著者名/発表者名: Haruka Y. Nishida, Kaho Hamada, Mika Koshita, Yuki Ohta, and Hiroki Nishida
  • 学会等名: 11th International Tunicate Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Transcriptomes of the fast-evolving chordate, Oikopleura dioica, uncover drastic difference in transcription factor and post-plasmic RNA composition that is expressed in early embryos from those of ascidians (2022)
  • 著者名/発表者名: Kai Wang, Ritsuko Suyama, Nakako Mizutani, Masaki Matsuo, Yu Peng, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Nicholas M. Luscombe, Christelle Dantec, Patrick Lemaire, Atsushi Toyoda, Hiroki Nishida and Takeshi A. Onuma
  • 学会等名: 11th International Tunicate Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Gene expression in the context of genomic rearrangement in Oikopleura dioica (2022)
  • 著者名/発表者名: Michael J. Mansfield, the Canestro Laboratory, the Nishida Laboratory, and the Luscombe Laboratory
  • 学会等名: 11th International Tunicate Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Oikopleura dioica, the cosmopolitan appendicularian hides multiple cryptic species around the globe (2022)
  • 著者名/発表者名: Aki Masunaga, Canestro laboratory, Nishida laboratory, and Luscombe laboratory
  • 学会等名: 11th International Tunicate Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Transcriptomic analyses of the fast-developing chordate, Oikopleura dioica, uncover re-organization of transcription factors functioning in early embryos and the animal-vegetal axis specification (2021)
  • 著者名/発表者名: Kai Wang, Ritsuko Suyama, Nakako Mizutani, Masaki Matsuo, Yu Peng, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Nicholas M. Luscombe, Christelle Dantec, Patrick Lemaire, Atsushi Toyoda, Hiroki Nishida and Takeshi A. Onuma
  • 学会等名: 日本発生生物学会
• [学会発表] マボヤの原腸陥入と単離内胚葉割球のブレブ形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 濵田 果歩、西田 遥香、児下 未佳、西田 宏記
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] The larvacean Oikopleura dioica lacks Nodal and utilizes calcium oscillation and Bmp expression for left-right patterning. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi A. Onuma, Momoko Hayashi, Fuki Gyoja, Kanae Kishi, Kai Wang and Hiroki Nishida
  • 学会等名: 日本発生生物学会
• [学会発表] 脊索動物オタマボヤをもちいて左右形成の新しい領域を開拓する (2020)
  • 著者名/発表者名: 小沼健、西田宏記
  • 学会等名: 第５回ホヤ研究会
• [学会発表] マボヤの原腸陥入と単離内胚葉割球のブレブ形成活性について (2020)
  • 著者名/発表者名: 西田宏記、西田遥香、児下未佳
  • 学会等名: 第５回ホヤ研究会
• [学会発表] 動物繊維をもちいたオタマボヤの「ハウス」建築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小沼 健、秋山 正和、山崎 慎太郎、近藤 滋、西田 宏記
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [備考] 研究室のホームページ
  • URL: https://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/nishida/index.html
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/nishida/index.html
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/nishida/index.html