非細胞素材の局在制御による消化管の形態形成機構の解明

公募研究

研究領域	素材によって変わる、『体』の建築工法
研究課題/領域番号	23H04312
研究種目	学術変革領域研究(A)
配分区分	補助金
審査区分	学術変革領域研究区分(Ⅲ)
研究機関	兵庫県立大学 (2024) 大阪大学 (2023)
研究代表者	稲木美紀子兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (10747679)
研究期間 (年度)	2023-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2024年度)
配分額 *注記	12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円) 2024年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円) 2023年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
キーワード	形態形成 / 細胞外基質 / 時空間制御 / コラーゲン / 器官形成 / ラミニン / 左右非対称性
研究開始時の研究の概要	組織の形は、それを構成する細胞の変形や再配置、増殖や分裂によりおこると主に考えられているが、組織の3次元の形態変化を考える際に、それを可能にする細胞外にある基質の寄与も重要なのではないかと考えた。細胞外にある基質の、細胞の分裂や運動の足場としての機能だけでなく、その積極的な力学的寄与を明らかにしたい。
研究実績の概要	組織の形態は、その機能発現に必須であり、遺伝的に厳密に決められている。例えば、消化管は、他の臓器と結合できる向きや大きさでなければならない。器官の形態は、それを構成する細胞の移動や変形によって形作られると考えられているが、非細胞素材の寄与については、あまり明らかにされていない。申請者は、ショウジョウバエの消化器官の左右非対称な形態形成時に、細胞外基質が時空間的に特異的に局在制御されることを見出した。本研究課題では、この細胞外基質の局在制御にかかわる因子を同定し、非細胞素材が消化器官の形態形成を制御する機構を明らかにすることを目的とした。細胞外基質の制御にかかわると想定される、膜貫通あるいは分泌型たんぱく質に絞り、異所的に後腸に強制発現させることにより、後腸の捻転を阻害する細胞外基質の制御因子の探索を行った。その結果、ラミニンを過剰発現させると捻転異常がみられることがわかった。特にラミニンAとB1の同時過剰発現では捻転が遅れるまたは止まる様子が観察され、ライブイメージングでも確かめられた。この条件で捻転前の後腸のコラーゲンIVの局在を調べたところ、異所的な後腸への局在がみられた。これらの結果は、コラーゲンの蓄積が抑えられていることが正常な捻転に必要であるという仮説を指示した。In-cell AFM法に関しては測定を試みたが、ショウジョウバエ胚の膜を貫通できず、捻転前後の後腸の硬さを計測することはできなかった。
現在までの達成度 (区分)	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 In-cell AFMでの後腸の硬さの計測が難しいことがわかったが、細胞外基質の局在と後腸の捻転を制御するものとしてラミニンを同定することができたから。
今後の研究の推進方策	（i）非細胞素材の時空間的制御因子の探索引き続き膜貫通あるいは分泌型たんぱく質に絞り、異所的に後腸に強制発現させることにより、後腸の捻転を阻害する細胞外基質の制御因子の探索を行う。それらと血球細胞における2つのコラーゲン分子を組み合わせた発現誘導、または、コラーゲン断片の発現誘導を同時に行い、後腸の捻転を止めることができる条件を探索する。ショウジョウバエでは、たんぱく質の局在が観察可能なたんぱく質トラップ系統が入手可能であるため、後腸の外側部近傍に局在するたんぱく質のスクリーニングも継続して行う。（iii）非細胞素材による組織捻転および伸長制御のシミュレーション上述の実験結果をシミュレーションにより検証する。後腸捻転に関しては、これまでの上皮細胞のねじれの研究で、3次元のバーテックスダイナミクスモデルを作製している後腸外側の細胞外基質の硬さとして、消化管モデルの外側円周の拘束条件を付加する。拘束条件を改変した状態で、消化管モデルのねじれの度合いを調べる。マルピギー管の形態形成に関してのシミュレーションでは、マルピギー管を構成する上皮細胞の3次元形状をin vivoで詳細に解析して消化管モデルの初期状態を新たに作製し、マルピギー管のモデルをつくる。そこへ、細胞外基質による拘束および細胞の自発的なゆらぎ運動であるオシレーション（後腸でもマルピギー管でもみられる）を導入し、組織の伸長が見られるかを検証する。