オタマボヤ幼生の開口による3D形成と分泌による摂餌フィルターの3D構築

2018 年度 実績報告書

• 研究領域: 生物の３Ｄ形態を構築するロジック
• 研究課題/領域番号: 18H04763
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小沼 健 大阪大学, 理学研究科, 助教 (30632103)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: オタマボヤ / 脊索動物 / ライブイメージング / くち / 3D形態 / ハウス / セルロース

研究実績の概要

本研究では、脊索動物ワカレオタマボヤ (以下、オタマボヤ) の特長を活かした3D形態形成の解明を進める。具体的には、(1) 内胚葉と外胚葉の上皮がつながり「くち」ができるしくみ、(2) 表皮細胞から、3D構造をもった接餌フィルター（ハウス）が分泌される原理、の2つの解明を進めている。
(1)「くち」の3D形成
オタマボヤの口は、数十個と少数の細胞でできている。また幼生の孵化から7時間以内に出来上がるため、イメージングに有利である。開口する過程を観察したところ、他の動物の例と異なり、外胚葉の貫入ではなく、内胚葉細胞 (oral plugと命名)が外部に露出することが分かった。さらに核やアクチン(細胞膜とほぼ同義)のライブイメージングを行ったところ、体幹部の前端に「背腹方向に分裂する表皮細胞(lip precursor cellsと命名)」が2つあり、それらの娘細胞がそれぞれ上唇、下唇になるという現象を見出した。
(2)ハウスの3D形成
オタマボヤは表皮細胞から分泌するハウスというフィルター構造の中に棲む。体幹部は、折り畳んだ状態のハウス (ハウス原基)を常に2-3枚まとっており、外側の1枚を膨らまして使用するのである。本年度は、ハウスやハウス原基の構造を把握することを試みた。ハウスはセルロースを含むことが知られている。そこでセルロースの蛍光染色を行ったところ、海水の入り口 (inlet filter)に縦糸・横糸でできた格子状の網目を見いだした。この格子構造は、ハウス原基にも存在していた。さらに走査型電子顕微鏡 (SEM)で観察したところ、これらの糸は、直径数十ナノメートルの繊維が組み合わさってできていることを見出した。またハウスの他の領域も、微細な繊維が編み込まれてできていることが分かってきた。これらの結果は、ハウスが「繊維状の素材」を構成単位としてできていることを示すものである。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

(1)「くち」の3D形成については、その全体像をつかむことに成功したといえる。一つひとつの細胞の振る舞いをライブイメージングできるオタマボヤの特質を活用することで、「外胚葉が貫入するのではなく、内胚葉が外部に露出することで開口すること」や「体幹部の前端にあるlip precursor cellsが背腹方向に分裂し、その娘細胞同士が上唇と下唇に分かれること」など、他の動物の口腔形成とは異なる知見を見いだした。

(2) ハウスの3D形成についても、セルロースを含む繊維による格子状のフィルター構造を見出すとともに、ハウスの構成単位が「繊維状の素材」であることが分かってきた。

(1)については、現在、論文投稿中である。(2)についても、新しい3D構造を見出すとともに、数理解析を行うための手がかりを得た。実際、すでに数学・物理・生物工学の専門家と共同した数理解析が始まりつつある。以上を踏まえて、当初の計画以上に進展していると判断する。

今後の研究の推進方策

(1)は目的をほぼ達成した。今後は、(2)のハウスの3D形成の研究を進める。ハウスが「繊維状の素材」でできているという知見をもとに、現在、数学・物理・工学の専門家の協力のもと、数理解析を始めつつある。実験については、以下の5つを進めることで「実験と理論の融合による3D形成の解明」を目指す。
1. ハウスやハウス原基がもつ3D構造の把握。これまでのセルロース染色やSEM観察をさらに進めていく。またハウスの全体像を把握するため、ライトシート顕微鏡、マイクロCTによる観察を進める。
2. 小さい個体 (受精後１日目など)のハウスの観察。ここまでの観察はなるべく大きい個体 (受精後3-5日目)で進めてきた。ハウスを分泌する表皮細胞の数や分布は、個体の大きさによる違いがないことが分かっているためである。しかしながら、フィルターの「糸」は微小繊維が束ねられたものであるため、その本数・太さが個体の大きさによらず同じか否かは確認する必要がある。
3. 分泌直後のハウスの観察。オタマボヤは常にハウス原基を2-3枚まとっている。このため、ハウス原意を1枚のみにして観察するのが望ましい。そこで、人為的にハウスを脱がせて1枚のみにして観察するか、形態形成直後の1枚目のハウスをつくる過程を観察する。
4. 表皮細胞の役割。表皮細胞は一定の配列パターンをもち、領域特異的に特定のタンパク質(Oikosins)を分泌することが知られる。Oikosinsの抗体の染色によって、表皮の各領域とハウス・ハウス原基の構造との対応づけを試みる。また最近、共焦点レーザー顕微鏡をもちいた細胞破壊法を開発したので、これにより特定の表皮細胞を破壊し、ハウス形成への影響を調べる。
5. 細胞表面でセルロース繊維を組み立てる原理。細胞骨格(アクチンなど)の配向を阻害剤によって撹乱し、ハウスの格子構造がどのように影響されるのか調べる。

備考

(1)(2)はオタマボヤの左右非対称性な3D形成についての成果。
日経産業新聞 (2020年2月27日号)、日経サイエンス (2020年6月号)で取り上げられた。また毎日新聞、北海道新聞、Yahooニュース、Exciteニュース、Science Magazineなど、国内外の30以上のニュースサイトに取り上げられた。
(3)は胎生魚ハイランドカープが「妊娠」するしくみについての共同研究。

研究成果

• [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 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 TA*, Hayashi M, Gyojya F, Kishi K, Wang K and Nishida H
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 巻: 117 ページ: 4188-4198
  • DOI: 10.1073/pnas.1916858117
  • 査読あり / 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) ページ: D668-D675.
  • DOI: 10.1093/nar/gkz955.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 体の左右はどのようにできるのか?-オタマボヤの左右非対称性を探る (2020)
  • 著者名/発表者名: 小沼健*
  • 雑誌名: academist Journal (invited) 巻: - ページ: -
  • DOI: -
• [雑誌論文] 特殊な現象の壁を越える:「最も単純な体の脊索動物」オタマホヤから見出した新しい遺伝子阻害現象 (DNAi)と左右非対称形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小沼健*
  • 雑誌名: 比較内分泌学 (invited) 巻: - ページ: -
  • DOI: -
• [雑誌論文] Mother-to-embryo vitellogenin transport in a viviparous teleost Xenotoca eiseni. (2019)
  • 著者名/発表者名: Iida A*, Arai HN, Someya Y, Inokuchi M, Onuma TA, Yokoi H, Suzuki T, Hondo E and Sano K
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 巻: 116 (44) ページ: 22359-22365.
  • DOI: 10.1073/pnas.1913012116.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Wavy movements of epidermis monocilia drive the neurula rotation that determines left-right asymmetry in ascidian embryos. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamada S, Tanaka Y, Imai KS, Saigou M, Onuma TA and Nishida N*
  • 雑誌名: Developmental Biology. 巻: 448(2) ページ: 173-182
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2018.07.023.
  • 査読あり
• [雑誌論文] 母性因子の大規模な母性因子の大規模な機能的スクリーニングを可能にする新しい脊索動物. (2019)
  • 著者名/発表者名: 小沼健*, 松尾正樹
  • 雑誌名: Medical Science Digest (invited) 巻: 6 ページ: 42-43
  • DOI: -
• [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: 小沼健, 林桃子, 行者蕗, 岸香苗, Kai Wang, 西田宏記.
  • 学会等名: 第53回日本発生生物学会
• [学会発表] オタマボヤにおけるハウスの3D形成の原理. (2020)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会 ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 1世紀前の謎を解く-「最も単純な体の脊索動物」オタマボヤから見出した左右非対称形成の原理. (2020)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 2020年度動物学会北陸支部会
  • 招待講演
• [学会発表] A chordate species lacking Nodal utilizes calcium oscillation and Bmp4 for left-right patterning. (2019)
  • 著者名/発表者名: Onuma TA, Hayashi M, Gyojya F, Kishi K, Wang K, Nishida H.
  • 学会等名: The 10th International Tunicate Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Neurula rotation and left-right asymmetry in ascidian embryos: Ciliary movements and the vitelline membrane signal. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamada S, Tanaka Y, Imai KS, Saigou M, Onuma TA, Connop SL, Hashii M, Sawada H, Nishida N.
  • 学会等名: The 10th International Tunicate Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Protein phosphatase 2A is essential to maintain meiotic arrest, and to prevent Ca2+ burst at spawning and eventual parthenogenesis in the larvacean Oikopleura dioica. (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsuo M, Onuma TA, Nishida H.
  • 学会等名: The 10th International Tunicate Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 「特殊な現象の壁を越える~「最も単純な体の脊索動物」から見出した新しい遺伝子阻害現象 (DNAi)と左右非対称形成. (2019)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 2019比較内分泌学会 学術企画委員会企画シンポジウム「壁を越える」
  • 招待講演
• [学会発表] 複雑で規則性のないパターンを個体差なく作り出すしくみ: オタマボヤの幼生発生における表皮細胞のパターン形成. (2019)
  • 著者名/発表者名: 岸香苗, 林桃子, 小沼健,西田宏記.
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大会, ホヤ談話会
  • 招待講演
• [学会発表] Nodal遺伝子を持たない脊索動物オタマボヤにおける左右非対称形成. (2019)
  • 著者名/発表者名: 小沼 健,林 桃子, 行者 蕗, 岸 香苗, Kai Wang, 西田 宏記.
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大会
• [学会発表] オタマボヤにおける甲状腺/内柱関連遺伝子群の発現とその発現制御. (2019)
  • 著者名/発表者名: 小沼 健,中西 梨奈, Kai Wang, 中山 理, 笹倉 靖徳, 小笠原 道生.
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大会
• [学会発表] カタユウレイボヤ幼若体における甲状腺転写因子Nkx2-1およびFoxEのノックアウト. (2019)
  • 著者名/発表者名: 山村 一平, 黄 涛若,中西 梨奈, 小沼 健,笹倉 靖徳, 小笠原 道生.
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大会
• [学会発表] 遺伝子破壊に基づいた脊索動物ホヤにおける甲状腺ホルモンの機能解明. (2019)
  • 著者名/発表者名: 黄 涛若,山村 一平, 小沼 健,吉村 崇, 飯郷 雅之, 小笠原 道生, 笹倉 靖徳.
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大会
• [学会発表] オタマボヤ綱ミトコンドリアゲノムの進化. (2019)
  • 著者名/発表者名: 笠原 享祐,足立 千尋, 望月 遊, 大塚 玄航,西野 敦雄,小沼 健,西田 宏記, 横堀 伸一.
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大会
• [学会発表] RNA-seqから見えてきたサケの産卵回遊の神経内分泌機構. (2019)
  • 著者名/発表者名: 浦野 明央,北橋 隆史, 安東 宏徳,小沼 健,福若 雅章, 伴 真俊, 兵藤 晋.
  • 学会等名: 第13回サケ学研究会
• [学会発表] オタマボヤから見出した新しい左右非対称形成の原理. (2019)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 第5回ユニーク会「不思議の向こう側を分子生物学で覗く」
• [備考] 1世紀前からの謎を解明！動物の左右をつくる新しい原理を発見
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200220_1
• [備考] A tadpole with a twist
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2020/20200220_1
• [備考] 胎生魚がお腹の子供に与える栄養素を解明
  • URL: https://www.sci.osaka-u.ac.jp/ja/topics/7930/