細胞集団移動を介した新奇 PCP 制御機構の解明
A novel mechanism underlying planar cell polarity（日本発生生物学会推薦）

代表研究者 秋田大学

山崎 正和

Akita University

Masakazu YAMAZAKI

協同研究者 秋田大学

鮎川友紀

Akita University

Tomonori AYUKAWA

明治大学

秋山正和

Meiji University

Masakazu AKIYAMA

秋田大学

高須賀

Akita University

Shunsuke TAKASUGA俊輔

Planar cell polarity (PCP) is the coordinated polarity of cells within the plane of the epithelium. PCP plays crucial
roles in the development and function of various organs, and defects in the PCP pathway cause many human diseases.
Genetic and molecular studies using Drosophila have identified many PCP genes and greatly contributed to uncovering
the regulatory mechanisms governing PCP. One group of the PCP molecules, a “core” group, includes severaltransmembrane proteins such as Frizzled and Flamingo, which exhibit polarized localization at the cell cortex. Although
there is a consensus that the core group system plays a central role in the PCP pathway in Drosophila and vertebrates,
recent studies suggest an existence of the core group-independent PCP pathway. However, the molecular mechanism
governing this novel PCP pathway remains unclear. In this study, using live imaging and mathematical modeling, we tried
to understand a mechanism underlying the core group-independent PCP.

研究目的

PCP の中核をなすと考えられており、コアグループ

体表面や管腔の内面を覆う上皮組織には、体毛や分子の機能欠損は様々な動物において PCP の異常を繊毛が無数に存在する。これらの構造物は無秩序に引き起こす。しかしながら、組織によっては、コア配置されているのではなく、組織や器官の特定方向グループに依存しない PCP 制御機構の存在が示唆さに配向し、精巧なパターンを形成する。この現象は、れており、例えば、ショウジョウバエ腹部において平面内細胞極性（planar cell polarity：PCP）と呼ばれ、は、ある遺伝学的背景においてコアグループに依存組織機能の発現においても重要な役割を果たす。例

せずに体毛の配向性が揃う現象が報告されている

えば、内耳の有毛細胞は、特定の方向に向かって感（Casal et al. Development, 2006）。最近、マウスの組覚毛（不動毛）を形成し、その配向性異常は聴覚機織においても類似の現象が報告され（Copley et al. J能の低下を招く。

Neurosci, 2013; Cetera et al. Dev Biol, 2017）、コアグル体毛の配向性異常を呈するショウジョウバエ変異ープに依存しない PCP 調節機構が種を超えて存在す体の解析から PCP を司る分子が同定されたのを契機る可能性も提示されている。このように、近年、コとし、ヒトを含む様々な動物においても多くの PCPアグループ非依存的 PCP の重要性が高まりつつある制御分子が見出されている。その中でも、7 回膜貫通

一方で、その制御機構は未だ不明であり、PCP 分野型タンパク質 Frizzled や 4 回膜貫通型タンパク質における謎として残されている。

Strabismus（別名 Van Gogh）、7 回膜貫通型カドヘリ

これまでに代表研究者らは、ショウジョウバエをン Flamingo 等から構成されるコアグループ分子群は、 用いた組織特異的ゲノムワイド RNAi スクリーニン

グを世界に先駆けて実施し、PCP を含む様々な生命された後、背毛の形成が始まる。背毛が形成される現象に関わる新規遺伝子を多数同定するとともに、前後のステージにおいて、背板上皮を構成する大半この成果と数理モデルの手法を融合することで、組の細胞が体の前方に流れるように移動する（Tissue織の方向情報とコアグループを繋ぐ機構を明らかにflow）。Tissue flow が生じている過程で、体の後方側してきた（*Mummery-Widmer, *Yamazaki（*共筆頭著に向かって背毛が形成され、そのまま後方側へと伸者）et al. Nature, 2009; Mauri et al. Curr. Biol, 2014;

長する。

Ayukawa et al. Cell Reports, 2014）。その後、本スクリ上述したように、コアグループ遺伝子と Jbug/Chasーニングで同定した新規 PCP 遺伝子群を対象としたグループ遺伝子の機能を同時に欠損させると（以下、精緻な遺伝学的解析から、既存の PCP 制御遺伝子と二重変異体または二重ノックダウン系統と略）、野生は全く異なる機能を有する PCP 制御遺伝子群を同定型と比較して背毛の配向性が逆転する。この現象をしている（未発表）。この分子群は、Jitterbug（Jbug）司る機構を明らかにするために、共焦点レーザー顕（アクチン結合タンパク質 Filamin のショウジョウ

微鏡を用いたライブイメージングにより二重変異体バエホモログ）とその結合因子 Chascon（Chas）を含における背板上皮の動態を解析したところ、Tissue

む 7 つの分子から構成されており、代表研究者はこflow の向きが野生型と比較して逆転していることがの新規 PCP 制御グループを Jbug/Chas グループと命明らかとなった（未発表）。この結果から、二つの可名した（未発表）。

能性（1）「逆向きの Tissue flow が背毛の配向性の逆PCP 制御系が異常になると、ショウジョウバエの転の原因である」、（2）「逆向きの Tissue flow 自身で体の様々な部位において、毛の配向性が乱れることはなく 2 種類の遺伝子が同時に欠損したことが原因が知られている。例えば、背板において、コアグルである」が提示された。この点を明らかにするため、ープ遺伝子または Jbug/Chas グループ遺伝子をそれ二重変異体における逆向きの Tissue flow を正常方向ぞれ単独で欠損させると（またはノックダウンするに戻すことを試みた。逆向きの Tissue flow が外力（間と）背毛の配向性が乱れる。しかしながら、大変興接飛翔筋による上皮の牽引）により駆動されること味深いことに、両グループの遺伝子を同時に欠損さが示唆されたため、遺伝学的手法を用いて筋肉を除せると、背毛の向きが野生型と比較して逆転する

去し、背板上皮に作用する外力を抑制したところ、（Olguin et al. Curr Biol, 2011）（未発表）。コアグルー

二重変異体における逆向きの Tissue flow が正常な方

プ分子の機能は相互に連関しており、ショウジョウ向に戻った（未発表）。さらに、成虫背毛の配向性もバエにおいてはコアグループ分子が 1 つでも欠損す正常な方向（後方側）へと救済された（未発表）。以ると、コアグループ全体の機能が破綻する（残り全上の結果から、「Tissue flow はコアグループに依存せてのコアグループ分子の膜局在や非対称局在が失わずに自身の流れの向きとは反対になるように背毛をれる）。この事実は、上述の背毛の向きの逆転現象が配向させる」ことが強く示唆された。

コアグループとは異なる未知の機構により制御されTissue flow を介した背毛の配向性制御のメカニズていることを意味する。代表研究者は、この PCP 逆ムを明らかにするため、緑色蛍光タンパク質（GFP）転現象を司る機序を理解することで、コアグループとアクチン結合タンパク質との融合タンパク質を用

非依存的 PCP の謎を解明できると考え、本研究を着いて背毛を蛍光標識し、二重変異体における Tissue想するに至った。

flow と背毛の動態を同時に観察したところ、物理的な現象が Tissue flow を介した背毛の配向性制御に関研究経過与することが示唆された（未発表）。すなわち、「上ショウジョウバエ背板は、上皮細胞と一定の間隔皮頂端部の細胞外領域にある何らかの物質が抵抗とで散在する外部感覚器から構成される単層の上皮組なることで、背毛が Tissue flow とは反対方向に配向織である。外部感覚器は 4 種類の細胞から構成され、される」のではないかと考えられた。物理的抵抗のそれらの内、毛細胞（背毛）とソケット細胞が外部候補として、「上皮組織外の液体成分」と「細胞外マに露出する。蛹期にコアグループの非対称性が確立トリックス（extracellular matrix：ECM）」が想定されたため、両者について検討を行った。

次に、ECM の関与について検討を行った。ショウ「上皮組織外の液体成分」の関与に関しては、実ジョウバエ背板上皮の頂端側細胞外領域には apical験的に検証することが困難であったため、数理モデECM（aECM）が存在する。もし aECM が上述の物

ルを用いて検証した（明治大学の秋山正和博士およ

理的抵抗の実体であれば、aECM の発現レベルを低び京都大学の石本健太博士、大阪大学の中澤嵩博士

下させた場合、Tissue flow に依存した背毛の配向性との共同研究）。前述のライブイメージングの結果か制御が抑制されるはずである。aECM の構成因子をら算出された「Tissue flow の速度」や「背毛の長さ」ノックダウンしたところ、二重ノックダウン系統に等を含む様々なパラメーターを用いて、レイノルズおける背毛の配向性の逆転が抑制された（未発表）。

数を概算したところ、約 1.0 x 10-8 と非常に小さな値以上の結果から、aECM が物理的抵抗の実体であるであった（未発表）。流体の運動を記述する場合、通ことが示唆された。

常 Navier-Stokes 方程式が頻繁に用いられるが、このようにレイノルズ数が非常に小さい場合、Navier-考察

Stokes 方程式を近似した Stokes 方程式を解いても計

コアグループは文字通り PCP 形成の”中核（コア）”

算結果はほとんど同じとなる。FreeFEM++および架をなすと考えられており、コアグループ分子の機能空領域計算法（Fictitious domain method）を用いて、が損なわれると、ショウジョウバエやマウスを含むStokes 方程式の数値計算を実施したところ、背毛の様々な動物の多様な組織において PCP が異常となる

角度が最大 23.2 度変化した（Fig. 1）（未発表）。しかことが知られている。しかしながら、組織によってしながら、実際の背毛の角度は、同じ時間内に、最は、分子実体は不明ながらコアグループ非依存的大 90 度以上変化することから（未発表）、「液体成分」PCP 制御機構の存在が示唆されており、PCP 分野に以外の物質が主たる物理的抵抗として機能することおける謎として残されている。本研究において、代が示唆された。

表研究者らは、ショウジョウバエ背板における PCPの逆転現象をモデル系として用い、Tissue flow がコアグループ非依存的 PCP 制御機構の実体であることを見出した。また、驚くべきことに、Tissue flow を介した PCP 制御には、aECM との協調作用を介した単純な物理現象が寄与することが示唆された。
今回見出した、Tissue flow を介したコアグループ
非依存的 PCP 制御機構は、生理的な条件においても機能しているのであろうか？最近、代表研究者らは、正常な方向の PCP 形成においても本機構が関わることを見出している（未発表）。今後、本研究で見出した新たな PCP 制御機構の進化的保存性についても検討していきたい。
参考文献

1. Casal, J., Lawrence, P.A., and Struhl, G. (2006).
Two separate molecular systems, Dachsous/Fat andStarry night/Frizzled, act independently to confer
planar cell polarity. Development 133, 4561-4572
2. Copley, C.O., Duncan, J.S., Liu, C., Cheng, H., andDeans, M.R. (2013). Postnatal refinement ofauditory hair cell planar polarity deficits occurs inthe absence of Vangl2. J Neurosci 33, 14001-determines planar cell polarity orientation in

14016.

Drosophila. Cell Reports 8, 610-621.

3. Cetera, M., Leybova, L., Woo, F.W., Deans, M.,

7. Olguin, P., Glavic, A., and Mlodzik, M. (2011).

and Devenport, D. (2017). Planar cell polarity-Intertissue mechanical stress affects Frizzled-dependent and independent functions in themediated planar cell polarity in the Drosophila

emergence of tissue-scale hair follicle patterns. Dev

notum epidermis. Current biology 21, 236-242.

Biol 428, 188-203.
4. Mummery-Widmer, J.L., Yamazaki, M., Stoeger, T.,

研究の発表

Novatchkova, M., Bhalerao, S., Chen, D., Dietzl,

口頭発表（*：発表者）

G., Dickson, B.J., and Knoblich, J.A. (2009).

1.

*Masakazu Yamazaki: Molecular mechanisms

Genome-wide analysis of Notch signalling inunderlying global PCP patterns in Drosophila, Wnt 研

Drosophila by transgenic RNAi. Nature 458, 987-

究会 2021, 14-15 January, 2021, Web 開催

992.

2.

5. Mauri, F., Reichardt, I., Mummery-Widmer, J.L.,

鮎川友紀, 秋山正和, 八月朔日泰和，*山崎正和
体毛の配向パターンを司る新奇制御機構の解析，

Yamazaki, M., and Knoblich, J.A. (2014). The

第 42 回日本分子生物学会年会，2019 年 12 月 3conserved discs-large binding partner Banderuola

日−6 日，福岡（ワークショップ）

regulates asymmetric cell division in Drosophila.
Current biology 24, 1811-1825.
6. Ayukawa, T., Akiyama, M., Mummery-Widmer,J.L., Stoeger, T., Sasaki, J., Knoblich, J.A., Senoo,
H., Sasaki, T., and Yamazaki, M. (2014). Dachsousdependent asymmetric localization of spiny-legs

3.

鮎川友紀, 秋山正和, 八月朔日泰和，*山崎正和
平面内細胞極性を司る新奇制御機構の解析，第92 回日本生化学会大会，2019 年 9 月 18 日−20日，パシフィコ横浜