タイトル

細胞ターンオーバーを介した発生時間軸補正とその分子機構の解明

Epithelial cell-turnover that ensures time dependent robust coordination oftissue growth（日本発生生物学会推薦）

代表研究者 名古屋大学

大澤 志津江

Nagoya University

Shizue OHSAWA

協同研究者 名古屋大学

赤井 菜々美Nagoya University

Nanami AKAI

Highly reproducible tissue development is achieved by robust, time-dependent coordination of cell proliferation andcell death. To study the mechanisms underlying robust tissue growth, we analyzed the developmental process of
Drosophila Minute/+ mutants, a series of heterozygous mutants for a ribosomal protein gene. Minute/+ animals showsignificant developmental delay during the larval period but develop into essentially normal flies, suggesting there exists
a mechanism ensuring robust tissue growth during abnormally prolonged developmental time. Surprisingly, we found thatboth cell death and compensatory proliferation were dramatically increased in developing wing discs of Minute/+ animals.
Blocking the cell-turnover by inhibiting cell death resulted in morphological defects, indicating the essential role of cellturnover in Minute/+ wing morphogenesis. Genetic analyses showed that Minute/+ wing discs elevate Wingless (Wg; aWnt homolog) expression and JNK-dependent Dilp8 expression that causes developmental delay, both of which arenecessary for the induction of cell-turnover. Furthermore, forced increase in wg expression together with developmental
delay caused by a ecdysone depletion induced cell-^turnover in the wing discs of non- Minute/+ animals. Our findings
suggest a novel paradigm for robust coordination of tissue growth by cell-turnover, which is induced when developmental
time axis is distorted. In parallel, We investigated the mechanism by which Minute/+ wing discs achieve robustmorphogenesis during development. Our analyses showed that Yokie (Yki; a homolog of transcriptional-coactivator in
the tumor suppressive Hippo pathway) has a crucial role for robust development of Munte/+ wing discs by preventing
ectopic apoptosis during development.

研究目的化するシャペロン分子の存在が知られる。一方、外多細胞生物の発生は、様々な撹乱のもとでも何と乱に対するロバストネス機構としては、進化的に獲かそのプロセスを正常に維持しながら最終的には必得された遺伝的多様性（遺伝子機能の多様性）や、ず決まった形・大きさ・機能をもつ組織・器官を形ホルモンなどを介したシステミックな生体制御が知作る、きわめてロバストなシステムである。この正られる。ここで、発生中の個体が様々な内乱・外乱常発生を脅かす撹乱としては、ゲノム DNA の突然に対処しながら正常発生を維持しようとする際、発変異に代表される内的な撹乱（内乱）と、生体内外生の時間軸に異常（歪み）が生じると考えられる。の環境変化が引き起こす外的な撹乱（外乱）が存在

たとえば、ショウジョウバエの発生過程において、する。遺伝的な内乱に対してロバストネスを発揮す

幼虫期の上皮組織である成虫原基に損傷が起こるとる機構としては、進化的に獲得された遺伝子重複や、組織はそれを直ちに修復するが、その間個体発生は突然変異により生じた変異タンパク質の機能を正常一時的に中断される。個体発生は時間軸に沿った精密かつ計画的な形作りのプロセスであり、その時系生遅延が起きた条件で正常発生を成し遂げるために列の異常は発生過程に重大な破綻を引き起こし得る。 必要なイベントであること、および（２）この細胞すなわち、生体はそのような時間軸の歪みを補正しターンオーバー機構の偶発的なエラーが多細胞生物て正常発生を実現させる機構を備えていると考えら個体の多様な表現型を出現させ得る（表現型の「揺れるが、その実体は不明である。多細胞生物の発生らぎ」が生じる）可能性を示唆している。 そこで、は、様々な内的・外的撹乱のもとでもそのプロセス

この Minute/+翅原基で観察された細胞ターンオーバを正常に維持しながら正確な組織・器官を形作る、ーが引き起こされる仕組みを明らかにするために、きわめて頑強（ロバスト）なシステムである。ここ遺伝学的解析を行った。その結果、Minute/+翅原基でで、発生中の生体が外的・内的撹乱に対処する際、は、進化的に保存されたモルフォゲン Wingless（Wg）発生のプロセスに遅れが生じることがある。たとえの発現が上昇し、通常よりも濃度勾配が強くなってば、ショウジョウバエ幼虫期において、成虫原基にいるとともに、JNK シグナル依存的にインスリン様損傷が起こると組織はそれを直ちに修復するが、そペプチド Dilp8 の発現が上昇し、これにより発生遅の間、幼虫期の発生が一時的に中断される。個体発延を引き起こすこと、また、これら Wg の発現上昇

生は時間軸に沿った精密かつ計画的な形作りのプロと JNK-Dilp8 依存的な発生遅延が、Minite/+翅原基でセスであり、その時系列の異常は重大な破綻を引き観察される細胞ターンオーバーを誘発する上で重要起こし、表現型の揺らぎを生み出し得る。すなわち、な役割を果たすことが明らかとなった。さらに我々

生体は発生遅延を何らかの機構で補正して正常発生は、同様の細胞ターンオーバー現象が、野生型ショを実現する仕組みを備えていると考えられるが、そウジョウバエ幼虫の複眼原基の一部に損傷や腫瘍をの実体はいまだ不明である。

誘導して個体発生を一時的に中断させた場合にも引き起こされることを発見した。すなわち、ショウジ

研究経過

ョウバエ翅原基では、個体の成長遅延を補正する「細研究代表者のグループは、生体の発生遅延を補正胞ターンオーバー」の場が何らかの機構で形成され、する発生ロバストネスの仕組みを明らかにする目的

これが未知の機構を介して多細胞生物個体の表現型で、ショウジョウバエ Minute/+変異体に着目した。

を制約していると考えられた（#Akai, #*Ohsawa (#Minute/+変異体とは、進化的に保存された一連のリEqual contribution, *Co-corresponding author) et al.,

ボソームタンパク質遺伝子の機能欠失変異をヘテロPLOS Genetics, 2021）（図 1）。にもつ変異体の総称である。重要なことに、Minute/+変異体は幼虫期に個体の成長速度が顕著に低下するものの、最終的には正常な形・大きさの組織が形成される。すなわち Minute/+変異体では、「成長速度の遅延」を補正して正常な組織形成を実現するための何らかのロバストな機構が働いていると考えられた。
そこで、この機構を明らかにするために、Minute/+変異体の発生過程を詳細に解析した。その結果、驚くべきことに Minute/+変異体の翅原基の pouch 領域（将来翅のブレードを形成する領域）では、個体の成長遅延に伴って大量の細胞死が起こり、それに伴い細胞増殖も亢進していることを見いだした。ここで非常に興味深いことに、細胞死を遺伝学的に抑制し、この細胞死／細胞増殖による細胞の入れ替わり（細では、個体の成長遅延を補正する「細胞ターンオー胞ターンオーバー）を抑制すると、翅脈のパターンバー」の場が形成される仕組みは何か。この問題に異常や形態異常等の種々の表現型が成虫翅に出現すアドレスするために、トランスクリプトーム解析をることが分かった。このことは、（１）Minute/+変異実施した。具体的には、(i) 野生型コントロール、(ii)体の翅原基で誘導される細胞ターンオーバーが、発幼虫期に顕著な発生遅延を示す Minute 変異体、および (iii) 発生遅延を遺伝学的に抑制した Minute 変異となった。すなわち Yki は、過剰な細胞死が起きぬ体幼虫の翅原基で発現する転写産物をようにとするブレーキとしての機能を発揮し、RNAsequence により解析し、そのうち、細胞ターンMinute/+翅原基のロバストな発生を実現させると考オーバーに影響を与える遺伝子群を同定する RNAi

えられた（Wada et al., Development, 2021）。

スクリーニングを行った。その結果、細胞ターンオーバーを翅原基に誘導する遺伝子群を複数同定する考察ことに成功した。このことは、個体の成長遅延に応

本研究により、個体の成長が遅れた際に、細胞タ答して、翅原基において細胞ターンオーバーを誘発ーンオーバーを翅原基で行うことで、個体と組織のする仕組みが確かに翅原基に内包されていることを成長が足並みを揃えることが明らかとなった。この示唆している。今後は、同定された細胞ターンオー

翅原基における細胞ターンオーバーは、多様な表現バー制御因子の機能と役割を遺伝学的解析およびラ型が成虫翅に出現することを抑制し得ることから、イブイメージングにより明らかにしていく予定であ

多細胞生物の進化を考える上でも重要な細胞集団挙る。

動である可能性が考えられる。

これと並行して、Minute/+翅原基を正常に発生させ個体発生がいわば自己矯正的でロバストネスが高るロバストな仕組みの理解を目指した。ダイヤモンいシステムであることは、古くから知られている。

ド・ブラックファン貧血や先天性無脾症を初めとしこれまでに、細胞内のシャペロンとして機能するヒた、ヒトの疾患として近年着目されているリボソー

ートショックタンパク質 Hsp90 が遺伝的突然変異をム病は、Minute/+変異体と同様にリボソーム関連遺吸収して正常に個体を発生させるキャナリゼーショ伝子の異常を原因とすることが 最近分かってきた。 ン制御因子であり、その機能が低下することで多様興味深いことに、リボソーム病では、特定の組織・な表現型が出現することが報告されている。本研究器官のみに異常をきたすことが知られている。すなで明らかとなった細胞ターンオーバーは、ロバスト

わち、リボソーム関連遺伝子の異常を補正する、進な発生を成立させる細胞集団挙動であると考えられ化的に保存されたロバストな仕組みが存在すると考る。

えられた。我々は、ショウジョウバエ Minute/+翅原

また本研究では、Minute/+翅原基において、細胞タ基をモデルとし、染色体欠失系統および突然変異系ーンオーバーを引き起こす細胞死の量を適切に保つ統を用いた遺伝学的スクリーニングを実施した。そ仕組みとして Yki を介した Diap1 の発現が重要な役の過程で、進化的に保存されたがん抑制性 Hippo 経割を果たすことが明らかとなった。上述の通り、路の転写共役因子 Yki（哺乳類 Yap）の遺伝量が半分

また、ヒトの疾患として近年着目されているリボになると（Minute/+, Yki/+変異体）、成虫翅の形態にソーム病は、Minute 変異体と同様にリボソーム関連異常をきたすことが分かった。そこで、Minute/+,遺伝子の異常を原因としており、その症状が特定のYki/+翅原基が発生異常をきたす仕組みを遺伝学的臓器・組織のみに現れるという特徴を共通して有しに解析した結果、Minute/+, Yki/+翅原基では、腫瘍ていることが知られている。すなわち、リボソーム壊死因子 TNF-JNK シグナルを介した過剰な細胞死病の症状が、特定の臓器・組織における細胞ターンが誘発されることが分かった。また、Minute/+, Yki/+オーバー機構の破綻（過剰な誘導）により引き起こ翅原基における JNK シグナルの活性化には、通常はされている可能性も考えられ、いまだ大きな謎であ細胞死阻害タンパク質 Diap1 によりその機能を抑制るリボソーム病の発症機序の解明に将来的にはつなされている細胞死誘導遺伝子 Dronc（Caspase 9 ホモがる可能性が期待される。

ログ）が必須の役割を果たすこと、および、Minute/+翅原基において Yki の遺伝子量が半分になることで、 研究の発表
Diap1 の発現が減少し、これが Dronc の活性化を引口頭発表

き起こすことが分かった。さらに遺伝学的解析を進1.

めた結果、Dronc と JNK シグナルが正のフィードバ

Ohsawa S, Akai N, Sando Y, Igaki T: Epithelial
turn-over through cell competition ensures robust

ックを形成し、これにより Dronc の活性化が増幅さ

coordination of tissue growth in Drosophila. 第 43

れて、過剰な細胞死が引き起こされることが明らか

回⽇本分⼦⽣物学会年会

MBSJ 2020 Online

（2020 年 12 月 2 日）
2.

Ohsawa S, Akai N, Sando Y, Igaki T: Epithelial
cell-turnover ensures robust coordination of tissuee1009300 (2021)
2. Wada Y, Ohsawa, S, Igaki, T: Yorkie ensures robust

growth in Drosophila. 第 126 回日本解剖学会総tissue growth in Drosophila ribosomal protein

会・全国集会/第 98 回日本生理学会大会、オン

mutants. Development, 148, dev198705.

ライン開催（2021 年 3 月 28 日）3.

3.

Cong B, Namamura M, Sando Y, Kondo T, Ohsawa S,Ohsawa S: Yki/YAP ensures robust tissue

IGaki T: JNK and Yorkie drive tumor malignancy

morphogenesis by suppressing JNK-mediated cell
death in Drosophila. 第 73 回⽇本分⼦⽣物学会

by inducing L-amino acid transporter 1 inDrosophila. PLoS Genetics, 32, e1009893, 2021

年会、オンライン開催（2021 年 6 ⽉ 30 ⽇）
誌上発表
1.

ribosomal protein mutants, PLoS Genetics, 17,4.

Nagata R, Akai N, Kondo S, Saito K, Ohsawa S,
Igaki T: Yorkie drives supercompetition by nonautonomous induction of autophagy via bantam#Akai N, #*Ohsawa S (# Equal contribution; *Co-microRNA in Drosophila. Curr. Biol., 32 (5)1064-

corresponding author), Sando Y, *Igaki T:
Epithelial
cell-turnoverensuresrobust1076, 2022

coordination of tissue growth in Drosophila