BioResource Now ! Vol.11No.8

BioResource Now !

Issue Number 11 August 2015
国内外のバイオリソースを巡る様々な問題や取り組みについて、毎月ホットな話題をこのニュースレターで紹介していきます。

研究とバイオリソース
No.21

仁科博史 （東京医科歯科大学難治疾患研究所 ）扁平メダカを単離して 3D 器官形成の仕組みを探る！

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研究とバイオリソース〈NO. 21〉

扁平メダカを単離して3D 器官形成の仕組みを探る！
約 1 世紀前に英国の数理生物学者 D´Arcy Thompson は、「地球上の生物の形は、重力の影響を強く反映している」と予言した。しかしながら、重力に抗った体の形態形成メカニズムを直接解析できるモデル動物は存在せず、そのメカニズムについて長い間不明であった。我々は、メダカを用いた大規模 変 異 体 ス ク リ ー ニ ン グ（ERATO 近藤誘導分化プロジェクト）で、体 全 体 が 扁 平 化 す る
hirame (hir) 変異体を見出した。原
因遺伝子である転写共役因子 YAPが、細胞張力を調節し重力に抵抗性を示すこと、3D 組織構築および配置を制御することを明らかにした。hir が教えてくれた 3D 器官形成の仕組みについてご紹介する。

hir 変異体では細胞張力が低下している
hir 変異体の体の扁平化の方向が胚ごとに微妙に異なることから、hir 胚 を 地 球 の 重 力 に 対 し て様々な方向に向けて発生させたと
ころ、hir 胚は常に重力の方向へ崩壊 す る こ と が わ か っ た。こ れ はD´Arcy Thompson が 予 言 し た、
「重力に抗した生物の形態形成のメカニズム」に異常があることを直接示す実験結果と考えられた。hir変異体での、ピペット吸引法による力学的解析から見出された神経管の組織張力の減少、アクトミオシンのリン酸化の減少から、YAPは重力に対抗するための細胞張力の生成に必須であると考えられた。

仁科博史

東京医科歯科大学難治疾患研究所 教授

野生型

hir変異体受精38時間後細胞分裂軸が一定方向
受精44時間後細胞分裂軸がランダムな方向
Cellstacking

Cellslippage

図 1 野生型と hir 変異体の神経管の形成
hir 変異体では、組織張力の減少にともない神経上皮細胞の細胞分裂軸が不安定化し、娘細胞の相互の位置関係にずれが生じることにより、細胞の積層が正常に起こらず神経管が扁平化する。

受精54時間後鎖状に連なった細胞群の形成

受精64時間後神経管の三次元構築

神経管の扁平化

更に、生きた胚における単一細胞挙動のタイムラプス解析から hir
変異体では細胞の積み重ねが正常に起こらないために神経管の扁平化が起こったと考えられた（図１）。
ポジショナルクローニングにより
hir 変異体の原因遺伝子は転写共役因子 YAP をコードしていることが 判 明 し た。脊 椎 動 物 に お い て
YAP とそのパラログである TAZは、核において細胞増殖関連の遺伝子群を発現誘導することにより器官サイズ制御シグナル Hippo 伝達系のエフェクター分子として知られる。メダカでは他のモデル動物と異なり、TAZ が主に細胞増殖制御を担っているため、細胞増殖異常に遮られず YAP の細胞増殖以外の表現型を同定できたと考えられた。

hir 変異体の組織配置
異常のメカニズム
眼はレンズが網膜神経上皮に陥入し作られるが、hir 変異体ではレンズの正常な分化は確認されるものの、その後レンズが網膜神経上皮に陥入することなく網膜から離脱する。眼の形成におけるレンズと眼杯の協調的な形態形成過程には、レンズ−眼杯間のフィロポディアの形成が重要な役割を果たしているが、hir 変異体では、このフィロポディア形成がほとんど認められなかった。レンズ−眼杯間のフィロポディア形成には、アクトミオ
シ ン に 加 え、フ ィ ブ ロ ネ ク チ ン(FN)−インテグリンシグナルが関与している。
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野生型胚では、レンズ−網膜間に重合化した FN 線維が確認されたが、hir 変異体では FN の正常な重合化は認められず、インテグリン シ グ ナ ル の 異 常 も 認 め ら れ た。
正常胚でフィブロネクチン重合を阻害すると、レンズの眼杯からの離脱が見られたが、組織の扁平化は起こらなかったことから、YAPはアクトミオシンの活性制御を通じてフィブロネクチンの重合化とインテグリンシグナルの活性化を引き起こし、レンズと網膜の正常な組織配置に関与していると考えられた。

三次元的な組織形態
YAP

メダカで見出された YAP の新しい機能がヒト細胞でも保存されていることを示すために、YAP ノックダ
ウンヒト網膜色素上皮由来
hTERT-RPE1 細胞の三次元スフェロイド培養系で、アクトミオシン活性の低下、フィブロネクチンの重合化不全の hir 変異体の表現型を再現できた。更に、YAP ノックダウンス
フェロイドのマイクロアレイによる遺伝子発現解析から、発現が低下する 40 遺伝子の中に Rho GTPase 活性化分子 ARHGAP18 遺伝子を同定した。ARHGAP18 ノックダウンス
フェロイドでは、上記の YAP ノッ
クダウンスフェロイドと同様な異常が 認 め ら れ た こ と か ら、YAP は
ARHGAP18 を介してアクトミオシンネットワークの活性を制御し、組織張力のコントロールとフィブロネクチンの重合化に必須の役割を果たしていると考えられた ( 図 2)。

フィブロネクチンの重合化

インテグリンシグナル

ARHGAP181
アクトミオシンネットワーク

協調的な形態形成

組織張力細胞-マトリックス接着

フィロポディア

アクトミオシン フィブロ
ネクチン

神経管

Cellstacking

細胞

YAP は RhoGAP を介して組織張力とフィブロネクチンの重合化を制御する

三次元的な組織配置
2

重力

神経管

レンズ

網膜
眼

三次元の体力が関与する過程
図 2 YAP による 3D 組織形態および組織配置の制御モデル
YAP は RhoGAP (ARHGAP18) を介してアクトミオシンネットワークの活性を制御し、1）細胞張力の制御により神経管などの組織の 3D 形態を構築するとともに、2）フィブロネクチンの重合を惹起することによりインテグリンシグナルを介してレンズや網膜などの組織の 3D 配置を規定する、と考えられる。

おわりに本研究で、体全体の形態形成における重力に抗するメカニズムを、モデル動物を用いて直接明らかにできたことは、意義深いと考えている。魚 類 か ら ヒ ト に 至 る ま で 広 く保存された本メカニズムは、細胞張力、分子や細胞の挙動、細胞外マ
トリックス形成など in vitro での忠実な再現の難しい現象の in vivo での解析に基づいており、メダカが3D 器官形成機構解明のための優れたモデル生物であることを示している。

最後に、本プロジェクトに参加する機会を与えてくださった近藤
寿人先生（京都産業大学）、古谷−
清木誠先生（英国バース大学）をはじめ多くの共同研究者に感謝致します。また、献身的にメダカバイオリソースを運営して頂いている成瀬清先生に御礼申し上げます。■
参考文献
Porazinski, S et al., YAP isessential for tissue tension toensure vertebrate 3D bodyshape. Nature 521: 217-221.

(2015)

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Editor's Note

連絡先 〒411-8540 静岡県三島市谷田 1111
国立遺伝学研究所 生物遺伝資源センター
TEL 055-981-6885 ( 山崎 )E-mail：brnews@shigen.infohirame と名付けられた扁平なメダカの変異体がきっかけとなり、細胞の３D 構造の形成にかかわる遺伝子の大発見に繋がったというホットニュースをお届けしましたが、いかがでしたか？宇宙に行ったら hirame はどうなるのかも興味深いですね。難しい内容を判り易い図を使って解説してくださった仁科先生ありがとうございました。(Y.Y.)

バイオリソース情報(NBRP) www.nbrp.jp/(SHIGEN) www.shigen.nig.ac.jp/indexja.htm(WGR) www.shigen.nig.ac.jp/wgr/(JGR) www.shigen.nig.ac.jp/wgr/jgr/jgrUrlList.jsp

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