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2013年02月18日
マウス初期胚におけるダイナミックかつ左右非対称なカルシウムシグナルを発見 ~左右非対称決定のメカニズム解明への手がかりに~

 基礎生物学研究所の野中茂紀准教授と高尾大輔研究員らは、北海道大学電子科学研究所、理化学研究所、大阪大学大学院との共同研究により、マウス発生の左右非対称決定に関わることが示唆されるカルシウムシグナルを発見しました。

 マウス発生において左右が最初に決まるのは、胚表面のノードと呼ばれる部位です。かつ、この部位における細胞内カルシウムが重要であることが分かっています。しかし、肝心のノード細胞のカルシウム動態は分かっていませんでした。

 本研究では、ノードを構成する数百の細胞がダイナミックにカルシウム濃度の上昇下降を繰り返すことを新たに発見しました。これを詳細に解析することにより、将来の左右が決定される時期に、最初は左右差のなかったカルシウム上昇の頻度が、左側でより高くなることを突きとめました。そしてこのカルシウムシグナルは体の左右性決定に関わっていることが示唆されました。この知見は、私たちの体の左右非対称がどのように生み出されているのかを知るための重要な手がかりです。本研究は米発生生物学会誌「Developmental Biology」電子版に掲載されました。

 

<研究の背景>

 私たちの体は外見的にはほぼ左右対称ですが、臓器の配置は左右非対称であり、この非対称は心臓が左、肝臓が右というように、ほとんどの人で同じです。一方、繊毛と呼ばれる、細胞に生えている微小な毛に異常があると左右逆の人が生まれることがあります。

 この仕組みはマウスを使って詳しく調べられています。発生初期、内臓が作られるよりもずっと前の段階で、左右対称な胚体の表面にノードと呼ばれるくぼみができます。ノード表面には繊毛があり、これが回転運動して、胚体の左に向かう水流を作り出します。この流れの上流(右)と下流(左)が区別されることで、右と左で別々の遺伝子群のスイッチが入り、これが将来の内臓配置を決めます(図1)。

 

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図1 マウス発生における左右非対称決定のタイムコース

 

 水流がどうやって非対称に遺伝子を発現させるかという問題は、この分野で残された最大の謎です。水流が何らかの物質や粒子を左側に運ぶ、水流自体が細胞表面で直接検知されるなど、諸説あって決着がついていません。阪大による最近の研究などから、ノード内部の細胞にあるカルシウムチャネルが重要であることがわかってきましたが、技術的な問題から、マウス胚の細胞内カルシウム動態の観察はノードの外部に限られており、ノード内部については報告がありませんでした。

 

<本研究における成果>

 本研究では、これまでの研究とは異なるカルシウム指示薬を用いる、2光子顕微鏡という生体試料に優しい顕微鏡を用いるなど、観察技術を改良し、ノード内の細胞内カルシウム濃度を数十分間にわたり詳細に観察することに成功しました(図2)。その結果、ノード内部の細胞のカルシウム濃度は約1分の周期で上昇下降を繰り返す性質を持っていることが分かりました。過去にも、ノード外部においては左側で持続的なカルシウム上昇が起こることが報告されていますが、それとは大きく異なる性質です。

 

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図2 (A)カルシウム指示薬Fura-PE3を取り込ませたマウス胚の蛍光顕微鏡画像。(B)ノード付近を拡大した画像。点線でノードの位置が示されている。腹側から見た画像のため、向かって右が胚体の左に相当する。(C)カルシウム上昇の頻度を可視化した図。ノード左側の細胞でより高頻度のカルシウム上昇が観察された。

 

 さらに、ノード細胞のカルシウム上昇の分布を定量的に解析しました。その結果、初めはノード内のどこでも均一な頻度で起きていたカルシウム上昇が、左右非対称な遺伝子発現が始まる時期になると、ノードの左側でより高頻度に観察されるようになることがわかりました(図3)。左右軸形成に異常がある変異体ではこの頻度分布パターンも乱れることが分かりました。また、カルシウムシグナルを乱す薬剤を添加すると左右決定に異常が出ることも分かりました。これらの結果から、ノード内で左右非対称に分布するダイナミックなカルシウムシグナルが、その後の左右非対称な体の形成に関わっていることが示唆されました。

 

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図3 ノードの右側(青)と左側(赤)でカルシウム上昇の頻度を比較したグラフ。左右非対称な遺伝子発現パターンが見られるのはLHFステージ以降だが、これと同期してカルシウム上昇の頻度も左側で高くなる。

 

<今後の展望>

 今後は、このカルシウム上昇に水流がどう関わっているのか、どのように遺伝子発現を制御しているのか、といった機構を明らかにすることで、どのようにして私たちの体の非対称性が生み出されるのかという発生学上の基本的な大問題を最終的に解明できると期待されます。また、本研究で確立された、マウス初期胚でのカルシウムシグナルを可視化し定量的に解析する方法論は、その他の研究にも応用可能です。数多くの発生現象や生理現象に関わっているカルシウムシグナルの時空間分布を詳細に解析することで生命現象の理解が進むと期待されます。

 

 [論文情報]

米発生生物学会誌「Developmental Biology」電子版にて2013年1月25日に先行公開

論文タイトル:Asymmetric distribution of dynamic calcium signals in the node of mouse embryo during left-right axis formation

著者:Daisuke Takao, Tomomi Nemoto, Takaya Abe, Hiroshi Kiyonari, Hiroko Kajiura-Kobayashi, Hidetaka Shiratori and Shigenori Nonaka

PubMed: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23357539

 

 [研究グループ]

本研究は、基礎生物学研究所 時空間制御研究室の野中茂紀准教授と高尾大輔研究員らが中心となって、北海道大学電子科学研究所(根本知己教授)、理化学研究所発生・再生科学総合研究センター(阿部高也テクニカルスタッフ、清成寛研究員)、大阪大学大学院生命機能研究科(白鳥秀卓准教授)との共同研究として実施されました。

 

[研究サポート]

本研究は、ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラム、科学研究費補助金、日本学術振興会特別研究員制度、科学技術振興機構CRESTのサポートを受けて実施されました。

 

[本件に関するお問い合わせ先]

基礎生物学研究所 時空間制御研究室

准教授: 野中 茂紀 (ノナカ シゲノリ)

〒444-8585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38

Tel: 0564-55-7590

E-mail: snonaka@nibb.ac.jp 

ホームページ http://www.nibb.ac.jp/bioimg2/

 

[報道担当]

基礎生物学研究所 広報室

TEL: 0564-55-7628

FAX: 0564-55-7597

E-mail: press@nibb.ac.jp