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2016年08月10日
細胞分裂方向のコントロールに関わる"にょろにょろ"と伸びる新しい細胞内構造を発見

 細胞分裂は生物の最も基本的なイベントの一つです。そして、生命現象の色々な場面で細胞分裂の方向が厳密にコントロールされることも良く知られており、古くから研究が行われています。

 今回、基礎生物学研究所の根岸剛文研究員、上野直人教授、フランス国立科学研究センターの安尾仁良グループリーダーらの研究グループは、ホヤの発生過程において細胞分裂方向のコントロールに働く、新しい細胞内構造を発見しました。今回の研究で、①この新しい構造は、細胞膜の一部が細胞分裂に重要な小器官である中心体に向かって“にょろにょろ”と伸びることで形作られること、②そして最終的に中心体を引っ張る力を持つようになること、を見い出しました。この張力が細胞分裂の方向を決めていると考えられます。このような細胞分裂に関わる細胞内の膜構造は、他の動物種においてもこれまでに報告がなく、細胞分裂制御の理解に全く新しい視点を与えます。この成果は、2016年8月9日にオープンアクセス科学雑誌eLifeに掲載されました。また、注目論文として同誌の"Insights"にて取りあげられました。

 

【研究の背景】

 すべての動物は、発生する際に一つの細胞である受精卵から細胞分裂する必要があります。その細胞分裂は無秩序に起こるのではなく、多くの発生の場面でタイミングや方向がコントロールされています。また、その分裂方向は器官や動物の形に大きな影響を与えます。

 一般的に細胞分裂は、中心体という分裂に不可欠な構造が複製されることから始まります。複製された中心体が核の両側にそれぞれ移動し、一直線に並びます(図1②)。その後、DNAを含む核を覆う核膜が消失し紡錘体が形成され、その際に中心体は紡錘体の極となります。多くの細胞では、この紡錘体の向きが細胞分裂の方向になります(図1③)。すなわち、紡錘体の向き、またその極となる中心体の動きによって、細胞分裂の方向がコントロールされています。

 

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図1 一般的な細胞分裂の方向の決まり方

 

 今回、研究グループは、海産動物であるホヤ(カタユウレイボヤ)に注目しました。ホヤは脊索動物であり、ヒトを含む脊椎動物と同じグループに属します。ホヤは成体になると固着生活を送りますが、幼生の間はオタマジャクシ型で遊泳します。ホヤの発生の特徴の一つとして、体を構成する細胞数が非常に少ないことが挙げられます。少ない細胞数で体をつくるために細胞分裂が高度にコントロールされていることが予想されました。

 

【研究の成果】

 研究グループは、カタユウレイボヤ胚の体を包む表皮細胞の第11回目の分裂に着目して研究を行いました。カタユウレイボヤの表皮細胞は、受精卵から数えて正確に11回だけ分裂することが知られています。そして、この分裂の前、10回目の分裂までは、分裂の方向が揃っていませんが、最後の11回目の分裂では、ほとんどの表皮細胞が体の前後軸に沿って分裂することが知られています。

 そこで、この同一な分裂方向がどのようなメカニズムでコントロールされているのかを調べるために、詳細なライブイメージング観察を行いました。この観察中に細胞膜の一部分から胚の前方方向へ”にょろにょろ”と伸びる構造を見い出しました(図2)。この構造の多くは胚細胞の後方から前方へ向かって伸びます。また、2、3本が交わり“角(かく)”を構成する様子も観察できました(図2右図:赤矢印)。このような膜構造はこれまでに知られておらず、本研究により全く新しい細胞内構造を発見することができました。

 

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図2 今回発見した新しい膜構造 

左図:カタユウレイボヤ胚の前半分の様子、左が前方(頭部)。細胞膜をGFPで標識したもの。スケールバーは30 µm。胚を包む全ての表皮細胞に膜構造ができている。

右図:表皮細胞を高倍率でタイムラプス観察したもの。左が前方、スケールバーは10 µm。矢印で膜構造を示す。赤矢印で、“角(かく)”をつくっている膜構造を示す。

 

 この新しい構造を詳細に解析するために生理学研究所の村田和義准教授、宮崎直幸研究員との共同研究により連続ブロック表面走査型電子顕微鏡(SBF-SEM)による観察を試みました。このSBF-SEMは電子顕微鏡画像が3次元的に取得できる新しいタイプの電子顕微鏡で、未知の構造や、細長い複雑な構造などの高解像度観察に適しています。SBF-SEMによる観察により、この膜構造は隣接する2つの細胞の原形質膜より構成される2重膜構造であること、さらにこの膜構造は中心体に向かって伸長していることが明らかになりました。興味深いことに2本の膜構造がつくっている角(かく)の頂点には必ず中心体が存在していました(図3)。この新しい膜構造は細胞分裂の方向制御に必須である中心体へと伸長していることから、ホヤの表皮細胞の分裂方向のコントロールに関わっている可能性が高いと考えました。

 

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図3 SBF-SEMによる膜構造の観察

青矢印で膜構造、赤丸・青丸のペアで中心体を示す。大きな球は核。スケールバーは10 µm。

 

 実際にこの膜構造と中心体の動的な関係を光学顕微鏡でタイムラプス観察してみると、中心体は核とともに後方へ引き寄せられ、さらに複製後に核の両側にそれぞれ移動していました(図4)。この観察により、この膜構造は中心体へと伸長し(図5②)、続いて中心体を後方へ引っ張り寄せ(図5③)、複製後の中心体を核の前後に非対称に移動させることにより(図5④)、分裂方向をコントロールしているという仮説を立てました。

 

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図4 膜構造と中心体の動きのタイムラプス観察

 左が前方。白矢頭は中心体を示す。青矢印は今回発見された膜構造を示す。79分目のフレームにおいて、1つの中心体が細胞後方に残っている様子が見える。スケールバーは10 µm。

 

 

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図5 ホヤ胚の表皮細胞で細胞分裂の方向が膜構造によって決まる仕組み

 

 この仮説(図5)が正しいとすると“にょろにょろ”と伸びた膜構造は張力を受けているはずです。このことを検証するために紫外線レーザーによる膜構造の切断を行いました。その実験の結果、切断された膜構造は後方へ急速な収縮を見せました(図6左図)。本実験によって膜構造が張力を受けていることを確認できました。さらに、この膜構造の向きを乱すと中心体が後方へ偏らなくなり、さらに分裂方向も揃わなくなりました(図6右図)。以上の結果は、仮説を強く裏付けるものです。

 

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図6 (左図)膜構造が張力を持っているかを調べる実験

白×字でレーザーの照射位置を示す。スケールバーは10 µm。

(右図)膜構造の向きが細胞分裂の方向に関係していることを示す実験

 

 中心体は細胞分裂に関わる一方で、繊毛の形成時には、その基部(基底小体)として、中心的な役割を担うことが知られています。基底小体の位置は、繊毛の形成される場所を決め、この繊毛の位置は体の左右の決定など生物の体作りに非常に重要です。カタユウレイボヤ胚では、今回注目した第11分裂期の間に表皮細胞に繊毛が形成されることが知られています。今回発見された膜構造と繊毛形成との関係を調べるために、電子顕微鏡、光学顕微鏡ライブイメージングにより観察を行いました。その結果、この膜構造は繊毛の位置のコントロールにも働いていることが強く示唆され、細胞分裂の方向性の決定と繊毛形成の位置決定が密接に関わっていることがわかりました。

 

【本研究の意義】

 本研究において、研究グループの発見した”にょろにょろ”と伸びる膜構造は、この細胞膜に生じる張力により、中心体を後方へ引き寄せることで細胞分裂の方向性をコントロールしていると考えられます。このような制御様式はこれまでに知られておらず、研究グループはこれらの中心体が関わる重要な現象において全く新しい知見を提供できたと考えています。

 

【掲載誌情報】

eLife(イーライフ)

2016年8月9日付け掲載

論文タイトル: “Physical association between a novel plasma-membrane structure and centrosome orients cell division

著者: Takefumi Negishi, Naoyuki Miyazaki, Kazuyoshi Murata, Hitoyoshi Yasuo, Naoto Ueno

DOI: 10.7554/eLife.16550

 

【研究サポート】

本研究は、文部科学省科学研究費助成事業、Agence Nationale de la Recherche、Fondation ARC pour la Recherche sur le Cancer、生理研計画共同研究からの補助を受けて行われました。

 

【本研究に関するお問い合わせ先】

基礎生物学研究所 形態形成研究部門

教授 上野 直人 (ウエノ ナオト)

TEL: 0564-55-7570

FAX: 0564-55-7571

E-mail: nueno@nibb.ac.jp

URL: http://www.nibb.ac.jp/morphgen/

 

研究員 根岸 剛文 (ネギシ タケフミ)

TEL: 0564-55-7668

E-mail: negishi@nibb.ac.jp

 

【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