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プレスリリース詳細

2018.02.07

原腸形成時の細胞移動を指令する仕組み 〜細胞集団の先端の細胞で生じる細胞内カルシウムイオン濃度の上昇が細胞運動を調節する〜

動物の体の形作りにおいて、大規模な細胞運動を伴う現象として原腸形成が知られています。原腸形成は、体の基本的な構造を確立する集団的な細胞運動として極めて重要です。基礎生物学研究所の林健太郎研究員と上野直人教授らはアフリカツメガエル胚を用いて、原腸形成時の移動する細胞集団における細胞内カルシウムイオン濃度の動態を詳細に観察することに成功しました。そして、細胞集団の先端領域だけで細胞内のカルシウムイオンの濃度が繰り返し高くなることを新たに発見すると共に、この先端領域に限局した細胞内カルシウムイオン濃度の上昇が、原腸形成時の細胞移動を調節していることを明らかにしました。この成果は、2018年2月5日付けで英科学雑誌サイエンティフィックレポーツ(Scientific Reports)誌に掲載されました。

 

【研究の背景】

受精後に細胞数が増えると、細胞は集団として動き胚の中で大きく位置を変えます。この細胞集団(組織)の「配置換え」は生物がさまざまな臓器をつくるために極めて重要で、とくに「原腸形成」とよばれる現象は、生物の形づくりの過程で最初の大規模な細胞移動であると考えられています。原腸形成において細胞が集団で移動するとき、先端の細胞は細胞突起と呼ばれる膜状の足を出して他の細胞シートの上を這うように(その姿が水泳のクロールに似ていることからクローリングと呼ばれます)移動することが知られています(図1)。しかし、何故先端の細胞に集中してその突起が出来るのかなど、不明な点が数多く残されています。

 

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図1. 原腸胚期の中胚葉の動き

将来、筋肉や骨を形成する組織である中胚葉は外胚葉を足場にして動物極側(矢印)に向かって移動している。

 

【研究の成果】

今回、基礎生物学研究所の林健太郎研究員、上野直人教授らはカルシウムイオン(Ca2+)が結合すると蛍光波長が変化するタンパク質を用いて、アフリカツメガエルの原腸形成時の移動する細胞集団における細胞内カルシウムイオン濃度の動態を詳細に観察することに成功しました。そして、細胞集団の先端領域だけで細胞内のカルシウムイオン濃度が繰り返し高くなることを新たに発見しました(図2)。また、この細胞内カルシウムイオン濃度の上昇を薬剤で抑制すると細胞集団の移動が大きく抑制されること(図3)、逆に細胞内カルシウムイオン濃度を薬剤により人為的に高めると細胞集団は正常より早く動き、そのため長距離移動することを明らかにしました(図4)。さらに、細胞内カルシウムイオンの上昇を薬剤で抑制すると、細胞集団の先端の細胞における細胞突起の形成が有意に抑制されることを示しました。これらの結果から、研究グループが今回発見した、細胞集団の先端領域における細胞内カルシウムイオン濃度の反復的な上昇は原腸形成時の細胞集団の動きに必須であり、先端の細胞に集中して突起をつくる仕組みにおいても重要な役割を果たしていると結論付けました。

 

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図2. 先端細胞で特異的に細胞内カルシウムイオン濃度の上昇が見られる

(a)移動中の中胚葉先端領域の細胞群。矢印の方向に向かって集団的に移動する。(b)写真aの細胞群における細胞内カルシウムイオンの濃度。先端の細胞で特異的にカルシウムイオン濃度の上昇が見られた。

 

 

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図3. 先端細胞の細胞内カルシウムイオン濃度の低下により集団的な細胞の移動速度が低下する

(a)未処理胚の細胞集団。測定開始時(赤)と測定終了時(緑)の画像を重ね合わせて細胞移動の結果を示す。(b)薬剤処理により先端細胞の細胞内カルシウムイオン濃度上昇が抑えられた細胞集団。先端細胞の細胞内カルシウムイオン濃度の上昇を抑えると、細胞の移動も抑えられることが分かった。

 

 

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図4. 先端細胞の細胞内カルシウムイオン濃度の上昇は中胚葉の集団的な移動を加速する

(a)未処理胚の断面図。黄線は中胚葉に覆われていない外胚葉の領域を示す。(b)薬剤処理により細胞内カルシウムイオン濃度の上昇を過剰にした胚の断面図。(下段)中胚葉移動の進行度合い(黄線)を定量化したグラフ。値が小さい程、集団的な移動が進行している事を示す。細胞内カルシウムイオン濃度を上昇させると中胚葉の移動が促進する事が分かった。

 

【今後の展望】

本研究では、原腸形成において、細胞集団の先端の細胞が細胞内カルシウムイオン濃度を繰り返し上昇させることを発見するとともに、この細胞内カルシウムイオン濃度の上昇が原腸形成時の細胞移動に必須であることを示しました。このしくみは、ヒトを含む動物の傷の修復(創傷治癒)時における細胞移動と共通することが浮き彫りになってきました。研究グループの林研究員は「今後、細胞が集団で動く際に細胞内に増えるカルシウムイオンの由来、つまり、細胞外から流入なのか、あるいは細胞内の小器官に蓄えられたものが細胞内に放出されるのか、といった疑問を明らかにすることや、カルシウム上昇から細胞の動き出しまでの間に隠されたメカニズムをさらに解明することが必要です」と語っています。

 

【発表雑誌】

雑誌名: Scientific Reports 2018年2月5日

論文タイトル: Intracellular calcium signal at the leading edge regulates mesodermal sheet migration during Xenopus gastrulation

著者: Kentaro Hayashi, Takamasa S. Yamamoto & Naoto Ueno

DOI: 10.1038/s41598-018-20747-w

 

【研究サポート】

本研究は文部科学省科学研究費助成事業(22127007および15H05865)のサポートを受けて実施されました。

 

【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/

 

【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