広報活動

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2014年5月2日

理化学研究所

細胞外マトリクスの形態形成における新たな働きの発見

-伸びる上皮細胞と細胞外マトリクスの弾性が気管の長さと形状を決める-

ショウジョウバエ胚の気管(胚発生後期)

ショウジョウバエ胚の気管(胚発生後期)

管腔内の細胞外マトリックスをマゼンタ、アピカル細胞膜をシアンで、気管細胞の核を緑で示した。

生物の体内では、血管や、呼吸管など管状組織のネットワークが張り巡らされ、血液や空気などの物質循環が行われています。成長期のヒトの血管系では、拍動の刺激に応じて血管内の細胞の再配置や増殖が起き、血流が最適化されるように管の形状が変化します。ところが、胚発生において血液循環が始まる前に、すでに血管はある程度適正な形状を獲得しています。気管も拍動による刺激がなくても正しい形状をとることができます。このことから、管の形状を決める仕組みは、発生過程のある段階で細胞や組織に備わっているものと考えられます。しかし、こうした循環に依存しない管構造の適正化の仕組みはよく分かっていませんでした。

これまでの研究から、モデル生物であるショウジョウバエ胚の気管では、内側(管腔)にタンパク質とキチン質を主成分とした「細胞外マトリクス(基質)」が蓄積し、気管の「太さ」と「長さ」の制御に関与していることが示唆されていました。しかし、気管の長さ制御については、細胞外マトリクスが果たす具体的な役割は解明されないままでした。そこで、理研の研究者らで構成された国際共同研究グループは、その解明に取り組みました。

国際共同研究グループが、気管に蓄積する細胞外マトリクスの性質を調べたところ、粘性の高いゾル状態の成分と弾性を持ったゲル状態の成分が存在していることが分かりました。これらの成分を損なう条件や、気管上皮細胞の管腔側の細胞膜(アピカル細胞膜)が過剰に拡大するショウジョウバエの変異体では、気管が過剰に伸長することが知られています。そこで、これらの変異体の解析データをもとに、気管形成の仕組みをシミュレーションする物理モデルを作りました。シミュレーションでは、弾性力を持つ円柱状の細胞外マトリクスをアピカル細胞膜が包む管を想定しました。アピカル細胞膜に拡張力を与えると、細胞外マトリクスの弾性力が釣り合うところまで管が伸長しました。また、管の両端を固定した上で「拡張力>弾性力」となる条件を設定すると、種々の変異体の示す症状と同様に、気管が過剰伸長して一定の波長で周期的に湾曲する様子が再現されました。

これらの結果から、気管の長さと形状の安定は、気管のアピカル細胞膜の拡張力と細胞外マトリクスの弾性力が拮抗することによって決まる、という仕組みが明かになりました。この成果は、細胞外マトリクスの形態形成に関わる新しい機能の発見であり、細胞が生物の管状組織を形作る細胞生物学的な見地からも興味深い発見であるといえます。

理化学研究所
発生・再生科学総合研究センター 形態形成シグナル研究グループ
グループディレクター 林 茂生 (はやし しげお)