広報活動

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2015年2月5日

理化学研究所

均一な細胞集団に自発的に違いを生み出す仕組みを再構成

-隣り合う細胞がひとりでに異なる種類の細胞へ-

人工遺伝子ネットワークの模式図と隣接細胞間の非対称化の図

人工遺伝子ネットワークの模式図(左)と隣接細胞間の非対称化(右)

多細胞生物の体には、多くの種類の細胞が存在しますが、もとを正せば受精卵というたった1種類の細胞です。この受精卵が分裂を繰り返し、さまざまな種類の細胞へと「分化」することで体が形づくられています。同じ種類の細胞は遺伝子の発現量などが似ていて、対称な状態にあります。そのため、さまざまな種類の細胞を生み出すためには、遺伝子の発現量に違いをもたらす仕組みが必要です。この仕組みの1つに「Delta-Notchシグナル」を使った隣接細胞間のコミュニケーションがあります。これまでの研究では、遺伝子の機能を阻害する薬剤や遺伝子破壊という方法で、隣接する細胞間のコミュニケーションや細胞分化の仕組みを「壊す」形で探ろうとする手法が用いられてきました。しかし、壊すだけでは、現在の仮説を十分に説明できるのか、あるいは、その他の要素も必要なのかを調べることは困難でした。そこで、理研の研究者らを中心とした研究グループは、「壊す」のではなく「作る」アプローチで、細胞が自発的に分化する仕組みの解明に取り組みました。

共同研究グループは、これまで提唱されてきたDelta-Notchシグナルを介した細胞分化の仕組みを真似て、かつ、できる限り単純化した人工遺伝子ネットワークを作製しました。このネットワークは4つの遺伝子(Delta、Notch、tTS、Lfng)部品で構成され、隣接細胞間が人工的な転写抑制因子である「tTS」を介してDelta遺伝子の転写を抑え合う仕組みになっています。この人工遺伝子ネットワークを、本来はDeltaやNotchをほとんど発現しない哺乳類培養細胞に導入しました。人工遺伝子ネットワークを導入した1個の細胞が分裂したとき、2個の娘細胞は最初は似たDelta遺伝子の発現量を示します。しかし、遺伝子発現のゆらぎや細胞の形の違いなどの偶然の影響によって、娘細胞間でDelta-Notchシグナルの状態に小さな差ができ始めます。この時、Delta遺伝子の発現を抑え合う仕組みが働き、遺伝子発現量の小さな差を増幅して隣接細胞間に遺伝子発現量の異なる2種類の細胞が生じました。これは、人工遺伝子ネットワークが均一な細胞に「非対称性」を作り出したといえます。また、人工遺伝子ネットワークの一部を変えることで、2種類の細胞の比率をコントロールできることも分かりました。

生物の仕組みを人工的に再構成することで、均一な細胞集団から性質の異なる細胞を生み出すための条件の検証や、新しい発見が得られました。これらの成果は、分化の仕組みをさらに詳細に解明していくうえで役立つと期待できます。実際の生物の発生過程では、異なる細胞が適切な比率で自発的に生まれるだけでなく、各細胞種の空間的な配置も決まっていきます。今後は、空間的パターンも含めた再構成が課題になると考えられます。

理化学研究所
生命システム研究センター 細胞動態計測コア 再構成生物学研究ユニット
ユニットリーダー 戎家 美紀 (えびすや みき)
基礎科学特別研究員 松田 充弘 (まつだ みつひろ)