広報活動

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2017年5月2日

理化学研究所

臓器が形作られる過程を復元する計算手法を開発

-器官の立体構築原理の解明に期待-

私たちの体はたった1個の受精卵から出発し、だんだんとヒト固有の形が作られていきます。「ヒトや動物の形はどのようにして作られるのか?」 これは生物学における長年の未解明問題の一つで、幹細胞からさまざまな器官を作り出す再生医学にも深く関係しています。従来の発生生物学では、各器官の発生に必須な遺伝子、あるいは形態異常を引き起こす原因遺伝子を明らかにしてきました。しかし、このような分子生物学的アプローチでは、実際に形が作られる物理過程を理解することはほとんどできませんでした。

「各遺伝子が発生過程のいつ、どこで、どのように形に影響を与えるのか?」 その答えを得るには、実際の発生過程で組織全体がどのように変形するのかを定量的に理解し、それを分子や細胞の動態へつなげる必要があります。しかし、大きく複雑な組織をリアルタイムかつ高分解能で計測することは難しいため、ほとんど不明でした。

今回、理研の研究チームは数学的アプローチにより、限られた情報から背後にある情報をうまく抽出することを試みました。「ベイズモデル」と呼ばれる数理モデルを利用して、少数の標識された細胞あるいは細胞小集団(組織全体の1~数%)を目印とし、それらの位置変化の情報から組織の発生過程における変形過程を再構築できる計算手法を開発しました。この手法をニワトリ胚の前脳の発生過程のデータへ応用したところ、有効性を示すことが分かりました(図参照)。同時にこの形態変化は、“組織の各場所で細胞小集団が一つの軸方向につぶれることで起こること”が明らかになりました。

今後、このような組織レベルでの解析を、正常胚と形態異常などを引き起こす遺伝子を欠損した胚との間で定量的に比較することで、各遺伝子が発生過程のいつ、どこで、どのように形に影響を与えるのかという問題を数値化することができます。さらに、遺伝子・細胞・組織という異なる階層間の動態の関係性の統合的な理解が、ヒトや動物の形が作られるメカニズムの解明につながると期待できます。

曲率を持つ複雑なシート状組織の変形動態解析の図

図 曲率を持つ複雑なシート状組織の変形動態解析

理化学研究所
生命システム研究センター 生命モデリングコア 計算分子設計研究グループ 発生幾何研究ユニット
ユニットリーダー 森下 喜弘 (もりした よしひろ)