細胞たちを協調させる体内時計のしくみ 京都大学らが体節形成メカニズムを解明

©大学ジャーナルオンライン

恐竜の標本骨格を観察すると、背骨が整然と並んだ美しい繰り返し構造に見惚れることがあるだろう。
この正確な規則性はどこからくるのか。動物のからだが形作られる発生過程は非常に正確に制御されている一方、細胞一つ一つは揺らぎ(ノイズ)に満ちている。それにも関わらず、からだがどうして正確に作られるのかは、生物学にとって大きな謎だったと、本田直樹京都大学准教授および松井貴輝奈良先端科学技術大学院大学准教授の研究グループは話す。

今回、本研究グループは、背骨の元になる体節と呼ばれる繰り返し構造の形成に注目した。これまでの研究で、一定の時間間隔で活性化する遺伝子が「体内時計」の役割を果たし、このリズムに合わせてERKと呼ばれる分子が不活性化することで均一な体節が作られること、時計が機能しないと体節が不均一になることが知られていたが、時計が体節の再現性を保証するメカニズムは不明だった。

本研究では、体節形成をコンピュータでシミュレーションする数理モデルを用いて、ノイズの影響とERK活性の挙動を調べた。その結果、時計がない状況では、ノイズの影響が細胞同士のコミュニケーションによって伝播することで細胞全体の協調性が失われ、ERKの不活性化が不規則なタイミングで起こる一方、時計がリズムを刻んでいる状況では、ノイズ伝播がシャットアウトされることで細胞たちの協調性が高められ、ERKの不活性化が一定間隔で正確に起こることがわかった。さらに、この数理モデルの妥当性を、ゼブラフィッシュ胚を用いて実証することに成功した。

時計のリズムがノイズをキャンセルする効果を持ち、指揮者のように細胞たちを協調させて体節形成をコントロールすることを解明したこの成果は、ヒトの発生疾患(脊椎肋骨異常症など)の予防や治療にもつながる可能性がある。

論文情報:【PLoS Computational Biology】Noise-resistant developmental reproducibility in vertebrate somite formation