脳の形成において生じる分化の波

ポイント

• ＥＧＦの拡散とＮｏｔｃｈによる側方抑制を組み合わせることによってＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅの数理モデルを構築し、数理科学と生命科学の異分野融合研究を可能にしました。
• Ｎｏｔｃｈによる側方抑制はＥＧＦの拡散作用と組み合わさることで、波の進行速度を制御するという新しい機能を果たすことを明らかにしました。
• Ｎｏｔｃｈによる波の伝播速度の制御とゴマシオパターン形成は異なるメカニズムによって制御されていることを明らかにしました。

＜研究の背景＞

細胞と細胞が情報のやりとりをする時、長距離性の情報伝達は拡散性のタンパク質によって、短距離性の情報伝達は細胞膜上のタンパク質によって隣接する細胞に伝達されます。ＥＧＦは長距離性の、Ｎｏｔｃｈは短距離性の情報伝達を担う中心的な因子として知られています。Ｎｏｔｃｈの短距離作用は側方抑制^注５）と呼ばれ、例えば図１ａにおいて四角い細胞が丸い細胞に変化（分化）する時、丸い細胞は隣り合う細胞に対して抑制性のシグナルを送り、それによって丸い細胞の隣りには必ず四角い細胞が存在するようなゴマシオパターンを形成します。一方ＥＧＦは拡散性因子であり、産生された領域から離れた場所において長距離作用を及ぼします（図１ｂ）。ＮｏｔｃｈとＥＧＦはどちらもさまざまな生命現象において重要な役割を果たしますが、Ｎｏｔｃｈによる側方抑制とＥＧＦの拡散効果が協調して働いた時にどのような効果をもたらすのか、明らかにされていませんでした。

本研究ではこのような協調作用の働きを研究するためにショウジョウバエの脳において見られるＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅという現象に着目しました。形成過程のハエの脳においてはまず四角い上皮細胞のみが存在していますが、これが１列ずつ順番に丸い神経幹細胞に変化します（図１ｃ）。このような「分化の波」ＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅの進行はＥＧＦによって促進され、Ｎｏｔｃｈによって抑制されることが知られていました。類似した分化の波はほかのさまざまな生物においても存在することが知られています。

Ｎｏｔｃｈによる側方抑制はあらゆる動物において見られる現象であり、ＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅにおいてもＮｏｔｃｈが側方抑制を引き起こすための条件は揃っています。Ｎｏｔｃｈによる側方抑制が働けば図１ａのようなゴマシオパターンが生じるはずですが、実際にはＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅにおいてはそのようなパターンは見られません（図１ｃ）。果たしてＮｏｔｃｈは側方抑制を引き起こしているのでしょうか？もしそうだとすれば、なぜＮｏｔｃｈはゴマシオパターンを形成せずに波の進行を制御できるのでしょうか？

通常の生命科学実験のみではこのような疑問に答えることはできません。そこで、本研究ではＮｏｔｃｈとＥＧＦによるＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅの制御についての数理モデルを構築しコンピューターシミュレーションと生命科学実験を組み合わせることによってＮｏｔｃｈとＥＧＦによる遺伝子ネットワークの働きを明らかにしました（図１ｄ）。

＜研究成果の概要＞

我々はまずＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅがＮｏｔｃｈによる側方抑制を含んでいると仮定し、ＥＧＦの拡散とＮｏｔｃｈによる側方抑制を組み合わせたＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅの数理モデルを構築しました。興味深いことに、この数理モデルは生体内で見られるＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅと非常に近い挙動を示しました（図２ａ、ｃ）。つまり、通常はゴマシオパターンを示さずに分化の波が進行する上、ＥＧＦの活性をなくしたＥＧＦ変異体においては波が消失し、Ｎｏｔｃｈの活性をなくしたＮｏｔｃｈ変異体では波の進行が加速するなど、さまざまな変異体の状況も的確に再現したのです。ＥＧＦの拡散とＮｏｔｃｈの側方抑制だけでＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅの挙動を全く矛盾無く説明できたと言えます。

では、ゴマシオパターンは一体どこに行ってしまったのでしょうか？ＥＧＦは拡散性因子であり、Ｎｏｔｃｈがゴマシオ状に活性化していたとしても、ＥＧＦの拡散効果によってそれが隠されてしまう可能性が考えられました。そこでシミュレーション上でＥＧＦの拡散もしくは産生量を減少させたところ、そのような状況下ではゴマシオパターンが現れることが予測されました（図２ｂ）。ＥＧＦの活性が完全に無くなってしまうとそもそも波が消失してしまうため、我々はＲＮＡｉと呼ばれる技術によってＥＧＦの活性を中程度に減少させることを試みました。その結果、Ｎｏｔｃｈの活性および神経幹細胞の形成パターンがゴマシオ状に変化し、生体内においてもシミュレーション上と、同じような互い違いのパターンが観察されました（図２ｄ）。これらの結果から我々の数理モデルが正しいこと、そしてＮｏｔｃｈによる側方抑制が確かに生体内においてＰｒｏｎｅｕｒａｌＷａｖｅに含まれていることが示されました。

私たちはこの数理モデルを用いてさらにもう１つの問題を解決しようと試みました。Ｎｏｔｃｈの活性が失われたＮｏｔｃｈ変異領域では波の進行が加速しますが、この時ＥＧＦの活性が失われることが知られていました。ＥＧＦは波の進行において必須な因子であり、ＥＧＦが失われると波も失われるはずです。Ｎｏｔｃｈ変異領域ではＥＧＦが失われているにもかかわらずなぜ波が消失せずにむしろ加速するのか、これまでの研究において解決されていない疑問点でした。

私たちは上記の数理モデルにおいてＮｏｔｃｈ変異領域を設定し（図３ａ点線内）、どのようなことが起きているか観察しました。興味深いことに、Ｎｏｔｃｈ変異領域において波が加速する際、一過的にＥＧＦが活性上昇し、その後減衰することが分かりました。Ｎｏｔｃｈ自体は神経幹細胞の形成を阻害するので、ＥＧＦが活性化し、かつＮｏｔｃｈが失われた状況では神経幹細胞の形成は加速するはずであり、これがＮｏｔｃｈ変異領域において波の進行が加速する原因であると考えられました。これと同じことが生体内でも起きているか調べたところ、シミュレーションと同様、ＥＧＦの活性が一過的に上昇していることが確認されました（図３ｂ）。このように、数理モデルを用いることによって従来の生命科学実験だけでは解決できない問題が解決されたのです。

＜研究成果の意義＞

生命科学と数理科学の融合研究は世界的な潮流となっていますが、生命科学実験とシミュレーションを１対１に対応させて研究を推進する真の異分野融合研究はいまだ困難です。本研究では実際の生命現象に合致した数理モデルを構築し、その正しさを実験によって検証しました。さらに、ＥＧＦの減弱によってゴマシオパターンを再現する、Ｎｏｔｃｈ変異領域において波が消失せずにむしろ加速するメカニズムを明らかにするなど、数理モデルによる予測を実験的に検証することにより、ＮｏｔｃｈとＥＧＦの協調作用のメカニズムを明らかにしました。

ＥＧＦとＮｏｔｃｈの協調作用は哺乳類大脳皮質の形成過程における神経幹細胞の分化、肺がん・乳がんの発症過程においても重要な役割を果たしていると考えられています。本研究によって明らかとなった遺伝子ネットワークの動作機構、およびその正確なシミュレーションを実現する数理モデルはヒトの脳の形成機構の解明、がんの進行をコントロールする技術の創出など、従来の生命科学研究だけでは解決できないような複雑な問題の解明に役立つと期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） ＥＧＦ（上皮成長因子）

分泌性・拡散性のタンパク質で、産生された領域から離れた場所においてさまざまな作用を及ぼす。

注２） Ｎｏｔｃｈ

側方抑制のシグナルを受け取る受容体（タンパク質）であり、分化細胞に隣接する細胞の分化を抑制する効果を持つ。

注３） 神経幹細胞

脳において多数の神経細胞を生み出す特殊な細胞で、上皮細胞から分化する。

注４） 分化の波

細胞が何らかの特徴的な性質を獲得する過程を「分化」という。神経幹細胞は上皮細胞から分化するが、平面上に配置された上皮細胞があたかも波が伝播するように一列ずつ順番に分化するため「分化の波」と呼ばれる。

注５） 側方抑制

分化しつつある細胞が隣接する細胞に抑制性のシグナルを送り、分化した細胞の数および配置を制御する現象で、多くの場合Ｎｏｔｃｈによって制御される。

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