スーパーコンピューターで果実バエの羽の発達を解明：組織再生への新たな可能性

「私たちは、数百の細胞をモデル化し、それらがどのように相互作用して果実バエの羽になるのかを解明しようとしました」と、UCRの著名な数学教授であり、本研究のシニア共同著者であるマーク・アルバー博士（Mark Alber PhD）は述べました。

UCRとノートルダム大学（UND）の生物工学者および定量生物学者との緊密な協力により、研究者たちは、発達の初期段階ではウィングディスクが均一に湾曲していることを発見しました。しかし、後の段階では、上部はその湾曲を保ちながら、下部が平らになることがわかりました。

「断面図で見ると、ディスクは最初は平らな形から虹のような形に変わります。後の段階では、上部はその形を保ちながら、中部の下部が平らになり、上下が互いに鏡像ではなくなります」と、UCRの数学博士課程の学生であり、論文の第一著者でもあるジェニファー・ランゲル・アムブリス（Jennifer Rangel Ambriz）は説明しました。

「この形を引き起こす原因を理解したかったのです。発達が正しく進まなければ、ハエは飛べず、生き残ることもできません」とランゲル・アムブリスは述べました。

研究グループは、アクトミオシンという細胞内構造が発達プロセスの多くを推進し、特にウィングディスクの下部を平らにする役割を果たしていることを発見しました。この構造は、アクチンフィラメントの動的ネットワークであり、細胞の硬さや高さに影響を与えます。

細胞分裂と成長の過程で、アクトミオシンは異なる細胞の核を押し戻し、ウィングディスクを構成する個々の細胞の形を形成します。
「細胞が分裂するためには、核が細胞の上部に移動する必要があり、これはアクトミオシンネットワークに基づいて行われます」とランゲル・アムブリスは説明しました。「まるで歯磨きチューブの底を押すように、下を押すと全てが上に移動します。」

アクトミオシンはまた、コラーゲンで構成される細胞外マトリックス（ECM）という重要な構成要素にも接続されています。ウィングディスクの細胞はECMに付着しており、細胞が分裂する際にお互いに遠く離れすぎないようにします。ECMの柔軟性や硬さも、組織の形や発達に重要な影響を与えます。

今後、研究者たちはアクトミオシンに影響を与える遺伝的および化学的シグナルをより深く理解することを目指しています。圧力や細胞膜の表面張力などの機械的要因も組織の形に影響を与えますが、さまざまな化学シグナルも重要な役割を果たしている可能性があります。

このプロジェクトは、アルバー博士が主任研究者を務める国立科学財団（National Science Foundation）の助成金によって資金提供されています。共同研究者には、UCRのウェイタオ・チェン（Weitao Chen）、UNDのジェレミア・J・ザートマン（Jeremiah J. Zartman）およびアレクサンダー・ダウリング（Alexander Dowling）が含まれます。チームは、損傷した組織を正常な機能に回復させるメカニズムを解明することを目指しています。「胚の中では、細胞や複数の細胞を切り取っても、組織は正常に発達し続けます」とアルバー博士は述べました。「現在の組織発達に影響を与える要因についての知識は、果実バエを超えて応用され、人間や動物の組織再生を可能にするかもしれません。」

さらに、研究チームは、この発見が人間の組織形成の欠陥を修正するためにも使用できることを期待しています。「私たちの果実バエモデルは、組織発達を制御する要因を特定の遺伝子に結び付け、特定の先天性異常を促進するものを特定し、最終的にそれらを再プログラムまたは修正することを可能にするかもしれません」とランゲル・アムブリスは述べました。

この研究は、果実バエの羽の発達を通じて、組織発達の基本的なメカニズムを解明し、人間の組織再生や先天性異常の治療に新たな可能性を示しています。アクトミオシンと細胞外マトリックスの相互作用が組織の形を決定する重要な要因であり、将来的には遺伝的および化学的シグナルの理解が進むことで、さらに多くの応用が期待されます。この研究により、果実バエから人間に至るまでの生物の発達メカニズムに対する理解が深まり、科学の進歩に寄与することが期待されます。

[News release] [Nature Communications article]