単一細胞における脊椎動物分節時計の波パターンの自律的な生成

核心概念

単一細胞は自律的なタイミング機構を持ち、分節時計の振動の減速と停止を引き起こし、組織レベルの波パターンを生み出す。

要約

本研究では、分節時計の特徴的な波パターンが、単一の前体節中間葉(PSM)細胞に内在する自律的なプログラムによって生み出されることを示した。

PSM4領域の単一細胞を培養すると、Her1-YFPの振動が徐々に減速し、最終的にMesp-ba-mKate2の発現とともに停止した。この自律的なダイナミクスは、生きた胚内のPSM細胞の振る舞いと非常によく一致していた。

FGF8の添加により、単一細胞の自律的なプログラムの持続時間が延長された。これは、FGFが胚内の分節時計に影響を及ぼすメカニズムを説明するものである。

さらに、尾芽(TB)からPSMに移行する際に、細胞内部のタイマーが開始されることが示唆された。このタイマーは、細胞が前方に流れるにつれて減少し、振動の減速と停止のタイミングを決定すると考えられる。

以上より、分節時計の波パターンは、細胞自律的なタイミング機構に基づいて生み出されることが明らかになった。一方で、組織環境からの外部シグナルは、この自律的なプログラムの持続時間や精度を調整することで、波パターンの形成に寄与していると考えられる。

統計

培養したPSM4細胞は平均4.4±1.6回の振動を示した。
培養したPSM4細胞の81%で、連続する振動周期が減少した。
培養したPSM4細胞の72%で、連続する振動ピーク強度が増加した。
FGF8を添加すると、PSM4細胞の平均振動回数が6.4±3.5回に増加した。
FGF8を添加したPSM4細胞の65%で、連続する振動周期が減少した。
FGF8を添加したPSM4細胞の66%で、連続する振動ピーク強度が増加した。

引用

"単一細胞は自律的なタイミング機構を持ち、分節時計の振動の減速と停止を引き起こし、組織レベルの波パターンを生み出す。"
"FGFは単一細胞の自律的なプログラムの持続時間を延長することで、胚内の分節時計に影響を及ぼすメカニズムを説明する。"
"尾芽からPSMに移行する際に、細胞内部のタイマーが開始され、細胞が前方に流れるにつれて減少することで、振動の減速と停止のタイミングを決定する。"

抽出されたキーインサイト

Cell-autonomous timing drives the vertebrate segmentation clock’s wave pattern

by Rohde,L. A.,... 場所 www.biorxiv.org 05-30-2021

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446196v3

深掘り質問

分節時計の自律的なタイミング機構の分子的な詳細は何か

分節時計の自律的なタイミング機構の分子的な詳細は、主にハーブスタイン遺伝子の制御に関連しています。ハーブスタイン遺伝子は、時計の中心的な構成要素であり、その発現は周期的に変動します。この周期的な変動は、細胞内のタイマーとして機能し、発生の特定の段階での遺伝子発現の制御に重要です。ハーブスタイン遺伝子の制御は、転写因子や他の調節因子によって調整され、細胞内の時計の動作を調節します。さらに、ハーブスタイン遺伝子の制御は、細胞内のタイミングメカニズムによって、分節時計の波形パターンを生成し、組織レベルでの分節形成を調節します。

外部シグナルがこの自律的なタイミング機構にどのように作用するのか

外部シグナルが分節時計の自律的なタイミング機構にどのように作用するかについて、研究結果から明らかになっています。外部シグナル、特にFGF（線維芽細胞増殖因子）、は細胞内のタイミングプログラムの期間を延長し、細胞の振動を調整します。FGFは、分節形成に影響を与えることが知られており、その作用は分節の長さに影響を与えます。さらに、外部シグナルは、細胞内のプログラムのノイズを減少させるのではなく、プログラムの期間を延長することが示されています。これにより、外部シグナルが分節時計の動作に影響を与え、細胞内のタイミングメカニズムを調整することが示唆されています。

分節時計の自律的なタイミング機構は、他の発生過程の時間制御にも応用できるか

分節時計の自律的なタイミング機構は、他の発生過程の時間制御にも応用できる可能性があります。このタイミングメカニズムは、細胞内の時計の動作を制御し、特定の発生段階での遺伝子発現を調節します。他の発生過程においても、細胞内のタイミングメカニズムが同様の役割を果たす可能性があります。例えば、神経芽細胞の分化や線虫の脱皮など、他の発生過程においても、細胞内のタイミングメカニズムが時間制御に重要な役割を果たす可能性があります。これにより、分節時計の自律的なタイミング機構は、発生の他の側面にも適用可能であることが示唆されています。