管腔臓器の長さと太さが決まる仕組みを解明~筋肉と軟骨が気管のサイズを決定していた~

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2018-07-26 理化学研究所,神戸大学

理化学研究所(理研)生命機能科学研究センター呼吸器形成研究チームの森本充チームリーダー、岸本圭史研究員、バイオリソース研究センターの田村勝チームリーダー、神戸大学大学院医学研究科の南康博教授、西田満准教授らの共同研究チームは、気管[1]など管状の臓器(管腔臓器)が正しい形へと発生する仕組みをマウスで明らかにしました。

本研究成果は臓器形成の基本原理を説明するとともに、再生臓器の成形技術への応用や、先天性気管狭窄症[2]などの病態の理解にもつながると期待できます。

気管、食道、腸などの“管”の長さ、太さ(径)、配置は、精密に制御されており、何らかの理由で変形してしまうと正常な機能が果たせなくなります。しかし、これらの太く長い管が作られるメカニズムは分かっていませんでした。

今回、共同研究チームは、発生過程のマウスを用いて、気管の長さと太さを決める仕組みを調べました。その結果、気管は初めに長さ方向に伸長し、続いて径が拡大することが分かりました。また、遺伝子の機能解析から、①Wnt5a[3]-Ror2[4]シグナルにより、細胞極性[5]が同調した気管平滑筋[6]のもとになる細胞が円周方向に整列して連結され、気管上皮[7]の長軸方向の伸長を促していること、②Sox9[8]遺伝子が気管軟骨組織の分化・成長を促して径の調節をしていることが分かりました。平滑筋や軟骨は間充織[9]に由来する組織であり、間充織細胞の極性、分化が管構造の形成に重要な役割を担うことが明らかになりました。

本研究成果は英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』(7月19日付)に掲載されました。

図 マウス気管の管腔構造(周縁をパターン化された平滑筋(マゼンタ)と軟骨(緑)が覆う)

※共同研究チーム

理化学研究所
生命機能科学研究センター 呼吸器形成研究チーム
チームリーダー 森本 充(もりもと みつる)
(旧 多細胞システム形成研究センター 呼吸器形成研究チーム チームリーダー)
研究員 岸本 圭史(きしもと けいし)
テクニカルスタッフII 山岡 玲(やまおか あきら)
生命機能科学研究センター 生体モデル開発ユニット・生体ゲノム工学研究チーム
研究員 阿部 高也(あべ たかや)
(旧 ライフサイエンス技術基盤研究センター 生命機能動的イメージング部門 生命動態情報研究グループ 生体モデル開発ユニット・生体ゲノム工学研究チーム研究員)
テクニカルスタッフII 繁田 麻葉(しげた まよ)
バイオリソース研究センター マウス表現型解析開発チーム
チームリーダー 田村 勝(たむら まさる)

神戸大学大学院
医学研究科 生理学・細胞生物学講座 細胞生理学分野
教授 南 康博(みなみ やすひろ)
准教授 西田 満(にした みちる)

※研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金若手研究A「気道上皮の多分化能細胞と組織構造の解析(研究代表者:森本充)」等の支援を受けて行われました。

背景

多細胞生物の生命機能を支える器官の基本形は、細胞が作る筒の内部に空間が備わった管腔構造であり、管腔のサイズと形態が臓器の機能と密接に関わっています。例えば、血管は全身に血液を届ける輸送路、消化器は食べ物を処理する作業ライン、気管支は呼吸の効率を決める吸排気装置としてそれぞれ働いています。管腔形成のメカニズムを包括的に理解することは、生体の生理と病理の根本的理解につながります。しかし、これまで、哺乳動物の管腔形成に関する研究は、毛細血管、唾液腺、乳腺などの細い管腔が中心であり、臓器のような大型の管腔構造の全体像を1細胞レベルから体系的に理解する研究は全く行われてきませんでした。

気管は空気を肺に導く通り道であり、ヒト(成人)ではおよそ長さ13cm、直径2cmの内腔を持つ大型管腔へ成長します。管腔の形状が呼吸効率に直接影響することが知られており、主に内腔を覆う「上皮組織」とそれを支える馬蹄型の「軟骨組織」、管径を収縮させる「平滑筋組織」により構造が保たれています(図1)。気管は腸管などの管腔と比べ、ひだがなく、シンプルな直管構造をしています。共同研究チームは、気管が大型管腔の研究モデルに適していると考え、マウスの発生過程での気管形成を詳しく調べました。

研究手法と成果

共同研究チームは気管の形成過程を統合的に理解するため、まず、一つ一つの細胞形態を検出する解像度で、マウス胎児の気管が成長するプロセスを包括的に定量解析しました。その結果、気管は前期(胎生10.5日~14.5日)と後期(胎生14.5日~18.5日)で、異なる様式で成長していることが分かりました。すなわち、初めに長さ方向に伸長し、追いかけるように直径が拡大するという段階的な発生過程で管腔が作られていたのです(図2)。

続いて、マイクロCT[10]と呼ばれる超高感度の3次元定量測定装置で検査したところ、やはり発生後期で大きく内腔が広がっていることが示されました。個々の細胞の形態と増殖を調べてみると、後期における内腔拡大は上皮細胞の形態変化、配列再編成が主な要因であり、細胞増殖の貢献は小さいことが分かりました(図3)。

ここまでの解析結果から、共同研究チームは前期の気管伸長のメカニズムと、後期の気管拡大、上皮細胞再編成のメカニズムの解明に焦点を当てることにしました。

まず、気管形成前期の気管伸長のメカニズムを解明するため、気管形成の異常が報告されている遺伝子変異マウスを探したところ、分泌タンパク質であるWnt5aとその受容体であるRor2の変異マウスでは、気管が短いことを発見しました(図4左)。そこで、気管の発生過程におけるWnt5aおよびRor2の遺伝子発現パターンを調べたところ、いずれも上皮組織ではなく「間充織」、特に平滑筋細胞とその前駆細胞に発現することが分かりました。さらに、平滑筋の組織構造を解析したところ、正常であれば円周方向に秩序正しく配列する平滑筋細胞が、遺伝子変異マウスでは無秩序に配置されて収縮運動ができないことが分かりました(図4右)。

次に、変異マウスで見られた平滑筋の異常が平滑筋細胞のどのような性質に由来するかを詳しく解析したところ、正常な平滑筋の前駆細胞は、初めはばらばらだった細胞極性がやがて同調し、上皮(内腔側)に向かって整列することを突き止めました(図5b)。一方、Wnt5aまたはRor2遺伝子の変異マウスでは平滑筋細胞の極性化が起きず、整列は見られなくなりました(図5c)。

気管の内腔に向かってそろった細胞極性は今回新たに発見されたため、共同研究チームはこの同調極性パターンを「放射状細胞極性(Radial cell polarity)」と名付けました。さらに、放射状細胞極性の役割は細胞を整列させるだけではなく、平滑筋前駆細胞を上皮直下まで移動させることと、細胞同士が円周方向に連結するために必要であることも判明しました。これらの結果は、間充織細胞が秩序をもって集合、整列することで気管が延びることを示します。

さらに、マウスの食道の発生過程についても同様に解析し、やはり放射状細胞極性によって食道の長さが制御されていることが分かりました。すなわち、間充織の細胞極性の同調化という共通のメカニズムを介して、気管と食道が伸長していることが示されました。

なお、平滑筋細胞の極性を制御することによって気管の長さが調節されるメカニズムは、森本チームリーダーと岸本研究員も参加した、マックスプランク研究所(ドイツ)ディディエ・ステイナー教授らによるマウスの遺伝学的解析によっても示され、この成果は『Nature Communications』誌で同時に報告されました注1)

注1) The potassium channel KCNJ13 is essential for smooth muscle cytoskeletal organization during mouse tracheal tubulogenesis, Wenguang Yin, Hyun-Taek Kim, Sheng Peng Wang, Felix Gunawan, Lei Wang, Keishi Kishimoto, Hua Zhong, Dany Roman, Jens Preussner, Stefan Guenther, Viola Graef, Carmen Buettner, Beate Grohmann, Mario Looso, Mitsuru Morimoto, Graeme Mardon, Stefan Offermanns, and Didier Stainier, Nature Communications, 2018 Jul 19;9(1):2815

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