人工遺伝子回路を用いた細胞パターン形成機構の構成的理解

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本研究では、反応拡散機構で哺乳類培養細胞上に空間パターンを作ることを目指して、Nodal-Leftyシグナルの反応拡散系を単純化した人工遺伝子回路をHEK293細胞上に作製した。この人工遺伝子回路は、Nodal（アクチベーター）、Lefty（インヒビター）、Co-receptor、下流の転写因子、ルシフェラーゼレポーター、という５つの遺伝子部品から成っており、いわゆるアクチベーター・インヒビター型の反応拡散回路になっている。この人工遺伝子回路を組み込んだ細胞では、レポーター陽性ドメインと陰性ドメインから成るパターンが自発的に形成され、維持される様子が観察できた。そこでこのパターン形成の機構を調べるため、NodalとLeftyの細胞外分布を測定したところ、Nodalの細胞外分布は、Leftyにくらべて３分の１程度と非常に狭いことがわかった。これは、Nodalタンパク質内のFinger1と呼ばれるドメインのせいだとわかった。実際、NodalのFinger1ドメインをLeftyに移植すると、Leftyの分布が狭くなり、パターン形成も阻害された。さらに、実測・推定した生化学パラメーターを用いて数理モデルを構築し、パターン形成の条件を考察した。以上の結果は、世界初の哺乳類細胞における人工反応拡散パターンの作成例と言え、これらの成果は2018年12月にNature Communications誌上で発表した(Sekine et al, Nat Commun, 9, 5456, 2018)。