脳の形成において生じる分化の波 数理モデルを使って遺伝子ネットワークに隠された新しいメカニズムを発見

　九州大学大学院医学研究院の三浦岳教授、金沢大学新学術創成研究機構の佐藤純教授、北海道大学電子科学研究所の長山雅晴教授らの共同研究グループは、脳の形成過程において長距離性の情報伝達因子であるEGFと短距離性の情報伝達因子Notchの協調作用に注目し、数理モデリングを活用したコンピューターシミュレーションの結果を実験的に検証することによって、Notchの働きがEGF存在下では大きく変化することを見出しました。
　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。しかし、この両者が協調して働いた時にどのような効果を示すのか、通常の生命科学実験によって調べることは困難であり、ほとんど理解が進んでいませんでした。
　今回、EGFとNotchの協調作用を調べるにあたり、ショウジョウバエ脳の神経幹細胞形成過程において見られるProneural Waveと呼ばれる「分化の波」に注目しました。類似した分化の波は他の生物においても存在します。Notchの短距離作用が働いた場合、一般的にはいわゆるゴマシオパターンを形成しますが、Proneural Waveにおいてそのようなパターンは見られません。そこで、数理モデルに基づいたコンピューターシミュレーションを行ったところ、EGFの産生を減少させるとゴマシオパターンが現れることが予測されました。実際にEGFの産生量を減少させたところ、脳において明らかなゴマシオパターンが現れたことから、Proneural WaveにはNotchによる短距離性作用が確かに組み込まれており、EGFとの協調作用によって波の伝播速度を制御するという新たな役割を果たすことが明らかとなりました。EGFとNotchの協調作用は大脳皮質の形成過程における神経幹細胞の分化や、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ることから、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今後それら様々な生命現象の研究に対しても応用できると期待されます。
　本研究成果は、米国科学誌Proceedings of the National Academy of Sciencesのオンライン版で2016年8月17日に掲載されました。