Cell size heterogeneity controls crystallization of the developing fruit fly wing

技術的サマリー：発生中のショウジョウバエの翅における細胞サイズの不均一性が結晶化を制御する

問題提起
発生生物学における根本的な課題は、多数の細胞の集団的行動から、いかにして複雑な組織パターンや形状が出現するかを理解することである。これまでの研究により、昆虫の複眼小眼、脊椎動物の体節、およびハエの翅毛が規則的な配列を示すことは確立されているが、軟らかく変形可能な組織において、無秩序な細胞充填から秩序ある細胞充填への遷移を支配するメカニズムは未解明である。具体的には、発生中のショウジョウマエ (Drosophila melanogaster) の翅において、細胞充填は蛹化発生の過程で無秩序な状態から六方晶の結晶配列へと遷移する。従来の仮説では、大規模な組織せん断流がこの秩序化の主要な駆動力であると考えられていた。しかし、細胞サイズの不均一性（多分散性）が、この相転移を制御する役割を果たすかどうかは、体系的に定量化されたり、上皮力学の理論モデルに統合されたりしていなかった。

手法
著者らは、定量的ライブイメージング、機械的および遺伝的攪乱、計算機による頂点モデルを組み合わせたアプローチを採用した。

1. 実験的定量化: 蛍光標識された E-カドヘリンを用いたショウジョウバエの翅葉の広範囲なタイムラプス顕微鏡観察により、著者らは蛹化発生の 16 時間にわたり 5,000〜10,000 個の細胞を追跡した。組織の伸長に影響されない局所的な六方秩序（細胞ヘキティック、$\psi_6$）の堅牢な指標を開発した。これは、局所領域内の細胞中心位置に純せん断変形を適用して平均的な細胞伸長を除去し、その後にヘキティック秩序パラメータを計算する手順を含む。また、組織スケールの秩序を組織ヘキティック ($\langle \psi_6 \rangle$) として測定し、細胞面積の変動係数として細胞サイズ多分散性 ($\Delta$) を定量化した。
2. 攪乱実験: せん断流と細胞分裂の必要性を検証するため、著者らは以下の解析を行った：
   • 遠位部切除 (DA): 組織せん断流を低減させるため、翅の遠位縁をレーザーで切除。
   • 近位部切除 (PA): 機械的シグナルを乱すため、翅の近位部をレーザーで切除。
   • 遺伝子変異体: 細胞分裂を抑制する cdc2 変異体、せん断流を減少させる dumpy 変異体、および平面細胞極性 (PCP) 変異体。
3. 頂点モデル: 著者らは、細胞サイズ多分散性と能動的結合張力変動（オーンシュタイン・ウーレンベック過程としてモデル化）を組み込んだ上皮組織の頂点モデルを実装した。準静的緩和（相図の作成）と過減衰ダイナミクス（秩序化の動力学の検討）の両方をシミュレーションした。このモデルにより、多分散性 ($\Delta$) の制御とせん断ひずみの付与が可能であった。

主要な貢献と結果

• 局所秩序と大域秩序の脱結合: 本研究は、局所的な結晶子形成と組織スケールの配列との間に区別があることを明らかにした。野生型の翅では、局所的ヘキティック秩序 ($\langle |\psi_6| \rangle$) と組織ヘキティック秩序 ($|\langle \psi_6 \rangle|$) の両方が時間とともに増加する。しかし、せん断流が大幅に抑制される遠位部切除実験では、局所的ヘキティック秩序は依然として著しく増加する（結晶子が形成される）が、組織スケールの秩序は低いままである。これは、結晶化にはせん断は不要であるが、結晶子の配列には不可欠であることを示している。
• 制御パラメータとしての細胞サイズ多分散性: 著者らは、細胞サイズ多分散性が正常な翅の発生中に減少することを示した。重要なのは、多分散性の臨界閾値 ($\Delta \approx 0.2$) を同定した点である。$\Delta$ がこの閾値を下回ると局所的六方秩序が出現し、高いまま残ると組織は無秩序な状態のままとなる。
• 頂点モデルにおける相転移: シミュレーションは、細胞サイズ多分散性が融解転移を駆動することを確認した。臨界 $\Delta$ 以下では系は結晶状態に落ち着き、それ以上では系は無秩序（液体）となる。この転移は、2 次元融解の KTHNY 理論の特性を示し、転位欠陥と転折欠陥の順次結合解除を伴う。
• 動力学とせん断: 動的シミュレーションは、多分散性の低減が系を結晶相へと駆動するが、秩序化の動力学は遅いことを示した。組織せん断流は、局所的に秩序化した結晶子の配列を大幅に加速し、せん断抑制条件下と比較して野生型翅において組織スケールの秩序が急速に出現する理由を説明する。
• 細胞分裂の役割: 細胞分裂の抑制（cdc2 変異体による）は結晶化を防がないが、多分散性の低減のタイミングを変化させる。一方、近位部切除は多分散性の低減を妨げ、その結果、結晶化は起こらない。これは、分裂そのものではなく、多分散性の低減が秩序化の主要な駆動力であることを示唆している。

意義と主張
本論文は、発生中のショウジョウバエの翅における無秩序と秩序ある細胞充填間の遷移を支配する根本的な制御パラメータとして、細胞サイズの不均一性（多分散性によって定量化される）を同定したと主張する。

著者らは、組織せん断流は結晶化の「原因」ではない（結晶子はその欠如下でも形成される）が、これらの結晶子を配列させて組織スケールの秩序を達成するために重要な二次的な役割を果たすと論じる。時間の経過に伴う細胞サイズ多分散性の低減は、液体のような無秩序状態から固体のような結晶状態への相転移を引き起こす「急冷」として機能する。

この研究は、ハエの翅における秩序化の主要なメカニズムが組織せん断であるという支配的な見解に挑戦し、代わりに細胞サイズの均質化が結晶化の前提条件であると提案する。これらの知見は、特に多分散性の役割における粒子の結晶化の物理原理が、生物組織の形態形成を理解することに直接適用可能であることを示唆している。本研究は、成虫の翅毛の位置規則性は、蛹期における細胞サイズの不均一性の低減によって駆動されるこの結晶化過程の結果であると結論づけている。