| Project/Area Number |
19H01805
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 12040:Applied mathematics and statistics-related
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| Research Institution | Kyoto University (2020-2023)
Hiroshima University (2019) |
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Principal Investigator |
李 聖林 京都大学, 高等研究院, 教授 (50620069)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 暁 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 教授 (10365447)
栄 伸一郎 北海道大学, 理学研究院, 教授 (30201362)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 細胞極性 / 非対称分裂 / フェーズフィルドモデリング / 反応拡散系 / パターン形成 / 極性形成 / 初期発生 / 非対称細胞分裂 / 細胞の配列 / 反応拡散方程式 / 数理モデリング |
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| Outline of Research at the Start |
非対称細胞分裂は初期発生において細胞の多様化を生み出すもっとも重要な仕組みの一つである。注目すべきは細胞分裂の前に母細胞が自ら持つタンパク質を左右非対称に分布させる極性形成が、非対称細胞分裂全体のプロセスを左右する中枢的な役割を果たすことである。本研究では細胞という空間要素を考えずに分子の動態のみに注目してきた従来の局所的なアプローチから完全に離れ、細胞の高次元の形と細胞分裂の動的ダイナミクスおよび細胞間の相互作用（位置関係）を考慮した上で分子の動態を時空間的に考察できる大域的数理モデリングの開発に挑戦し、新しい極性形成の数理理論の創出および細胞の多様化の仕組みを統合的に解明することを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、非対称細胞分裂における極性形成および初期発生の仕組みを卵割全体のプロセスの中で統合的に捉えられる数理モデルを構築し、 非対称分裂の仕組みを解明すると共に初期発生分化の数学的構造の解明および生物実験への検証を通じて細胞の多様化を制御する普遍的な仕組みを創出することである。また、このモデル化を一般化式で表すことで、特定の細胞極性形成の現象のみならず 、細胞および細胞内外の生体分子の相互作用に基づいている発生現象の様々な問題に応用することが可能である。
本年度の研究では細胞膜と細胞質内での極性の仕組みを解明し数学的構造の解明、さらに4細胞期の初期発生で起きる細胞配列の仕組み において細胞殻の幾何学的性質が極めて重要であることを数理と実験の融合で示した。その結果は今までの生物的知見で発見できなかった新た な仕組みを提案したことで高く評価され、実験系の専門誌DevelopmentにおいてEditor's short listにも選ばれた。また、数理モデリング の新しい手法としてMulti-phase-field法を用いて実際の細胞の形を実験の画像データから反映できるCell morphology modelを新たに構築した。
さらに、Cell morphology modelモデルを3次元に拡張し、４細胞期以上の多細胞における数理モデルの基本枠組みの構築にも成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では非対称細胞分裂の全体的枠組みを捉えられる大域的数理モデルを構築することを重要な目的としている。そのため、単細胞だけではなく、複数の細胞 の形を詳細記述し、細胞同士の相互作用を含む数理モデルの構築が必要不可欠である。その数理モデルの基本型となる数理モデルの構築に成功し、さらに、実際の細胞の形をPhase-field法に融合する数理的手法を開発した。またさらにその数理モデリングのツールを発展させ、in silico実験のツールの実装化を目指して研究が進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験的事前処理を行わない一番簡便な実験の画像を用いて実際の実験環境に最も近い条件で数理実験が可能はツールの構築のために、最新の機械学習法と数理モデリングを融合した手法を開発する予定で、その研究計画を３段階で分けて進める予定である。
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