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Tissue size control with synthetic cell-cell signaling

Research Project

Project/Area Number 20K15828
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 44040:Morphology and anatomical structure-related
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

Toda Satoshi  金沢大学, ナノ生命科学研究所, 助教 (20738835)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords合成生物学 / 細胞間コミュニケーション / モルフォゲン / パターン形成 / 細胞増殖 / 組織恒常性 / 組織サイズ
Outline of Research at the Start

細胞増殖の分子機構は盛んに研究されてきたが、組織内の個々の細胞の増殖が全体として細胞集団のサイズをどのように制御するかについては不明である。本研究では、細胞どうしが互いの増殖を制御する細胞間コミュニケーションを一から構築して、サイズを自己制御する人工組織を形成することを目指す。さらに、細胞増殖を制御する細胞間コミュニケーションにおいて、フィードバック回路の構築とパラメーターの操作解析を行うことで、細胞集団が頑強に組織サイズを維持するための十分条件を解明する。

Outline of Final Research Achievements

To test how cell-cell communications generate and maintain multicellular structures, we constructed an original model system where green fluorescent protein (GFP) works as an artificial intercellular signaling molecule. In this system, a cell secretes GFP and another cell binds secreted GFP to the cell surface with a synthetic receptor to induce target gene expression. By introducing this system into cultured cells, we artificially reconstructed a signal gradient formation in the population of GFP-receiving cells, suggesting that we successfully made GFP function like a morphogen, a diffusible cell-cell signaling molecule. Using this synthetic morphogen model, we explored the basic principles to regulate multicellular dynamics by manipulating model parameters such as an expression level of synthetic receptors and cellular responses such as feedback circuits and cell proliferation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体組織内におけるシグナル分子の分布や個々の細胞の状態をすべて把握することは困難であるため、本研究では、培養皿上でシグナル分子が細胞動態を制御する仕組みそのものを再構成し、細胞集団が自律的に多細胞組織を形成・維持する原理を解析した。細胞間シグナルを人工構築する技術は、細胞の分化を空間的に制御して人工組織を構築する組織工学分野や、体内の必要な場所へ細胞を送り込む細胞医薬開発への応用が期待される。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 細胞分化パターンの操作を可能とする人工モルフォゲンシステムの開発2021

    • Author(s)
      戸田 聡, Wendell A. Lim
    • Journal Title

      実験医学

      Volume: 39 Pages: 939-942

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] 人工モルフォゲンによる多細胞パターンのデザイン2021

    • Author(s)
      水野 皓介, 戸田 聡
    • Journal Title

      月刊「細胞」

      Volume: 53 Pages: 54-57

    • NAID

      40022696354

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning2020

    • Author(s)
      Toda Satoshi、McKeithan Wesley L.、Hakkinen Teemu J.、Lopez Pilar、Klein Ophir D.、Lim Wendell A.
    • Journal Title

      Science

      Volume: 370 Issue: 6514 Pages: 327-331

    • DOI

      10.1126/science.abc0033

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Synthetic tissue engineering: Programming multicellular self-organization by designing customized cell-cell communication2020

    • Author(s)
      Toda Satoshi
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 17 Issue: 0 Pages: 42-50

    • DOI

      10.2142/biophysico.BSJ-2020002

    • NAID

      130007872428

    • ISSN
      2189-4779
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 人工受容体技術を用いた細胞医薬のデザイン2020

    • Author(s)
      戸田聡
    • Journal Title

      実験医学増刊

      Volume: 38 Pages: 85-91

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 細胞間コミュニケーションの操作による多細胞組織のデザイン2022

    • Author(s)
      戸田 聡
    • Organizer
      大阪大学先導的学際研究機構生命医科学融合フロンティア研究部門シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 細胞間コミュニケーションの設計による多細胞パターンのデザイン2022

    • Author(s)
      戸田 聡
    • Organizer
      第3回東京理科大学合成生物学研究部門シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Programming Multicellular Pattern Formation with Synthetic Cell-cell Signaling2022

    • Author(s)
      戸田 聡
    • Organizer
      The SPIRITS International Symposium
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 細胞間コミュニケーションを設計して細胞に自律的にパターン形成させる2021

    • Author(s)
      戸田 聡
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 細胞間コミュニケーションの設計による多細胞パターンのデザイン2021

    • Author(s)
      戸田 聡
    • Organizer
      第4回和光-精神神経懇話会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Programming multicellular patterns with synthetic cell-cell signaling2021

    • Author(s)
      戸田 聡
    • Organizer
      20th HFSP AWARDEES MEETING
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning2021

    • Author(s)
      戸田聡
    • Organizer
      Wnt研究会2021
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      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 組織内位置情報の操作を可能とする人工モルフォゲンシステムの開発2020

    • Author(s)
      戸田聡
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] Biochemical and mechanical understanding of cadherin-based morphogenesis from molecular level to tissue macroscale2020

    • Author(s)
      Satoshi Toda
    • Organizer
      4th NanoLSI Symposium
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Remarks] 細胞分化パターンを人工的に設計できる細胞間シグナル伝達モデル「人工モルフォゲン」の開発に成功!

    • URL

      https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/achievements/achievements-13345/

    • Related Report
      2020 Research-status Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2023-01-30  

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