細胞内環境が内膜系の３D形態を生み出すロジック

• Project Area: Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms
• Project/Area Number: 16H01454
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 立川 正志 国立研究開発法人理化学研究所, 望月理論生物学研究室, 研究員 (30556882)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2017: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2016: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 生物物理 / 細胞 / オルガネラ / 細胞・組織

Outline of Annual Research Achievements

ゴルジ体形成モデルのシミュレーションに関する成果、細胞膜構造の超解像顕微鏡画像解析に関する成果を論文誌に発表した。
前年度に引き続き、膜とブラウン粒子の相互作用系におけるブラウン粒子依存的な膜のチューブ状形態変化に関してシミュレーションによる定量的な解析を進め、ブラウン粒子の配置エントロピーと膜形態のエントロピーが、全体の形態にどのような影響を及ぼすか調べた。
ミトコンドリア・クリステの形態の制御機構を理解するために、閉鎖空間での生体膜の振舞について調べた。これまでに作成した生体膜シミュレーターに、空間的な領域を制限する境界条件を導入し、空間が有限であることや膜同士が込み合う環境は、膜形態にどのような影響を及ぼすか調べた。ミトコンドリア・クリステは主に平板形態とチューブ形態を持つが、前年度から研究の継続によりこの二形態が共存しうる双安定な形態であること、形態の持つエントロピーがその安定性に寄与することが分かっている。空間の制限は形態のバリエーションの制限につながり、形態エントロピーをコントロールする境界条件となることが期待される。本研究のシミュレーションにより、空間のサイズと内部での膜密度を変えることにより、安定状態が平板からチューブへ（空間サイズを低下させた場合）、チューブから平板へ（膜密度を上昇した場合）の遷移が起きることを示した。前者は空間が狭くなり並進移動のエントロピーが制限された状況を、変形により形態エントロピーを増加させることで補っていると考えられ、後者は逆に平板化することで層構造をつくり並進エントロピーを増加していると考えられる。この遷移は、ミトコンドリア・クリステの形態が、ミトコンドリアの外形の変化を通してどのようにコントロールされるかの物理メカニズムの一端を示していると考えられる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Golgi apparatus self-organizes into the characteristic shape via postmitotic reassembly dynamics (2017)
  • Author(s): Tachikawa Masashi、Mochizuki Atsushi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 114 Issue: 20 Pages: 5177-5182
  • DOI: 10.1073/pnas.1619264114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Measurement of caveolin-1 densities in the cell membrane for quantification of caveolar deformation after exposure to hypotonic membrane tension. (2017)
  • Author(s): Tachikawa M, Morone N, Senju Y, Sugiura T, Hanawa-Suetsugu K, Mochizuki A, Suetsugu S.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1038/s41598-017-08259-5
  • NAID: 120006818692
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Controlling segregation speed of entangled polymers by the shapes: A simple model for eukaryotic chromosome segregation (2016)
  • Author(s): Yuji Sakai, Masashi Tachikawa, and Atsushi Mochizuki
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 94 Issue: 4 Pages: 042403-042403
  • DOI: 10.1103/physreve.94.042403
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Biophysical simulation of Golgi formation process (2018)
  • Author(s): Masashi Tachikawa
  • Organizer: International Workshop on Mathematical Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 物理モデルから探るオルガネラの形とサイズ (2017)
  • Author(s): 立川正志
  • Organizer: ２０１７年度生命科学系学会合同年次大会
  • Invited
• [Presentation] ゴルジ体再集合過程における層数制御機構 (2017)
  • Author(s): 立川正志
  • Organizer: 第６９回日本細胞生物学会年会
• [Presentation] Visualizing virtual Golgi dynamics by physical model simulation (2017)
  • Author(s): Masashi Tachikawa
  • Organizer: EMBL Symposium “Seeing is Believing”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Accumulation of cargo proteins can physically trigger vesiculation in membrane trafficking system (2016)
  • Author(s): 立川正志
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Cargo accumulation can physically trigger membrane trafficking (2016)
  • Author(s): 立川正志
  • Organizer: The 2016 (26th) annual meeting of the Japanese Society for Mathematical Biology
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2016-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ゴルジ体形成過程の再現
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2017/20170502_1/
• [Remarks] Building a virtual organelle
  • URL: http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/20170013/