Development of a new force inference method for cell competition studies

• Project Area: Cell competition: a mechanism for survival of the fittest in the multi-cellular community
• Project/Area Number: 17H05617
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 杉村 薫 京都大学, 高等研究院, 特定拠点准教授 (50466033)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2018: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2017: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 細胞競合 / 力学 / ベイズ推定 / 力 / 形態形成 / ショウジョウバエ / ベイズ統計学 / ベイズ統計 / ガン / 数値計算 / 上皮

Outline of Annual Research Achievements

細胞競合は、細胞の適応度の差を認識してより高い質の細胞を選別する、多細胞生物の発生・維持に必須の過程である。ここ数年で、分泌性因子などを介した化学的相互作用に加えて、力学的相互作用が細胞競合に必須の役割を果たすことが示唆されつつある。しかしながら、細胞競合過程における力の時空間動態の定量化が技術的に難しいことから、既存研究の多くは、細胞競合と力の関連性を示すにとどまっている。
本研究ではこれまでに、細胞競合のwinnerとloserが力学的に異なる特性を持ちうるという事前分布を導入することで、細胞競合解析に最適化された力のベイズ推定法を定式化し、さらに、数値データを用いた解析から、新規手法では推定の正確性が向上していることを確認していた。
2018年度と2019年度は、開発した力推定法を上皮細胞競合の実験データに適用し、手法の生体内評価および上皮細胞競合の力学の解析を実施した。まず、ショウジョウバエ背板上皮のRasV12クローンでは、クローン内部と比べて境界面で細胞接着面の張力が高まるという過去の論文 (Bosveld et al. Development, 2016) と整合的な結果を得た。つづいて、新学術細胞競合領域公募班メンバーである、生理学研究所古瀬研究室大谷哲久助教との共同研究により、ZO-1/ZO-2ダブルノックアウト哺乳類培養上皮細胞の細胞競合を解析した。その結果、クローン境界部で細胞接着面張力が高まり、クローン内部で弱まることが明らかになった。細胞競合解析に最適化された力のベイズ推定法の有用性が示唆されたので、今後も共同研究を通じて、幅広い細胞競合現象の力学過程の解析に取り組んでいく予定である。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スルボンヌ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] ソルボンヌ大学(フランス)
• [Journal Article] Multi-scale Integration of Forces during Morphogenesis: Quantification and Mechanical Modeling Approaches (2020)
  • Author(s): 石原秀至
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 60 Issue: 1 Pages: 037-043
  • DOI: 10.2142/biophys.60.037
  • NAID: 130007790184
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 特集 メカノバイオロジー Ⅳ.生体構造の力学モデリングとシミュレーション 細胞と組織をつなぐ新しいクラスの連続体モデル (2019)
  • Author(s): 杉村 薫, 石原 秀至
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 70 Issue: 4 Pages: 333-338
  • DOI: 10.11477/mf.2425201009
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2019-08-15
• [Journal Article] AIP1 and cofilin ensure a resistance to tissue tension and promote directional cell rearrangement. (2018)
  • Author(s): Keisuke Ikawa and Kaoru Sugimura.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 329-329
  • DOI: 10.1038/s41467-018-05605-7
  • NAID: 120006517892
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Difference in Dachsous levels between migrating cells coordinates the direction of collective cell migration. (2017)
  • Author(s): Masaki Arata, Kaoru Sugimura, and Tadashi Uemura.
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 42 Issue: 5 Pages: 479-497
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2017.08.001
  • NAID: 120006345030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] From cells to tissue: A continuum model of epithelial mechanics, (2017)
  • Author(s): Shuji Ishihara, Philippe Marcq, Kaoru Sugimura
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 96 Issue: 2 Pages: 022418-022418
  • DOI: 10.1103/physreve.96.022418
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A mechanical model for diversified insect wing margin shapes (2017)
  • Author(s): Ishimoto Yukitaka、Sugimura Kaoru
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology Volume: 427 Pages: 17-27
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2017.05.026
  • NAID: 130007410951
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 定量生物学における力学計測・モデリングの基礎 (2019)
  • Author(s): 杉村薫、石原秀至
  • Organizer: 定量生物学の会第九回年会
  • Invited
• [Presentation] 成長する上皮組織の連続体モデル解析 (2019)
  • Author(s): 杉村薫、Philippe Marcq, 石原秀至
  • Organizer: 定量生物学の会第九回年会
• [Presentation] The mechanics of nature behind the multicellular tissue structure (2019)
  • Author(s): Kaoru Sugimura
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Quantifying and modelling epithelial morphogenesis (2018)
  • Author(s): Kaoru Sugimura, Philippe Marcq, Shuji Ishihara
  • Organizer: iCeMS-iTHEMS Joint Workshop on Interdisciplinary Biology
  • Invited
• [Presentation] Quantifying and modelling epithelial morphogenesis (2018)
  • Author(s): Kaoru Sugimura, Philippe Marcq, Shuji Ishihara
  • Organizer: The Joint Meeting of the Society for Mathematical Biology and the Japanese Society for Mathematical Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 数理と実験で解き明かす生体組織の成長メカニズム (2018)
  • Author(s): 杉村薫、石原秀至
  • Organizer: 理化学研究所数理創造プログラム特別講演会
  • Invited
• [Presentation] Quantifying and modelling epithelial morphogenesis. (2017)
  • Author(s): Kaoru Sugimura, Philippe Marcq, Shuji Ishihara.
  • Organizer: iCeMS-iTHEMS Joint Workshop on Interdisciplinary Biolog
  • Invited
• [Presentation] Quantifying and modelling epithelial morphogenesis. (2017)
  • Author(s): Kaoru Sugimura, Philippe Marcq, Shuji Ishihara.
  • Organizer: The Joint Meeting of the Society for Mathematical Biology and the Japanese Society for Mathematical Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 数理と実験で解き明かす生体組織の成長メカニズム. (2017)
  • Author(s): 杉村薫、石原秀至.
  • Organizer: 理化学研究所数理創造プログラム特別講演会
  • Invited
• [Presentation] 定量生物学における力学計測・モデリングの基礎. (2017)
  • Author(s): 杉村薫、石原秀至.
  • Organizer: 定量生物学の会第九回年会
  • Invited
• [Presentation] 成長する上皮組織の連続体モデル解析. (2017)
  • Author(s): 杉村薫、Philippe Marcq, 石原秀至.
  • Organizer: 定量生物学の会第九回年会
• [Book] 小林徹也(編) 定量生物学 第7章 組織の力・応力の定量生物学 (2018)
  • Author(s): 杉村 薫, 石原 秀至.
  • Total Pages: 290
  • Publisher: 化学同人]
  • ISBN: 9784759817300
• [Remarks] 京都大学高等研究院物質-細胞統合システム拠点杉村グループウェブサイト
  • URL: http://www.koolau.info/
• [Remarks] 京都大学高等研究院物質－細胞統合システム拠点杉村グループウェブサイト
  • URL: http://www.koolau.info/