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細胞のターニング応答に関する数理動態解析から網羅的解析へのアプローチ

Publicly Offered Research

Project AreaIntegrative understanding of biological signaling networks based on mathematical science
Project/Area Number 17H05992
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

澤井 哲  東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (20500367)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥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数理モデル / 適応応答 / ターニング / 走化性 / 免疫細胞 / 細胞運動
Outline of Annual Research Achievements

細胞運動のモデル生物種である細胞性粘菌や好中球様HL60細胞の研究進展から、Ras, Racなどの低分子量Gタンパクなどの走化性シグナルの実態の理解が進んでいる中、これらの細胞内シグナルと細胞動態の関係は複雑であり、その因果の理解には、数理モデル解析と実験解析との深い連携が必須である。本研究では、受容体直下のCdc42, Rac, Ras, PI3Kなどの因子が、刺激変化の時定数や濃度レンジの情報を選択的にかつ時間順序をもって伝え、細胞のターニング行動がどのように実現しているか、マイクロ流体デバイスを用いた刺激の時空間制御とライブセル測定解析をおこなった。特に2年度は、実際の顕微鏡データの解析と、コアネットワークを数理モデルで定式化した解析との比較のため、機械学習による特徴量抽出をおこない、形状パターンと運動パターンとの対応関係を調べた。具体的には、ターニング様式の違いの基盤にあると考えられる極性の強さ、ならびに仮足形成の頻度とその空間的なバイアスに注目し、その違いをもっとも顕著に表していると考えられる3つの細胞腫として、細胞性粘菌、好中球、魚ケラトサイトに注目した。これらのスナップショットデータを移動方向の向きと細胞サイズをそろえたマスク画像として規格化し、畳み込みによる深層学習によって、これら3種の細胞に類型的な3つの細胞形状を分類させた。この過程で得られた特徴量パラメータを、フェーズフィールド法を用いて定式化した数理モデルの数値計算結果の解析に用いた。モデルは、代表者らのこれまで解析してきたモデルに、Rho-GTPの状態遷移に関わる反応を組み込んだものを採用した。特徴量空間による比較による、モデルパラメータ選定により、典型的な細胞形態とその運動様式の違いの対応を明らかにした。

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。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (37 results)

All 2019 2018 2017

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (35 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 12 results)

  • [Journal Article] Tissue self-organization based on collective cell migration by contact activation of locomotion and chemotaxis2019

    • Author(s)
      Fujimori Taihei、Nakajima Akihiko、Shimada Nao、Sawai Satoshi
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences USA

      Volume: 116 Issue: 10 Pages: 4291-4296

    • DOI

      10.1073/pnas.1815063116

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fold-change detection and scale-invariance of cell-cell signaling in social amoeba2017

    • Author(s)
      Kamino, K, Kondo, Y., Nakajima, A., Honda-Kitahara M., Kaneko, K., Sawai S.
    • Journal Title

      Proc. Nat. Acad. Sci. USA

      Volume: 114 Issue: 21

    • DOI

      10.1073/pnas.1702181114

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] A machine learning and dynamical modeling approach to morphology landscape of migrating cells2019

    • Author(s)
      澤井 哲
    • Organizer
      1st International symposium on Interdisciplinary Approaches to Integrative Understanding of Biological Signaling Networks
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Search strategy in fast-migrating cells: direction sensing, memory, and polarity2019

    • Author(s)
      中島昭彦
    • Organizer
      Reinforcement Learning & Biological Intelligence: Learning from biology
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    • Invited
  • [Presentation] 強い基質接着条件で現れる細胞性粘菌の扇形移動形態の解析2019

    • Author(s)
      本田玄
    • Organizer
      定量生物の会第9回年会
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  • [Presentation] 変動する誘引分子濃度勾配に対する好中球様HL60細胞の走化性の定量的解析2019

    • Author(s)
      石田元彦
    • Organizer
      定量生物の会第9回年会
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  • [Presentation] 深層学習による細胞運動の形状解析2019

    • Author(s)
      井元大輔、斉藤稔、澤井 哲
    • Organizer
      2019年電子情報通信学会総合大会
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  • [Presentation] 接触誘導型の追従運動と走化性の2つの集団運動による自己組織化2018

    • Author(s)
      澤井 哲
    • Organizer
      第41回日本分子生物学会年会ワークショップ「生物における自発的秩序形成」
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  • [Presentation] 反応拡散とフェイズフィールドから理解する細胞変形と集団ダイナミクス2018

    • Author(s)
      澤井 哲
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会シンポジウム 「いきた形の新規生成に挑む、理論モルフォダイナミクス " Theoretical morphodynamics - towards understanding emerging shapes of life"」
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    • Invited
  • [Presentation] 細胞性粘菌にみるアメーバ界の多細胞性2018

    • Author(s)
      澤井 哲
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      東京大学大学院農学生命科学研究科 微生物潜在機能探索(発酵研究所)寄付講座 最終報告会および記念講演会「関わりあう微生物」
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  • [Presentation] やわらかさと複雑さから考える生物普遍性2018

    • Author(s)
      澤井 哲
    • Organizer
      日本哲学会第77回大会 学協会シンポジウム「生命とは何か?」
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    • Invited
  • [Presentation] Cell-size dependent polarity dynamics revealed by high-throughput imaging and machine learning analysis2018

    • Author(s)
      中島昭彦、石田元彦、藤森大平、澤井 哲
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] Phase-field modeling of complex cell deformation and multi-celllular motion2018

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      Daisuke Imoto, Nen Saito, Satoshi Sawai
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] Exploring the basic law that determines the shape of fast moving cells2018

    • Author(s)
      本田玄
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] Optgenetic analysis of small GTPases in cell migration2018

    • Author(s)
      島田奈央、藤城美奈、澤井 哲
    • Organizer
      日本細胞性粘菌学会第8回例会山口大会
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  • [Presentation] 細胞サイズ依存的な細胞極性動態2018

    • Author(s)
      中島昭彦、水沼周子、藤森大平、石田元彦、澤井哲
    • Organizer
      日本細胞性粘菌学会第8回例会山口大会
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  • [Presentation] 強い基質接着条件で現れる扇形移動形態の解析2018

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      本田玄、澤井 哲
    • Organizer
      日本細胞性粘菌学会第8回例会山口大会
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  • [Presentation] A cell-size dependent polarity mechanism revealed by high-throughput imaging analysis of migrating cells2018

    • Author(s)
      中島昭彦、石田元彦、松本朱加、澤井 哲
    • Organizer
      第70回細胞生物学会・第51回発生生物学会 合同年会
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  • [Presentation] 動く細胞の情報処理特性の理解に向けて2018

    • Author(s)
      澤井 哲
    • Organizer
      自然科学研究機構新分野創成センターシンポジウム「分野横断・分野融合研究による生命創成を探究する新しい科学の創成」
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      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] フェイズフィールドから読み解く細胞変形ダイナミクス2018

    • Author(s)
      澤井 哲
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会・新学術領域ゆらぎと構造の協奏共催シンポジウム
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      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 細胞性粘菌の集団運動を表現するフェーズフィールドモデルの構築に向けて2018

    • Author(s)
      井元大輔、斉藤稔、澤井哲
    • Organizer
      軽井沢グラフと解析研究集会
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  • [Presentation] 変動する誘引物質濃度勾配への好中球様HL60細胞の追従性能の解析2018

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      石田元彦
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      新学術領域「数理シグナル」第2回公開シンポジウム 若手研究交流会
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  • [Presentation] フェーズフィールド法シミュレーションによる細胞のはいまわり運動2018

    • Author(s)
      井元大輔、斉藤稔、澤井哲
    • Organizer
      第7回日本生物物理学会関東支部会
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  • [Presentation] 基質表面の三次元形状によって方向づけられるアクチン波の伝播と細胞移動の生細胞画像解析2018

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      本田玄、中島昭彦、澤井哲
    • Organizer
      第7回日本生物物理学会関東支部会
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  • [Presentation] 細胞性粘菌アメーバのcAMP勾配反転に対する細胞極性の制御2018

    • Author(s)
      入江陽一
    • Organizer
      第7回日本生物物理学会関東支部会
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  • [Presentation] Spatio-temporal constraints on cellular sensing: what it means for universal biology2017

    • Author(s)
      Satoshi Sawai
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      International Symposium of the origin of life ? synergy among the RNA: protein and lipid worlds
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Phase-field Simulations of Multi-cellular Rotational Motion(ポスター賞受賞)2017

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      Daisuke Imoto, Nen Saito, Satoshi Sawai
    • Organizer
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium
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  • [Presentation] 細胞性粘菌の細胞ダイナミクス:振動、波、走化性2017

    • Author(s)
      澤井 哲
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      明治大学先端数理科学インスティチュート(MIMS)現象数理学拠点共同集会「時空間ダイナミクス~生命現象における時間変化を伴う空間秩序~」
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  • [Presentation] 反応拡散とフェイズフィールドから読み解く細胞の変形ダイナミクス2017

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      澤井 哲
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      第11回物性科学領域横断研究会(領域合同研究会)
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  • [Presentation] 走化性細胞遊走の時空間情報処理特性2017

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      中島昭彦
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  • [Presentation] 進行波刺激に対するHL60細胞の応答解析2017

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      石田元彦
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  • [Presentation] 動的な誘引場における好中球様HL60細胞の走化性解析2017

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      石田元彦
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      新学術領域「数理シグナル」第1回若手ワークショップ
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  • [Presentation] Chemotactic analysis of neutrophil-like HL60 cells based on cells persistent polarity and immediate responsiveness to chemoattractant2017

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      石田元彦
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      第55回日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] Actin waves and cell polarity regulated by substrate geometry2017

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      本田玄、中島昭彦、澤井哲
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  • [Presentation] Small GTPase F-actin and cell morphology dynamics in migrating cells under well-defined noisy chemoattractant gradients2017

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      入江陽一
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  • [Presentation] フェーズフィールド法による細胞性粘菌の形と運動のシミュレーション2017

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      井元大輔、斉藤稔、澤井哲
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  • [Presentation] cAMP勾配反転に伴う向き直り様式と低分子量GTPase動態の濃度変化依存性2017

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      入江陽一
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Published: 2017-04-28   Modified: 2023-12-25  

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