2017 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms |
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| Project/Area Number |
15H05857
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
秋山 正和 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (10583908)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 形態形成 / 集団細胞遊走 / 細胞極性 / 数理モデリング / 三次元バーテックスダイナミクスモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
共同研究者の武田氏の観察実験により，ゼブラフィッシュの体節は２００個程度の細胞群から構成されており，それらが自発的に組織伸長を行うことが示されている．伸長方向は背腹軸方向であり，その際，細胞群は背腹軸に平行な軸を回転軸とするような回転運動を起こす．ここから，回転運動と伸長現象の因果関係に関して「伸長方向は回転運動から決定される」という仮説を提案した．しかしながら，これがどのような細胞運動機構により達成されているかは未だ明らかではない．一方，共同研究者の芳賀氏のin vitroシステムでは，細胞を特定の条件下で観察すると，細胞が自発的にクラスタを形成し回転運動を生ずる．現段階では，伸長は生じないものの，武田氏の運動機構解明のためのヒントが隠れていると推察されている．そこで今年度は，ゼブラフィッシュの体節形成の形態形成原理の解明に向けて，既存の2Dモデルを発展させる研究課題に重点的に取り組んだ．既存の2Dモデルでは，現在までに芳賀氏の回転運動様式を再現可能なだけでなく，細胞種を超えた幾つかの運動様式も再現することに成功している．一方で，上記のようなin vivo, in vitro系は3Dであり，既存のモデルでは本質的に現象を再現することができない可能性が生じていた．そこで今年度は特に２Dモデルを3Dモデルへと改良することを目標とした．
松野氏との腸管捻転では，昨年度までに３Dの腸管捻転モデルを構築した．そのモデルを用いて，細胞を変形させるような幾つかの仮定を試すことで，腸管捻転を引き起こす原因を研究した．
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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
既存の2Dモデルは，細胞の極性と力に関して構築された数理モデルであったが，極性の変数を3D空間に対応するように書き換え，さらに力に関しても3Dに値を取るように変更することができた．この変更により，今まで2Dで再現できた結果が消失することが懸念されたが，そのようなことも起こらず拡張に成功した．実際の体節では基底膜のような細胞群を取り囲む組織が存在し，これが細胞の運動に制約を与えている．そこで，拡張された3DモデルにもPhase Field法を用いて，そのような制約条件を与えることも同時に行った．その結果，走化性による凝集力を仮定しなくても，細胞群の回転運動を確認することができた．
ショウジョウバエ胚の後腸の捻転現象の研究では，前年度に構築したバーテックスモデルについて，ポテンシャル関数の汎関数微分を明示的に記述する方法論の整理を行い，実験データの解析およびバーテックスモデルの数値計算を行った．今年度は新たに得られたタイムラプスの実験データを解析することで，腸管全体が捻転する際に，個々の細胞が捻れるということが分かった．特に，個々の細胞の捻れる方向は一方向ではなく，時計回りないし反時計回りに捻れている細胞が混在していた．この結果から，個々の細胞を強制的に捻れる力をバーテックスモデルに導入し，ランダムに個々の細胞を捻る数値計算を行った．その結果として，時計回りないし反時計回りに捻れる細胞の多数派の影響によって腸管全体の捻転方向が決まることを示した．
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| Strategy for Future Research Activity |
3Dの体節モデルでは，細胞群の回転運動を確認することができた．この際，細胞群の回転は大きく分けて次の２つに分類できた．それぞれ（１）回転軸が固定し回転運動が持続もしくは反転するような運動モード，（２）回転軸が連続的に変化しつつ持続もしくは反転するような運動モードである．芳賀氏の系では，このどちらも観測することができており，本モデルの妥当性を確認することができた．研究により，これら２つの運動モードは，モデルのパラメータに依存せず，細胞群の初期形状が重要な働きを担っていることがわかりつつある．実際に，芳賀氏の系において，同じ培養環境で両方の運動モードが生じていることから，この考察が正しい場合は，細胞群の運動様式と形状の因果関係の一部が解明できることにつながるため，最優先課題として取り組む計画である．一方，現段階のモデルでは，回転運動までは示すものの，伸長まで起こすことはできていない．これは，in vitroでも同様である．数理モデルでは，初期の形状に小さな異方性を導入することで，回転軸を固定化可能であることがわかりつつあるので，それをヒントに，モデルを改良する予定である．具体的には，基底膜の形状を決めるPhase Fieldもしくは，運動そのものに異方性を導入することを検討している．
腸管捻転では，ランダムに個々の細胞を捻る数値計算を行ったところ，回転運動方向の多数派の影響によって腸管全体の捻転方向が決まることが示されたが，実際の系もそのような特徴を持つかどうかは不明である．そこで，実際の実験系のデータからこのような特徴をもつかどうかデータ解析を行うことを計画している．
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