Mathematical and Mechanical principles of the formation of three-dimensional shapes in multicellular tissues

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Discovery of the logic that establishes the 3D structure of organisms
• Project/Area Number: 15H05861
• 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: Inoue Yasuhiro 京都大学, 工学研究科, 教授 (80442929)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Keywords: 形態形成 / 上皮組織 / 多細胞力学 / 数理モデル / シミュレーション / 計算力学

Outline of Final Research Achievements

In tissue morphogenesis, individual cells generate forces that exert on other cells. Tissue deformations are driven by those forces. In this study, to understand the dynamics of epithelial morphogenesis, we developed a mathematical model (3D vertex model) that captures cell mechanical behaviors and applied it to the analysis of the morphogenesis. We reveal that there is a mechanical role to proceed morphogenesis robustly in response to mechanical perturbations, a mechanism by which 3D formation of epithelial tissue arises from spatial pattern of gene expression at multicellular level, and a mechanism by which epithelial tissue folds spontaneously. Through these studies, we proposed the importance of understanding mechanics at the cellular level, and greatly developed mechanics on morphogenesis as an academic discipline.

Free Research Field

計算生体力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生物の形ができる原理の解明は基礎生物学の最重要課題の一つである。この課題では、３Ｄの形態形成を扱うため、形の変化を記述する力学の観点から発生現象を捉える必要があったが、その理論的手法は確立していなかった。本研究では、細胞個々の力学を３Ｄで捉える手法として、３Ｄバーテックスモデルを確立し、実際の発生現象の解析に応用することで、これまで、遺伝子発現レベルの場の区分け（２Ｄ情報）からは読み取れなかった形態形成の力学的な因果関係を明らかにした。これまで、物理学や機械工学の範疇と考えられていた力学を、基礎生物学の領域に展開したことにより、形態形成の仕組みに関して、新たな理解が得られるようになった。