2019 Fiscal Year Annual Research Report
器官立体構築原理をデータに基づく数理モデルによって解明する－心臓発生を例に
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17H01819
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
森下 喜弘 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (00404062)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 発生動態 / 理論生物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「我々人間を含む動物の形がどのように作られるか」という問題は、これまで膨大な数の研究論文の中で議論されてきたにもかかわらず、その機構の殆どが未解明のままである。器官立体構築原理の理解のためには、それを検証・予測するための定量的データ解析と数理モデルが不可欠である。本研究では具体的な生物対象として心臓形成過程を例に、実験データに基づく数理モデル（超弾性体モデルをベースとした体積成長・大変形を伴う非線形連続体力学モデル）を構築し、正常発生過程の再現、形態異常の予測を目指す。具体的には実験と理論の両側面から以下の研究課題に取り組み、これらをクリアすることで、最終的に、任意の器官形態形成研究へ応用可能な汎用性の高い解析基盤が整備されることとなる。
（課題１）心臓発生時（C-looping過程）における一部の細胞軌道データを取得し、微分幾何的定式化とベイズ統計モデルを組み合わせることで組織変形写像と変形テンソルの時空間マップを構築する。（課題２）力学状態に応じた大変形・体積成長を扱える非線形連続体力学モデルを構築する。（課題３）心臓組織内の応力分布、細胞形状の時空間マップの作成と、課題１で得られた組織変形情報と統合することで体積成長・異方的変形のルールをモデル化する。
（課題４）正常発生時の心臓形成過程をシミュレーションによって再現し、また形態異常のメカニズムを予測する。全課題ともにおおむね順調に進んでおり、組織動態と細胞動態、力学モデリングの結果をすべて統合した論文を投稿し掲載された [Kawahira et al., Cell Reports, 2020]。
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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
研究実績の概要で述べたように、全課題に関してはとても順調に進んでいる。組織レベルの変形動態と細胞動態（3D形状変化、再配列等）の定量化に成功し、両者の関係性も明らかとなった。また、正常発生が生じない場合の組織・細胞動態の解析も行った。組織・細胞動態について得られた結果は、これまでに提案されてきたどのモデルも想定したものではなく、新規機構が明らかとなった。本研究による詳細な計測データと解析によって、初めて過去のモデルを客観的に比較・評価することが可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画はおおむね順調に進展し、論文として国際誌に掲載された。
今後は、前年度から引き続き、組織を切り出し人工的に力学的Perturbationを与えその応答を解析することで、形態形成過程を支配する構成則の詳細に取り組む。結果が得られ次第論文としてまとめる。
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