2019 Fiscal Year Research-status Report
Mechanics of fold pattern formation of luminal epithelium in mouse oviduct
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17K15131
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| Research Institution | National Institute for Basic Biology |
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Principal Investigator |
小山 宏史 基礎生物学研究所, 初期発生研究部門, 助教 (10530462)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 形態形成 / 機械的な力 / 数理シミュレーション / 卵管 / ヒダ / パターン形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
卵管の管腔側上皮には多数のヒダが観察される。この構造は哺乳類（ヒト、マウスなど）から、鳥類、爬虫類に至るまで生物種間で広く保存されている。ヒダの形態的なパターンには、①長軸方向に沿った整列、②長軸方向の枝分かれ、③位相欠陥、④管の断面内での放射状の枝分かれ、などがある。本研究では、これらの形態パターンが形成されるメカニズムを、物理的な観点から明らかにすることを目的としている。本年度では、大きな組織の物理的なシミュレーションを可能とする数理的な枠組みを構築した。すなわち、個別の細胞をモデル化し、10万細胞のオーダーでシミュレーション可能なソフトウェアを開発した。本ソフトウェアは細胞増殖などをモデル化する簡便なシステムを有しており、これによってマウスの卵管の発生過程や平滑筋の収縮運動を取り込んだシミュレーションが可能となる。一方、マウスにおいて、個別の管腔上皮細胞の力学的特性に関係する細胞骨格を超解像顕微鏡で撮影することに成功し、その配向パターンについての情報を取得した。管腔上皮細胞の力学的な異方性、および、細胞の伸長は、ヒダの形態と連関していることを既に見出している。そこで細胞伸長が起きるメカニズムについて理論的に検討したところ、組織の成長が細胞伸長を誘因しうることを明らかにした。この理論モデルは、成長や膨張を伴う様々な組織や胚にも適用できる可能性がある。これらの知見をもとに、卵管の発生に伴う組織の成長、細胞伸長、細胞の力学特性などを考慮した数理モデリングを実施し、ヒダの形態パターンが生じるメカニズムを検討する予定である。
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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
多細胞の3次元的な動きを大規模にシミュレーション可能なソフトウェアを開発できたことは、卵管などの器官形成の研究において重要な進展である。当初は卵管の断面のみを考慮した小規模なシミュレーションを予定していたが、本ソフトウェアの開発によって位相欠陥などの形態パターンも潜在的に再現しうる大規模なシミュレーションが可能となった。また、他の管腔器官にも適用可能であり大きな発展性がある。一方、組織学的な知見の収集については、器官培養系の構築が当初の計画通りには進んでいないため遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
組織や器官の形態形成を細胞レベルの事象からシミュレーションする際には、組織が巨大化すると技術的な問題が生じる。本研究で開発したソフトウェアでは、細胞増殖、細胞の力学的異方性などの細胞レベルの事象のみならず、平滑筋の伸縮運動などのマクロな事象も同時に実装することが可能である。また、細胞数の規模の拡張の余地は十分にあり、上記の問題を解決する有力な技術であると考えている。一方、これまでの組織学・生理学的な実験から、卵管上皮細胞の特徴、および、平滑筋の伸縮運動などを捉えてきた。今後、これらの実験的な知見を実装した数理シミュレーションを実施することで、卵管のヒダの形態パターンが生じる条件を理論的に検証していく予定である。
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| Causes of Carryover |
ソフトウェアの開発を当初の予定より少ない予算で実施できたこと、組織学・生理学実験の進行が遅延したことによる。翌年度は、組織学・生理学実験および論文執筆に多くの予算を配分する予定である。
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