2020 Fiscal Year Annual Research Report
A theoretical study of self-organization phenomena of 3D membrane deformation: toward understanding of macropinocytosis
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18K13514
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| Research Institution | Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences |
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Principal Investigator |
斉藤 稔 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任准教授 (20726236)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 自己組織化現象 / ソフトマター / フェイズフィールド法 / 反応拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マクロ飲作用はアクチン細胞骨格が王冠状の突起(カップ)を形成しカップ構造が閉じる（閉口）ことで細胞外溶液を取り込む3次元的陥入現象である。細胞膜上のシグナル因子が制御する膜変形と、膜変形自体によるシグナル因子の反応・拡散へ影響の結果、どのように三次元変形が自己組織化するのかを数理モデリングを通して理解することが本研究の目的である。
まず細胞膜上の反応拡散現象と膜の変形を取り入れたフェイズフィールド法を開発し、さらにマクロ飲作用を駆動する細胞膜上のシグナル因子（PIP3, Rasなど）のパッチ局在パターンを記述する反応拡散モデルを構築した。その結果、マクロ飲作用を計算機上で再現することが可能となった。モデル解析の結果、カップ形成・閉口に重要なパラメータはシグナル因子の総量（パッチサイズの大きさ）およびアクチン重合による面積あたりの力と膜張力の比(F/eta)であることを示した。さらに抑制因子を新たに導入することにより細胞性粘菌で見られるマクロ飲作用の形態ダイナミクスのほぼ全てを再現することが可能になった。提案したマクロ飲作用のメカニズムでは、曲率を誘起する分子(クラスリンやBARタンパク)の存在なしに陥入現象が自己組織化する新奇の形態形成機構である。
最終年度では凹凸のある基質上での三次元細胞運動を解析した。細胞性粘菌では凸型のマイクロリッジに沿って一細胞の遊走運動が起こるが、この現象もマクロ飲作用の数理モデルで説明できることを明らかにした。基質接着面でマクロ飲作用が誘起される場合、カップ状の膜突起が凸型の基質を噛んでしまい、カップを閉口する事ができずにマイクロリッジに沿った遊走運動が現れる事がわかった。
マクロ飲作用について、凹凸のある基質上の運動について、をそれぞれ論文としてまとめ現在投稿中である（両者ともプレプリントとして公開済み）。
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