2022 Fiscal Year Annual Research Report
Integrated modeling for pattern formation of cell polarity formation in asymmetric cell division
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19H01805
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
李 聖林 京都大学, 高等研究院, 教授 (50620069)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 暁 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 教授 (10365447)
栄 伸一郎 北海道大学, 理学研究院, 教授 (30201362)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | パターン形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、非対称細胞分裂における極性形成および初期発生の仕組みを卵割全体のプロセスの中で統合的に捉えられる数理モデルを構築し、 非対称分裂の仕組みを解明すると共に初期発生分化の数学的構造の解明および生物実験への検証を通じて細胞の多様化を制御する普遍的な仕組みを創出することである。また、このモデル化を一般化式で表すことで、特定の細胞極性形成の現象のみならず 、細胞および細胞内外の生体分子の相互作用に基づいている発生現象の様々な問題に応用することが可能である。
本年度の研究では細胞膜と細胞質内での極性の仕組みを解明し数学的構造の解明、さらに4細胞期の初期発生で起きる細胞配列の仕組み において細胞殻の幾何学的性質が極めて重要であることを数理と実験の融合で示した。その結果は今までの生物的知見で発見できなかった新た な仕組みを提案したことで高く評価され、実験系の専門誌DevelopmentにおいてEditor's short listにも選ばれた。また、数理モデリング の新しい手法としてMulti-phase-field法を用いて実際の細胞の形を実験の画像データから反映できるCell morphology modelを新たに構築した。
さらに、Cell morphology modelモデルを3次元に拡張し、４細胞期以上の多細胞における数理モデルの基本枠組みの構築にも成功した。
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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
本研究では非対称細胞分裂の全体的枠組みを捉えられる大域的数理モデルを構築することを重要な目的としている。そのため、単細胞だけではなく、複数の細胞 の形を詳細記述し、細胞同士の相互作用を含む数理モデルの構築が必要不可欠である。その数理モデルの基本型となる数理モデルの構築に成功し、さらに、実際の細胞の形をPhase-field法に融合する数理的手法を開発した。またさらにその数理モデリングのツールを発展させ、in silico実験のツールの実装化を目指して研究が進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験的事前処理を行わない一番簡便な実験の画像を用いて実際の実験環境に最も近い条件で数理実験が可能はツールの構築のために、最新の機械学習法と数理モデリングを融合した手法を開発する予定で、その研究計画を３段階で分けて進める予定である。
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