１細胞計測に基づく細胞モデルとそれに基づく形態形成の理論の開発

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03482
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山下 雄史 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (50615622)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: シミュレーション / 細胞分化 / 領域形成

Outline of Annual Research Achievements

近年、様々な分子生物学的な実験がおこなわれ、細胞の分子レベルの状態が生体組織レベルの現象に影響を与えていることが分かってきた。すでに、単純な反応拡散方程式モデルによって生物が持つ複雑な形態を再現できることが分かり、形態形成の物理学が大きく発展しているが、これだけでは細胞の状態が生体組織レベルの現象を引き起こすメカニズムの解明は難しい。一方で、single-cell RNA-seqのような実験により１細胞情報を計測し、細胞の分子レベルの状態を特徴付けることが可能になってきている。本研究では、細胞の状態と組織形成の関係性を明らかにする新しい理論とシミュレーション手法を開発していくことを目指す。
今年度は、細胞分化により同じ種類の細胞からなる領域がどのように形成されるかという問題に焦点を当て、細胞シミュレータのプロトタイプを開発した。まず、細胞分化と細胞間相互作用のモデル化をおこない、それを２次元格子モデルに落とし込んだ。ここでは、細胞の移動や増殖を考えず、単純に状態を変え分化に至るようなモデルにしている。細胞間相互作用は、隣接する細胞に影響を与え同種細胞へ分化するように誘導するようにした。これをプログラムに実装したところ、２次元モデルでも広い領域を計算すると計算コストが増大してしまうことが分かった。そこで、隣接細胞との相互作用の計算に隣接細胞ペアのテーブルを用意するなど、時間発展のアルゴリズムやデータ形式の改善をおこないプログラムを高速化した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

細胞分化と細胞間相互作用のモデル化をおこない、これに基づく２次元シミュレータを開発した。また、大規模計算が可能になるように、アルゴリズムやデータの形式を改良した。現在、このシミュレータを用いて、領域形成のシミュレーションを実施している。領域形成に必要な因子の解析を進めることが可能になった。

Strategy for Future Research Activity

今年度に構築したシミュレータを活用することにより、細胞分化のシミュレーションをおこない、領域形成に重要な因子を解析する。また、２次元モデルから３次元モデルに拡張することで、さらに現実的なモデルへと改良していく。

Causes of Carryover

今年度は、基礎理論の検討とプログラム開発に注力したため、学会発表の機械がなく旅費を使用しなかった。また、研究支援員を雇用して大規模解析を実施するのは次年度以降とした。この差額については、次年度以降の大規模解析を実施するための人件費・物品費として使用する予定である。