多細胞システムにおける細胞運動と運命決定の情報処理特性の解析

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 19H05801
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 澤井 哲 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (20500367)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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) ; 猪股 秀彦 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 (60372166) ; 中島 昭彦 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (90612119)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥195,910,000 (Direct Cost: ¥150,700,000、Indirect Cost: ¥45,210,000); Fiscal Year 2023: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2022: ¥35,880,000 (Direct Cost: ¥27,600,000、Indirect Cost: ¥8,280,000); Fiscal Year 2021: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2020: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000); Fiscal Year 2019: ¥46,280,000 (Direct Cost: ¥35,600,000、Indirect Cost: ¥10,680,000)
• Keywords: 胚発生 / 定量的解析 / 細胞分化 / 細胞運動 / 入出力関係 / モルフォゲン / マイクロ流体デバイス / 形態形成

Outline of Research at the Start

シグナルの時間方向の微分や積算、空間方向の差分や勾配などが、巧みに細胞によって読み取られることで、感度の向上のみならず、状態のデジタル性、多価性、探索性、頑強性などが実現されている実態を明らかにする。さらに細胞間相互作用によって形成する場の読み取りが循環することによって生じる、集団的な状態遷移を特徴づけることによって、単独細胞レベルと集団レベルの情報処理特性の関係を明らかにし、頑強で自律的な形態形成過程の情報物理学的基盤を明らかにする。こうした知見と開発手法を背景に、多細胞体制の秩序形成に共通する設計と動作の原理、最適性を特徴づけ、情報物理学や学習・最適理論の新たな展開へとつなげる。

Outline of Annual Research Achievements

細胞の移動、停止、浸潤、分化が、細胞組織中の複雑な場に含まれる情報のうち何を頼りに決定されているのかは、本領域が掲げる情報物理学の裾野をひろげる展開にとって重要である。本研究では、ごく微弱なケモカインの濃度差で細胞の前側と後ろ側が決定する細胞遊走と、モルフォゲンを頼りに、１細胞分の空間精度で細胞分化領域の境界が決定される細胞分化に注目する。細胞遊走については、その情報処理特性ごとの分類を視野に入れ、誘引因子の絶対濃度依存性として、いわゆるケモキネシス（ランダム運動の亢進）と相対濃度依存性としてケモタクシス（走化性）、走触性を見分けられるような、実験条件の確立を進めた。この問題を困難にしている理由の１つが、ケモキネシス効果を調べるような実験解析では必ず、刺激投入後の濃度変化への応答が混入しており、先行知見はこれを区別する解析が十分なされてこなかった。　そこで、細胞性粘菌の誘引分子である細胞外サイクリックAMP濃度の時間的、空間的変化にたいする過渡的応答から十分時間が経過した後について、細胞のランダム運動特性を解析するための灌流実験についてその条件出しをおこなった。予備的な結果から、cAMPの絶対濃度依存性は細胞側面から後端を特徴づけるミオシンIIとそれに架橋されたアクチンの分布と状態に大きく影響することが見られており、ミオシンIIならびにその調節因子の遺伝子改変株の作成を同時に進めた。また、好中球様HL細胞については、UV照射型のパターン化装置を前年度確立させたこと受け、フィブロネクチンの濃度勾配を形成させ、その運動バイアスが生じる条件を探索した。細胞間相互作用を制御するため、人工分子の設計および選定を行い、細胞間接着制御を微小化合物を用いて異なる細胞間で人為的に誘起できる系のゼブラフィッシュでの応用、さらに細胞性粘菌への適応をはかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

細胞間接着と細胞運動について、その入出力関係を洗い出すため、代表者らが得意としてきた液性因子の時空間制御に加えて、細胞―基質、細胞―細胞間の近接シグナル、接着制御が進んでおり、一部はin vivoで作用することも確認できている。In vivoについては、当初計画のアフリカツメガエルに加え、遺伝的操作と可視化のしやすいゼブラフィッシュの導入も順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

UV反応性のPEG分解剤を基質上に導入し、パターン領域にUVを照射することにより作成する基質接着因子の入力制御の系について、好中球様細胞は、昨年度までに細胞遊走の方向選択性をバイアスさせる接着条件を見出しつつあり、フィブロネクチン濃度勾配の条件を体系的に探索し、その以前性を解析する。さらに前年度導入が進んだゼブラフィッシュの系を活用し、ゼブラフィッシュから単離した神経堤細胞が遊走を示す培養条件を探索し、同様の定量的解析を可能とする系を開発する。具体的には神経堤細胞のマーカー遺伝子であるsox10プロモータかでGFPを発現するトランスジェニックゼブラフィッシュの１２時間胚を機械刺激によって解離し、セルソーターによって分離回収した後に、sox10+が維持、培養できる培地、基質諸条件を体系的に探索する。また、好中球細胞を蛍光標識するLysC+マーカー遺伝子を組み入れたトランスジェニックゼブラフィッシュの分与を受け、同様の活用を可能とする飼養サイクルを確立する。これらの系をすすめることで、これまで粘菌や培養細胞に限定されていた細胞運動についての入出力関係のin vivoにより資する特徴付けの基礎とする。

Research Products

• [Journal Article] Comparative mapping of crawling-cell morphodynamics in deep learning-based feature space (2021)
  • Author(s): Imoto, D., Saito, N., Nakajima, A., Honda, G., Ishida, M., Sugita, T., Ishihara, S., Katagiri, K., Okimura, C., Iwadate, Y. and Sawai, S.
  • Journal Title: PLoS Computational Biology Volume: 17(8) Issue: 8 Pages: 1009237-1009267
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009237
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional morphodynamic simulations of macropinocytic cups (2021)
  • Author(s): Nen Saito, Satoshi Sawai
  • Journal Title: iScience Volume: - Issue: 10 Pages: 103087-103087
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.103087
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optogenetic relaxation of actomyosin contractility uncovers mechanistic roles of cortical tension during cytokinesis (2021)
  • Author(s): Yamamoto Kei、Miura Haruko、Ishida Motohiko、Mii Yusuke、Kinoshita Noriyuki、Takada Shinji、Ueno Naoto、Sawai Satoshi、Kondo Yohei、Aoki Kazuhiro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27458-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microtopographical guidance of macropinocytic signaling patches (2021)
  • Author(s): Gen Honda, Nen Saito, Taihei Fujimori, Hidenori Hashimura, Mitsuru J. Nakamura, Akihiko Nakajima, Satoshi Sawai
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118(50) Issue: 50
  • DOI: 10.1073/pnas.2110281118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Macropinocytic cup formation and topographical cell guidance (2021)
  • Author(s): Satoshi Sawai
  • Organizer: BIRS Workshop on Modeling and Computational Approaches to Individual and Collective Cell Movement in Complex Environments
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞性粘菌の自己組織的集合を支える入出力特性 (2021)
  • Author(s): 澤井 哲
  • Organizer: 応用物理学会トータルバイオミメティクス研究会基礎講座
  • Invited
• [Presentation] 細胞性粘菌の細胞分化における糖代謝酵素PEPCの機能解析 (2021)
  • Author(s): 阿部健一、桑名 悟史、亀谷 匠郁、田岡 和晃、橋村 秀典、平岡陽花、福澤 雅志、澤井 哲
  • Organizer: 日本細胞性粘菌学会第 11 回例会
• [Presentation] ライトシート顕微鏡を用いた子実体形成運動の 3 次元ライブイメージング (2021)
  • Author(s): 桑名悟史、橋村秀典、安達智子、澤井哲
  • Organizer: 日本細胞性粘菌学会第 11 回例会
• [Presentation] 細胞選別の２次元再構築系を用いた運動解析 (2021)
  • Author(s): 橋村秀典、 藤森大平、安達智子、澤井哲
  • Organizer: 日本細胞性粘菌学会第11回例会
• [Presentation] 細胞性粘菌 Dictyostelium discoideum の細胞型特異的な運動形状ダイナミクスの 解析 (2021)
  • Author(s): 村山菜月、桑名悟史、上道雅仁、橋村秀典、澤井哲
  • Organizer: 日本細胞性粘菌学会第11回例会 NBRP細胞性粘菌ワークショップ2021
• [Presentation] Changes in the Migration Behavior of Zebrafish Neural Crest Cells under Low O2 Conditions (2021)
  • Author(s): Ayaka Kasamatsu, Hidenori Hashimura, and Satoshi Sawai
  • Organizer: 第54回 日本発生生物学会年会
• [Presentation] 細胞性粘菌の細胞型特異的な運動形状ダイナミクスの定量的解析 (2021)
  • Author(s): 村山 菜月、桑名 悟史、上道 雅仁、橋村 秀典、澤井 哲
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 回転的な細胞集団運動とインターカレーションによって駆動される細胞性粘菌の子実体形成 (2021)
  • Author(s): 桑名悟史、橋村秀典、安達智子、澤井哲
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Contact activation of locomotion - a defining mode of collective migration in amoebozoa morphogenesis (2020)
  • Author(s): Satoshi Sawai
  • Organizer: JSDB Online Trial Meeting 2020 Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comparative Mapping of Migrating Cell Morphology and Phase-Field Modeling (2020)
  • Author(s): Satoshi Sawai
  • Organizer: JSPS Core-to-Core Program "Establishing International Research Network of Mathematical Oncology"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 生体の科学 72(3)「仮足と細胞極性の動力学コンセプト」 (2021)
  • Author(s): 澤井 哲
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 医学書院
• [Book] 実験医学増刊 Vol.38 No.20「機械学習を生命科学に使う！」小林徹也、杉村薫、舟橋啓（編）第4章1-1 (2020)
  • Author(s): 斉藤 稔, 井元大輔, 澤井 哲
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758103916
• [Book] 細胞の理論生物学 (2020)
  • Author(s): 金子 邦彦, 澤井 哲, 高木 拓明, 古澤 力
  • Total Pages: 352
  • Publisher: 東京大学出版会
  • ISBN: 9784130626217