細胞性粘菌が示す集団運動の自発的な方向の非対称化、及びそれを用いた非対称構造形成

• Project/Area Number: 17J05667
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Life / Health / Medical informatics
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 早川 雅之 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, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 集団運動 / 細胞性粘菌 / アクティブマター

Outline of Annual Research Achievements

走化性を示さない変異株の細胞性粘菌が，飢餓状態下で細胞集団運動を示すことが発見されている．この集団運動では，細胞密度の高い領域が帯状領域としてあらわれ，その高密度領域が密度波のように二次元平面を進行する．この帯状集団運動は，例えば細胞集団の移動と密接に関係する多細胞生物の形態形成過程などにおいて，一般的な現象として観察されるものなのかという問題意識から注目されている．本課題では，この帯状集団運動の形成メカニズムを，定量的解析や数理モデルの構築などにより示す．
まず，帯状集団運動を形成する細胞一つ一つの運動について解析を行った．その結果，帯構造内部の細胞の運動速度は，帯構造そのものの速度より遅いということが明らかになった．これは帯構造が，前端から取り込まれる細胞と，後端から排出される細胞とによって維持されていることを示している．次に帯状集団運動がどのように形成されるかについて調べた．密度の低い領域では，細胞同士が衝突し，その後，一方の細胞がもう一方の細胞に追従する相互作用が頻繁に観察される．そこで，この接触追従運動が帯状集団運動に関与しているのではないか，と考えた．接触追従運動に関与するタンパク質を発現しない変位株を用い，帯状集団運動を観察しようとしたところ，集団運動が形成されなかった．したがって，帯状集団運動は，細胞間における接触追従運動に起因するものであると結論付けた．また，上記の接触追従を取り入れた数理モデルを構築し，シミュレーションを行ったところ，実験で観察されたような帯状集団運動が形成された(東京大学との共同研究)．
本課題では，帯状集団運動の形成メカニズムを定量的解析や数理モデルの構築などにより示した．接触追従運動は細胞性粘菌に限らず，他の哺乳類細胞においても観察されているため，今後，本研究成果が発生生物学など広い分野に貢献すると期待される．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Polar pattern formation induced by contact following locomotion in a multicellular system (2020)
  • Author(s): Masayuki Hayakawa, Tetsuya Hiraiwa, Yuko Wada, Hidekazu Kuwayama, Tatsuo Shibata
  • Journal Title: ELife Volume: 9
  • DOI: 10.7554/elife.53609
  • NAID: 120007163372
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Traveling band formation of a mutant Dictyostelium cell population induced by contact following of locomotion (2019)
  • Author(s): Hayakawa Masayuki、Hiraiwa Tetsuya、Wada Yuko、Kuwayama Hidekazu、Shibata Tatsuo
  • Organizer: 57回日本生物物理学会
• [Presentation] 接触追従運動に起因して生じる細胞の波状集団運動 (2019)
  • Author(s): 早川雅之，平岩徹也，和田裕子，桑山秀一，柴田達夫
  • Organizer: 理研シンポジウム「細胞システムの動態と論理 XI」
• [Presentation] 接触追従作用が引き起こす波状集団運動 (2019)
  • Author(s): 早川雅之，平岩徹也，和田裕子，桑山秀一，柴田達夫
  • Organizer: 第2回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] 走化性をもたない細胞性粘菌(KI株) が示す波状集団運動 (2018)
  • Author(s): 早川雅之，平岩徹也，和田裕子，桑山秀一，柴田達夫
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
• [Presentation] 走化性をもたない細胞性粘菌が示す波状集団運動の解析 (2018)
  • Author(s): 早川雅之，桑山秀一，和田裕子，柴田達夫
  • Organizer: 第１回分子ロボティクス年次大会