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Deepening and new development of mathematical study on cell adhesion

Research Project

Project/Area Number 20H01823
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 12040:Applied mathematics and statistics-related
Research InstitutionRyukoku University

Principal Investigator

村川 秀樹  龍谷大学, 先端理工学部, 准教授 (40432116)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 野津 裕史  金沢大学, 数物科学系, 教授 (00588783)
佐藤 純  金沢大学, 新学術創成研究機構, 教授 (30345235)
富樫 英  神戸大学, 医学研究科, 助教 (90415240)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Keywords応用数学 / 数値解析学 / 数理生物学 / 細胞接着 / 細胞選別
Outline of Research at the Start

細胞同士の接着である細胞接着、細胞が自発的に適切な組織や器官などの構造を作る細胞選別の理解は、生命科学分野における極めて重要な研究課題である。本研究では、細胞接着及び細胞選別現象に関して、数十万から数百万の細胞数からなる組織レベルの巨視的現象、数十から数百程度の細胞数からなる細胞レベルの微視的現象の双方について、数理モデリング、数値解析、数理解析、生命科学の現場における問題の解明に向けた応用を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、大きく4つの研究[研究A]~[研究D]を並行して行っている。2020年度の研究内容は以下のとおりである。
[研究A]代表者村川は、1成分の方程式に対する風上型有限体積法について研究し、その一意可解性、安定性、有限体積解の非負性、有界性、エネルギー消散性、収束性を示し、そこから方程式に対する解析的な結果を得た。また、2成分以上の方程式系を扱うための準備を行った。分担者野津はラグランジュ座標を用いた質量保存型有限要素法の高精度化の研究を推進し、2段法によって時間2次精度が得られることを線形移流拡散方程式において明らかにした。
[研究B]実験、数理モデリング、数値実験を繰り返すことにより、カラム配列のメカニズムの解明に向けた研究を推し進めた。分担者佐藤は、細胞接着によって神経細胞が集合し機能単位を構成する現象について、神経細胞の形態および配置を制御する遺伝子の働きを実験により解明した。代表村川と分担者佐藤は共同で、カラム配列メカニズムを解明するための数理モデルを提案し、数値実験によって現象を再現した。ここから現象の本質を抜き出せるのか、形態形成のメカニズムを解明できるのかについて検討を進めた。
[研究C, D]代表者村川と分担者富樫及び、研究協力者のシュワドレンカ・カレル(京都大学)の協働により、「界面張力の違い」と「各細胞の体積保存」という単純な原理のみからなる、微視的現象に対する数理モデル構成した。多くの数値実験結果から、提案モデルは感覚上皮細胞の形態形成過程を表現していることが示唆された。更に、その再現性が非常に高いことを実験データとの比較によって示した。提案モデルは非常に単純なものであり、現象の本質をとらえているものと考えられる。現象のメカニズム解明への応用が期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の研究計画通りに順調に遂行しているため。

Strategy for Future Research Activity

研究は当初の研究計画通りに順調に進んでいる。2021年度も交付申請書に記載した研究実施計画通りに、研究を進める。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(30 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 4 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 10 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Oxford(英国)

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  • [Int'l Joint Research] Universite de Lille(フランス)

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  • [Journal Article] Fast reaction limit of reaction-diffusion systems2021

    • Author(s)
      H. Murakawa
    • Journal Title

      Discrete Contin. Dyn. Syst. Ser. S

      Volume: 14(3) Pages: 1047-1062

    • DOI

      10.3934/dcdss.2020405

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Intracellular trafficking of Notch orchestrates temporal dynamics of Notch activity in the fly brain2021

    • Author(s)
      Wang Miaoxing、Han Xujun、Liu Chuyan、Takayama Rie、Yasugi Tetsuo、Ei Shin-Ichiro、Nagayama Masaharu、Tanaka Yoshitaro、Sato Makoto
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Pages: 1-14

    • DOI

      10.1038/s41467-021-22442-3

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Convergence of a Fully Discrete and Energy-Dissipating Finite-Volume Scheme for Aggregation-Diffusion Equations and nonlinear cross-diffusion systems2020

    • Author(s)
      Rafael Bailo, Jose A. Carrillo, Hideki Murakawa and Markus Schmidtchen
    • Journal Title

      Math. Models Methods Appl. Sci.

      Volume: 30(13) Pages: 2487-2522

    • DOI

      10.1142/s0218202520500487

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 細胞接着パターンの数理解析に向けて2020

    • Author(s)
      村川秀樹
    • Journal Title

      数理解析研究所講究録

      Volume: 2166 Pages: 17-21

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  • [Journal Article] 細胞間接着の数理モデルとその応用2020

    • Author(s)
      村川秀樹
    • Journal Title

      数理解析研究所講究録

      Volume: 2165 Pages: 100-104

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  • [Journal Article] DWnt4 and DWnt10 Regulate Morphogenesis and Arrangement of Columnar Units via Fz2/PCP Signaling in the Drosophila Brain2020

    • Author(s)
      Han Xujun、Wang Miaoxing、Liu Chuyan、Trush Olena、Takayama Rie、Akiyama Takaaki、Naito Toshiki、Tomomizu Takeshi、Imamura Kousuke、Sato Makoto
    • Journal Title

      Cell Reports

      Volume: 33 Pages: 108305-108305

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2020.108305

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dscam1 establishes the columnar units through lineage-dependent repulsion between sister neurons in the fly brain2020

    • Author(s)
      Liu Chuyan、Trush Olena、Han Xujun、Wang Miaoxing、Takayama Rie、Yasugi Tetsuo、Hayashi Takashi、Sato Makoto
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Pages: 1-1

    • DOI

      10.1038/s41467-020-17931-w

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A continuation method for spatially discretized models with nonlocal interactions conserving size and shape of cells and lattices2020

    • Author(s)
      Ei Shin-Ichiro、Ishii Hiroshi、Sato Makoto、Tanaka Yoshitaro、Wang Miaoxing、Yasugi Tetsuo
    • Journal Title

      Journal of Mathematical Biology

      Volume: 81 Pages: 981-1028

    • DOI

      10.1007/s00285-020-01534-6

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Role for phagocytosis in the prevention of neoplastic transformation in Drosophila2020

    • Author(s)
      Zhang Min、Nagaosa Kaz、Nakai Yuji、Yasugi Tetsuo、Kushihiki Masako、Rahmatika Dini、Sato Makoto、Shiratsuchi Akiko、Nakanishi Yoshinobu
    • Journal Title

      Genes to Cells

      Volume: 25 Pages: 675-684

    • DOI

      10.1111/gtc.12804

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 上皮組織形成の数理モデルと数値解法2021

    • Author(s)
      村川秀樹
    • Organizer
      日本数学会2021年度年会
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  • [Presentation] 曲面上における反応拡散系シミュレーション2021

    • Author(s)
      井上広也, 村川秀樹
    • Organizer
      2020年度龍谷大学武蔵野大学連携シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] DWnt4 and DWnt10 globally regulate morphogenesis and arrangement of the columnar structures through Fz2/PCP signaling in the fly brain2021

    • Author(s)
      Sato, M.
    • Organizer
      Wnt研究会
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  • [Presentation] 感覚器におけるモザイク様細胞パターン形成の数理モデルと数値解法2020

    • Author(s)
      村川秀樹
    • Organizer
      2020年度応用数学合同研究集会
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  • [Presentation] 細胞選別現象の解明に向けた数理モデリングとその解析2020

    • Author(s)
      村川秀樹
    • Organizer
      楕円型・放物型微分方程式研究集会
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    • Invited
  • [Presentation] Mathematical models of cell-cell adhesion: macro- and microscopic perspectives2020

    • Author(s)
      H. Murakawa
    • Organizer
      Micro-to-Macro Modelling in Developmental Biology
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  • [Presentation] 非線形非局所Fokker-Planck型方程式に対するエネルギー散逸有限体積スキーム2020

    • Author(s)
      村川秀樹
    • Organizer
      2020年度秋季総合分科会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞間接着の数理:モデリング, 数値解析, 応用2020

    • Author(s)
      村川秀樹
    • Organizer
      京都応用数学セミナー
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  • [Presentation] 不均質な多孔質媒体内の流れの安定性と数値計算2020

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      野津裕史
    • Organizer
      京都駅前セミナー
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    • Invited
  • [Presentation] Fz2/PCP signaling regulates the morphogenesis and arrangement of the columnar structures in the fly brain2020

    • Author(s)
      Sato, M.
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      JSDB Online Trial Meeting 2020
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  • [Presentation] Tiling mechanisms of the compound eye2020

    • Author(s)
      Sato, M.
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      Micro-to-Macro Modelling in Developmental Biology
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    • Int'l Joint Research / Invited
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    • Author(s)
      Sato, M.
    • Organizer
      An International Webinar Series on Arthropod Sensory Organs
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ショウジョウバエ視覚系におけるタイリングメカニズム2020

    • Author(s)
      佐藤 純, 林 貴史, 秋山 正和, 栄 伸一郎, 須志田 隆道
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会 ワークショップ 「分子生物学を超えた形作りの基本原理」
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  • [Presentation] Asymmetric distribution of cadherin-catenin complex drives cell intercalations in nectin-dependent mosaic cellular pattern formation2020

    • Author(s)
      S. Kuno, S. Katsunuma, A. Suzuki and H. Togashi
    • Organizer
      53rd Annual meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
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    • Author(s)
      富樫英
    • Organizer
      第72回 日本細胞生物学会大会
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    • Invited
  • [Presentation] 自己組織的な極性形成によるモザイクパターン形成2020

    • Author(s)
      富樫英
    • Organizer
      細胞極性研究会
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  • [Presentation] Cellular interactions and molecular dynamics in mosaic cellular pattern formation2020

    • Author(s)
      H.Togashi
    • Organizer
      第43回 日本分子生物学会年会
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    • Invited
  • [Book] いますぐ始める数理生命科学-MATLABプログラミングからシミュレーションまで-2021

    • Author(s)
      佐藤 純
    • Total Pages
      256
    • Publisher
      コロナ社
    • ISBN
      9784339067620
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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