多細胞組織に立体形状が作られる力学原理の数理

• 研究領域: 生物の３Ｄ形態を構築するロジック
• 研究課題/領域番号: 15H05861
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 井上 康博 京都大学, 工学研究科, 教授 (80442929)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 71,110千円 (直接経費: 54,700千円、間接経費: 16,410千円); 2019年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円); 2018年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円); 2017年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円); 2016年度: 13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円); 2015年度: 13,650千円 (直接経費: 10,500千円、間接経費: 3,150千円)
• キーワード: 形態形成 / 上皮組織 / 多細胞力学 / 数理モデル / シミュレーション / 計算力学 / 成虫原基 / 折り畳み / 生物物理学 / 多細胞動力学 / 生物物理 / 計算物理

研究成果の概要

生物の器官が作られる形態形成において、細胞個々には能動的・受動的な力作用が生じ、組織変形が現れる。本研究では、上皮の形態形成の力学を理解することを目的に、細胞の力学的ダイナミクスを捉える数理モデルとして、３Ｄバーテックスモデルを開発し、発生現象の解析に応用した。これにより、力学的な擾乱に対して形態形成がロバストに進む仕組み、遺伝子発現レベルの場の区分けから上皮組織の立体化が生じる仕組み、上皮組織の折り畳みを生み出す力学的な仕組みを明らかにした。これらの研究を通じ、形態形成の仕組みの解明には、細胞レベルの力学を捉えることが重要であることを提示し、発生生物学領域における力学分野を大きく発展させた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生物の形ができる原理の解明は基礎生物学の最重要課題の一つである。この課題では、３Ｄの形態形成を扱うため、形の変化を記述する力学の観点から発生現象を捉える必要があったが、その理論的手法は確立していなかった。本研究では、細胞個々の力学を３Ｄで捉える手法として、３Ｄバーテックスモデルを確立し、実際の発生現象の解析に応用することで、これまで、遺伝子発現レベルの場の区分け（２Ｄ情報）からは読み取れなかった形態形成の力学的な因果関係を明らかにした。これまで、物理学や機械工学の範疇と考えられていた力学を、基礎生物学の領域に展開したことにより、形態形成の仕組みに関して、新たな理解が得られるようになった。

研究成果

• [国際共同研究] Purdue University/Louisiana State University(米国)
• [国際共同研究] Purdue University/Louisiana State University(米国)
• [雑誌論文] Collective and contractile filament motions in the myosin motility assay (2020)
  • 著者名/発表者名: Jung Wonyeong、Fillenwarth Luke A.、Matsuda Atsushi、Li Jing、Inoue Yasuhiro、Kim Taeyoon
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 16 号: 6 ページ: 1548-1559
  • DOI: 10.1039/c9sm02082a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Epithelial tissue folding pattern in confined geometry (2019)
  • 著者名/発表者名: Inoue Yasuhiro、Tateo Itsuki、Adachi Taiji
  • 雑誌名: Biomechanics and Modeling in Mechanobiology 巻: 19 号: 3 ページ: 815-822
  • DOI: 10.1007/s10237-019-01249-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mobility of Molecular Motors Regulates Contractile Behaviors of Actin Networks (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Atsushi、Li Jing、Brumm Peter、Adachi Taiji、Inoue Yasuhiro、Kim Taeyoon
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 116 号: 11 ページ: 2161-2171
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2019.04.018
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] PCP-dependent transcellular regulation of actomyosin oscillation facilitates convergent extension of vertebrate tissue (2019)
  • 著者名/発表者名: Shindo Asako、Inoue Yasuhiro、Kinoshita Makoto、Wallingford John B.
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: 446 号: 2 ページ: 159-167
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2018.12.017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanical role of the spatial patterns of contractile cells in invagination of growing epithelial tissue (2017)
  • 著者名/発表者名: Inoue Yasuhiro、Watanabe Tadashi、Okuda Satoru、Adachi Taiji
  • 雑誌名: Development, Growth & Differentiation 巻: 59 号: 5 ページ: 444-454
  • DOI: 10.1111/dgd.12374
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanical roles of apical constriction, cell elongation, and cell migration during neural tube formation in Xenopus, Biomechanics and Modeling in Mechanobiology (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Inoue, Makoto Suzuki, Tadashi Watanabe, Naoko Yasue, Itsuki Tateo, Taiji Adachi, Naoto Ueno
  • 雑誌名: Biomechanics and Modeling in Mechanobiology 巻: 15 号: 6 ページ: 1733-1746
  • DOI: 10.1007/s10237-016-0794-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Mathematical modeling of epithelial folding with cell proliferation depending on the curvature of the tissue (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Morikawa, Yasuhiro Inoue
  • 学会等名: 5th Computational Chemistry Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 組織スケールのミオシン収縮ケーブルによる上皮陥入シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡辺章太郎, 井上康博
  • 学会等名: 日本機械学会第32回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 発生過程の組織変形における細胞集団運動の数理モデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 齋梧 等, 井上 康博, 安達 泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] Folding pattern formation in a confined epithelial cell sheet (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Inoue
  • 学会等名: 第５６回日本生物物理学会
• [学会発表] Mechanochemical interplays in multicellular dynamics during tissue morphogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Inoue
  • 学会等名: The Second Workshop on Microscopic Simulation and Cell Experiments for Biological Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 上皮折りたたみの多細胞力学シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 井上康博, 立尾樹, 安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会・第２９回バイオエンジニアリング講演会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2017-01-19
• [学会発表] Multiscale interplay between intracellular and multicellular dynamics in tissue morphogenesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Inoue
  • 学会等名: 2017 Cellular and Molecular Bioengineering Conference
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 2017-01-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Three-dimensional vertex simulation of multicellular dynamics for understanding mechanics of epithelial tissue morphogenesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Inoue
  • 学会等名: Bioimage Informatics Conference 2016
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2016-10-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ３Ｄバーテックスモデルによる上皮折り畳みシミュレーション (2015)
  • 著者名/発表者名: 井上康博，安達泰治
  • 学会等名: RIMS研究集会 第12回生物数学の理論とその応用-遷移過程に現れるパターンの解明に向けて
  • 発表場所: 京都大学数理解析研究所
  • 年月日: 2015-11-24
  • 招待講演
• [学会発表] Spatially Patterns of Constricting Cells Determine te Direction of Out-of-plane Deformation of Epithelial Sheet (2015)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Inoue, Tadashi Watanabe, Taiji Adachi
  • 学会等名: iCeMS International Symposium: Hierarchical Dynamics in Soft Materials and Biological Matter
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2015-09-23
  • 国際学会
• [図書] 実験医学増刊 生命科学で使える はじめての数理モデルとシミュレーション （担当：第４章・１１） (2017)
  • 著者名/発表者名: 井上 康博
  • 総ページ数: 239
  • 出版者: 羊土社
• [図書] メカノバイオロジー：細胞が力を感じ応答する仕組み(曽我部正博編) (2015)
  • 著者名/発表者名: 井上康博, 安達泰治（分担執筆）
  • 総ページ数: 332
  • 出版者: 化学同人
• [備考]
  • URL: https://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/lS2qY
• [備考]
  • URL: https://researchmap.jp/yasuhiroinoue
• [備考] 京都大学教育研究活動データベース
  • URL: https://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/lS2qY
• [備考]
  • URL: http://www.frontier.kyoto-u.ac.jp/bf05/membersHP/inoue/index.html
• [備考] 京都大学 教育活動データベース
  • URL: https://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/lS2qY