生体分子ダイナミクスと細胞メカニクスの統合による植物周期動態の数理的解明

• 研究領域: 細胞システムの自律周期とその変調が駆動する植物の発生
• 研究課題/領域番号: 19H05678
• 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: 望月 敦史 京都大学, 医生物学研究所, 教授 (10304726)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 99,060千円 (直接経費: 76,200千円、間接経費: 22,860千円); 2023年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円); 2022年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円); 2021年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円); 2020年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円); 2019年度: 20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)
• キーワード: 数理モデル / ダイナミクス / 形態形成 / 植物 / ネットワーク / 花弁 / 萼 / 構造理論 / バイオメカニクス / 数理解析 / 数理生物学 / 周期性

研究開始時の研究の概要

本計画研究では数理的手法を用い、植物形態形成に対して、(1) 生体分子ダイナミクスと、(2) 細胞メカニクスの２つの階層から、周期性を創出するメカニズムとその変調がもたらす効果の解明に迫る。これまでに開発した構造理論を発展させ、(i) 周期的振る舞いが現れるための生体分子相互作用の条件および、周期性やその変調が器官形態にもたらす効果を数理的に決定する。さらに、これらを用いて、(ii) 領域内の実験グループとの共同研究を推進し、植物形態形成でみられる様々な振動現象のメカニズムを予測検証的に解明する。

研究実績の概要

本研究では数理的手法を用い、植物形態形成に対して、(1) 生体分子ダイナミクスと、(2) 細胞メカニクスの２つの階層から、周期性を創出するメカニズムとその変調がもたらす効果の解明に迫る。これまでに開発した構造理論を発展させ、(i) 周期的振る舞いが現れるための生体分子相互作用の条件および、周期性やその変調が器官形態にもたらす効果を数理的に決定する。さらに、これらを用いて、(ii) 領域内の実験グループとの共同研究を推進し、植物形態形成でみられる様々な振動現象のメカニズムを予測検証的に解明する。
2023年度は、葉の形態形成とその多様性を、細胞レベルの振る舞いから解明することを目指して、実験と数理を組み合わせた研究を進めた。花弁のようなシンプルな形態から段階的に複雑な形態を対象にし、同時に数理モデルに取り込む要素を段階的に複雑化することで、各パターン形成に必要な条件を定める戦略を用いた。特に、葉の境界が外向きに凹となる領域を持つ、ナンキンハゼに注目している。これまでに「細胞分裂様式が先端部と基部で異なっている」とするBi-region modelについて解析を進め、分裂方向の制御により外向きに凹となる形態が実現できる一方で、分裂頻度の制御では実現できない結果が得られている。さらに「分裂領域が基部から一定の範囲に限られる」とするArrest front modelについて、解析を進めた。Arrest frontが存在することで、時間とともに組織全体の形が大きく変化するが、そのタイミングは特定のパラメータの比によって統一的に捉えられることが分かった。さらに分裂領域における分裂方向の制御を取り込むことで、外向きに凹となる領域が実現できる。多くのパラメータを含むモデルであるが、その挙動を単純な理解に落とし込むことができた。これらの結果を学術論文にまとめている。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Controlling complex dynamical systems based on the structure of the networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki A.
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 20 号: 2 ページ: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.0019
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] RENGE infers gene regulatory networks using time-series single-cell RNA-seq data with CRISPR perturbations (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Masato、Sugino Seiichi、Masuda Yoshie、Tarumoto Yusuke、Seto Yusuke、Taniyama Nobuko、Wagai Fumi、Yamauchi Yuhei、Kojima Yasuhiro、Kiryu Hisanori、Yusa Kosuke、Eiraku Mototsugu、Mochizuki Atsushi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 6 号: 1 ページ: 1290-1290
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05594-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Patterns of change in regulatory modules of chemical reaction systems induced by network modification (2023)
  • 著者名/発表者名: Hishida Atsuki、Okada Takashi、Mochizuki Atsushi
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 3 号: 1
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad441
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A structural approach to understanding enzymatic regulation of chemical reaction networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki Atsushi
  • 雑誌名: Biochemical Journal 巻: 479 号: 11 ページ: 1265-1283
  • DOI: 10.1042/bcj20210545
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Position of meristems and the angles of the cell division plane regulate the uniqueness of lateral organ shape (2022)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Ayaka、Naito Makiko、Wang Zining、Inoue Yasuhiro、Mochizuki Atsushi、Tsukaya Hirokazu
  • 雑誌名: Development 巻: 149 号: 23
  • DOI: 10.1242/dev.199773
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Using linkage logic theory to control dynamics of a gene regulatory network of a chordate embryo (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Kenji、Maeda Kazuki、Tokuoka Miki、Mochizuki Atsushi、Satou Yutaka
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 4001-4001
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83045-y
  • NAID: 120006997057
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The gene regulatory system for specifying germ layers in early embryos of the simple chordate (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokuoka Miki、Maeda Kazuki、Kobayashi Kenji、Mochizuki Atsushi、Satou Yutaka
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 号: 24
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf8210
  • NAID: 120007052732
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative analyses reveal extracellular dynamics of Wnt ligands in Xenopus embryos (2021)
  • 著者名/発表者名: Mii Yusuke、Nakazato Kenichi、Pack Chan-Gi、Ikeda Takafumi、Sako Yasushi、Mochizuki Atsushi、Taira Masanori、Takada Shinji
  • 雑誌名: eLife 巻: 10 ページ: 55108-55108
  • DOI: 10.7554/elife.55108
  • NAID: 120007041648
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Flux-augmented bifurcation analysis in chemical reaction network systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Okada Takashi、Mochizuki Atsushi、Furuta Mikio、Tsai Je-Chiang
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 103 号: 6 ページ: 062212-062212
  • DOI: 10.1103/physreve.103.062212
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] IRAK1-dependent Regnase-1-14-3-3 complex formation controls Regnase-1-mediated mRNA decay (2021)
  • 著者名/発表者名: Akaki Kotaro、Ogata Kosuke、Yamauchi Yuhei、Iwai Noriki、Tse Ka Man、Hia Fabian、Mochizuki Atsushi、Ishihama Yasushi、Mino Takashi、Takeuchi Osamu
  • 雑誌名: eLife 巻: 10
  • DOI: 10.7554/elife.71966
  • NAID: 120007166024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Determining dynamical behaviors of complex biological systems from network topology (2023)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki A.
  • 学会等名: STATPHYS28 Satellite Meeting “Physics of Open Systems and Beyond”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Controlling cell fate specification system based on network structure. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki A.
  • 学会等名: ICIAM 2023 10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biological function and functional module originated in structure of network. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki A.
  • 学会等名: OKO International Symposium 2023 "Mathematical Biology from Genes to Cells to Humans"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ネットワーク構造に由来する生命機能と機能単位 (2023)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 2023年度日本数理生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 生命システムの振る舞いをネットワークの形だけから決定する (2023)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 第96回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Biological function and functional module originated in structure of network. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki A.
  • 学会等名: Workshop on Non-equilibrium Phenomena in Physics and Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Controlling cell fate specification system based on network structure (2022)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 第60回生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] ネットワークから生まれる機能と機能単位 (2022)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 分子生物学会2022年度年会
  • 招待講演
• [学会発表] 生命のシステムの振る舞いをネットワーク構造だけから解明する (2021)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 明治非線形サマーセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 遺伝子ネットワークの構造に基づく細胞運命の操作 (2021)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: MathHuB研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 生命のシステムの振る舞いをネットワーク構造だけから決定する (2021)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 武蔵野大学数理工学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 化学反応ネットワークの構造に基づく振る舞いの解析 －基礎から生命機能まで－ (2021)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 開放系トポロジーの探求
  • 招待講演
• [学会発表] 生命のシステムの振る舞いをネットワーク構造だけから決定する (2021)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 第35回分子シミュレーション討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Controlling cell fate specification system based on network structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Mochizuki
  • 学会等名: DARS-SWARM2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生命システムの振る舞いをネットワークの形だけから予測する (2020)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 生物物理若手の会夏の学校
  • 招待講演
• [学会発表] 理論とデータの協働によるネットワークシステムの解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 日本数理生物学会年会 大会企画シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 遺伝子ネットワークの構造に基づく細胞運命決定システムの制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 三重大学病理医学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 生命システムの振る舞いをネットワークの形だけから決定する (2019)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 応用物理学会・応用電子物性分科会
  • 招待講演
• [学会発表] 遺伝子ネットワークの構造に基づく細胞運命決定システムの制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会年会・日本細胞生物学会合同年次大会シンポジウム「染色体のホメオスタティック制御システム」
  • 招待講演
• [学会発表] 遺伝子ネットワークの構造に基づく細胞運命決定システムの制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 望月敦史
  • 学会等名: 現象数理学研究集会「ネットワーク構造に基づく化学反応システムの挙動解析」
  • 招待講演
• [図書] 理論生物学概論 (2021)
  • 著者名/発表者名: 望月 敦史
  • 総ページ数: 328
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320058309
• [備考] 摂動に基づく遺伝子制御ネットワーク推定―数理モデルによる自動決定―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2024-01-04
• [備考] 反応ネットワークの構造変化による摂動応答変化を解析する
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2024-02-02-1
• [備考] 花びらの形が葉と違う仕組みを解明
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2022/8175/
• [備考] 数理理論が予測した6つの因子で、92因子を含むホヤの遺伝子ネットワークを完全操作
  • URL: https://www.infront.kyoto-u.ac.jp/achievements/post-6523/
• [備考] Complete control of a gene regulatory network
  • URL: https://www.infront.kyoto-u.ac.jp/achievements/post-6523/?lang=en
• [産業財産権] 代謝ネットワーク処理システム、および代謝ネットワーク処理方法 (2023)
  • 発明者名: 佐藤 美和、田辺 麻衣子、渡辺 康一、望月 敦史、岡田 崇
  • 権利者名: 国立大学法人京都大学／株式会社日立製作所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2023
• [産業財産権] 物質合成を実施する方法、およびＣＯ２を吸収し、コハク酸を製造するための方法 (2023)
  • 発明者名: 田辺 麻衣子、佐藤 美和、渡辺 康一、望月 敦史、岡田 崇
  • 権利者名: 国立大学法人京都大学／株式会社日立製作所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2023