誘引場と動きから生まれる協同的パターンの構成的操作と理解

• 研究課題/領域番号: 15KT0076
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 特設分野
• 研究分野: 構成的システム生物学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 澤井 哲 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (20500367)
• 研究期間 (年度): 2015-07-10 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2019年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2019年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2018年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2017年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2016年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2015年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 細胞運動 / オプトジェネティクス / 集団運動 / 自己組織化 / 細胞性粘菌 / 走化性 / cAMP波

研究実績の概要

細胞運動のモデル種である細胞性粘菌Dictyostelium discoideumでは数万個の細胞が走化性誘因物質としてサイクリック ＡＭＰ(ｃＡＭＰ)を自己分泌的に放出する。細胞全体で応答と放出のリズムが揃うことで、回転しながら外側に伝播するｃＡＭＰのらせん波が自己組織的に形成され、これに向かう方向（順方向）の走化性によって細胞が集合する。本研究課題では、単一細胞レベルのシグナル応答の動作原理と自己組織化の数理に立脚し、光による分子活性制御を用いて介入することで、cAMPの回転らせん波と細胞の動きをリアルタイムに操作し、自己組織化されるパターンがとりうる多様な表現型空間を構成的に明らかにすることを目的とした。光依存的に低分子量GタンパクＲａｓやＲａｃを活性化させるオプトジェネティクスの系を細胞性粘菌で初めて実装し、細胞変形に与える影響などを中心に、その基本動作をライブセルイメージングを中心に調べた。特に、Ｒａｓ、Ｒａｃ、ＰＩ3キナーゼのベーサル活性との関係について解析を進めた。さらに、新たにわかってきた細胞遊走の細胞間接着因子依存性に着目し、これを制御することで、細胞の運動を完全に停止させる条件、またcAMPの勾配とは直交する方向への運動を誘導させることに成功し、集団運動をともなったパターン形成を２つの基本的なモードに分解して理解できることを構成的に示した。最終年度は、これまで培ったオプトジェネティクスの系と、微小流体デバイスによる操作を組み合わせることで、集合塊におけるcAMPの分布、細胞配置と回転運動の制御をこころみた。内在の駆動系による動きが支配的であり、オプトジェネティクスによる集団動態への十分な摂動は得られなかっものの、微小チャンバーによる定量的な動態解析が進み、回転運動の制御にSCARの膜局在の制御の重要性など今後の課題が明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] Tissue self-organization based on collective cell migration by contact activation of locomotion and chemotaxis (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujimori Taihei、Nakajima Akihiko、Shimada Nao、Sawai Satoshi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences USA 巻: 116 号: 10 ページ: 4291-4296
  • DOI: 10.1073/pnas.1815063116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fold-change detection and scale-invariance of cell-cell signaling in social amoeba (2017)
  • 著者名/発表者名: Kamino, K, Kondo, Y., Nakajima, A., Honda-Kitahara M., Kaneko, K., Sawai S.
  • 雑誌名: Proc. Nat. Acad. Sci. USA 巻: 114 号: 21
  • DOI: 10.1073/pnas.1702181114
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] はいまわる細胞の形態表現空間とデータ駆動解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 2019年度日本数理生物学会年会 企画シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] A physico-chemical modeling and data-driven approach to cell morphology dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: NanoELSI 公開セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Mathmatical model-based analysis of morphodynamic spectrum of fast migrating cells (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Deciphering morphology landscape of fast migrationg cells by dynamical systems modeling and machine learning (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 2019 A3 Workshop on Mathematical Life Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of plasticity in amoeboid morphology toward the comprehensive understanding of cell migration (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田 玄
  • 学会等名: 2019 A3 Workshop on Mathematical Life Science
  • 国際学会
• [学会発表] 階層をつなぐ視点からダイナミクスを考える。 (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 第31回高遠・分子細胞生物学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞性粘菌アメーバの移動形態における可塑性の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田 玄
  • 学会等名: 第31回高遠・分子細胞生物学シンポジウム
• [学会発表] Morphodynamic feature space of migrating cells (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会 年会
• [学会発表] Decision making of migratory direction of neutrophil-like HL60 cells in dynamical chemoattractant gradient (2019)
  • 著者名/発表者名: 石田元彦
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会 年会
• [学会発表] Morphodynamic feature space of migrating cells (2019)
  • 著者名/発表者名: 井元大輔
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会 年会
• [学会発表] 光遺伝学的操作による低分子量 GTPase の機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 島田奈央
  • 学会等名: 第9回日本細胞性粘菌学会例会
• [学会発表] 形態形成・組織運動に関わる細胞型依存的な運動形態を生み出す分子動態の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 橋村秀典
  • 学会等名: 第9回日本細胞性粘菌学会例会
• [学会発表] アメーバ細胞の移動形態における可塑性の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田 玄
  • 学会等名: 第9回日本細胞性粘菌学会例会
• [学会発表] Developmental stability against selection for solitary in the social amoeba Dictyostelium discoideum (2019)
  • 著者名/発表者名: 城川祐香
  • 学会等名: 第9回日本細胞性粘菌学会例会
• [学会発表] Toward construction of artificial multicellular system using manipulation of cell migration and ahesion. (2019)
  • 著者名/発表者名: 島田奈央
  • 学会等名: 第2回ExCELLS シンポジウム
• [学会発表] Microtopographical guidance of feeding cups in Dictyostelium discoideum (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田 玄
  • 学会等名: MBI-UBI 2nd joint symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞性粘菌から理解する遊走性細胞組織の知覚と行動原理 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島昭彦
  • 学会等名: 第57回つくば藻類・プロティストフォーラム
• [学会発表] Integration of cell polarity and direction sensing in chemotactic (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島昭彦
  • 学会等名: Interface between Immunology & Quantitative Biology
• [学会発表] 細胞遊走動態からみる細胞・組織秩序の創発原理 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島昭彦
  • 学会等名: 定量研シンポジウム「生命科学の若手フロンティア」
• [学会発表] Cell size-dependent polarity dynamics in cells and tissues (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島昭彦
  • 学会等名: Annual meeting of Japanese Society of Developmental Biologists
• [学会発表] 細胞性粘菌の集団運動を表現するフェーズフィールドモデルの構築に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 井元大輔、斉藤稔、澤井哲
  • 学会等名: 軽井沢グラフと解析研究集会
• [学会発表] フェーズフィールド法シミュレーションによる細胞のはいまわり運動 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井元大輔、斉藤稔、澤井哲
  • 学会等名: 第7回生物物理関東支部会
• [学会発表] 基質表面の三次元形状によって方向づけられるアクチン波の伝播と細胞移動の生細胞画像解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本田玄、中島昭彦、澤井哲
  • 学会等名: 第7回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] 細胞性粘菌アメーバのcAMP勾配反転に対する細胞極性の制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 入江陽一
  • 学会等名: 日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] 動く細胞の情報処理特性の理解に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 自然科学研究機構新分野創成センターシンポジウム「分野横断・分野融合研究による生命創成を探究する新しい科学の創成」
  • 招待講演
• [学会発表] フェイズフィールドから読み解く細胞変形ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会・新学術領域ゆらぎと構造の協奏共催シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Spatio-temporal constraints on cellular sensing: what it means for universal biology (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Sawai
  • 学会等名: International Symposium of the origin of life ? synergy among the RNA： protein and lipid worlds
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞性粘菌の細胞ダイナミクス：振動、波、走化性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 明治大学先端数理科学インスティチュート(MIMS)現象数理学拠点共同集会「時空間ダイナミクス～生命現象における時間変化を伴う空間秩序～」
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞性粘菌における集団的細胞運動の一細胞レベル動態解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤森大平
  • 学会等名: 第69回日本細胞生物学会大会
• [学会発表] 進行波刺激に対するHL60細胞の応答解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石田 元彦
  • 学会等名: 新学術領域「数理シグナル」若手研究交流会
• [学会発表] Phase-field simulations of Multi-cellular Coordinated Motion (2017)
  • 著者名/発表者名: 井元大輔、斉藤稔、澤井哲
  • 学会等名: 新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」第4回領域研究会
• [学会発表] Actin waves and cell polarity on microridges (2017)
  • 著者名/発表者名: 本田玄、中島昭彦、澤井哲
  • 学会等名: 新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」第4回領域研究会
• [学会発表] フェーズフィールド法によるシミュレーションを用いた多細胞の集団的な回転運動の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 井元大輔、斉藤稔、澤井哲
  • 学会等名: 新学術領域「生物の3D形態形成を構築するロジック」2017年度班会議
• [学会発表] 細胞性粘菌における接触追従運動のマイクロ流路を用いた動態解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤森大平
  • 学会等名: 新学術領域「生物の3D形態を構築するロジック」2017年度班会議
• [学会発表] 動的な誘引場における好中球様HL60細胞の走化性解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石田 元彦
  • 学会等名: 新学術領域「数理シグナル」第1回若手ワークショップ
• [学会発表] 走化性細胞遊走の時空間情報処理特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中島昭彦
  • 学会等名: 2017年度応用数理学会 数理医学サブシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Chemotactic analysis of neutrophil-like HL60 cells based on cells persistent polarity and immediate responsiveness to chemoattractant (2017)
  • 著者名/発表者名: 石田 元彦
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Actin waves and cell polarity regulated by substrate geometry (2017)
  • 著者名/発表者名: 本田玄、中島昭彦、澤井哲
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Small GTPase F-actin and cell morphology dynamics in migrating cells under well-defined noisy chemoattractant gradients (2017)
  • 著者名/発表者名: 入江陽一
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
• [学会発表] フェーズフィールド法による細胞性粘菌の形と運動のシミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 井元大輔、斉藤稔、澤井哲
  • 学会等名: 第7回日本細胞性粘菌学会例会
• [学会発表] Contact followingとは何か？集団運動と細胞選別における役割 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤森大平
  • 学会等名: 第7回日本細胞性粘菌学会例会
• [学会発表] cAMP勾配反転に伴う向き直り様式と低分子量GTPase動態の濃度変化依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 入江陽一
  • 学会等名: 第7回日本細胞性粘菌学会例会
• [学会発表] 反応拡散とフェイズフィールドから読み解く細胞の変形ダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 第11回物性科学領域横断研究会（領域合同研究会）
  • 招待講演
• [学会発表] Phase-field Simulations of Multi-cellular Rotational Motion（ポスター賞受賞） (2017)
  • 著者名/発表者名: 井元大輔、斉藤稔、澤井哲
  • 学会等名: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging analysis of actin waves and cell polarity on microstructured surfaces (2017)
  • 著者名/発表者名: 本田玄、中島昭彦、澤井哲
  • 学会等名: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamics of contact following in Dictyostelium (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 生命動態システム科学四拠点・CREST・PRESTO・QBiC 合同シンポジウム「生命動態の分子メカニズムと数理」
  • 発表場所: シェラトンホテル広島（広島県東区）
  • 年月日: 2016-03-25
• [学会発表] Delineating temporal and spatial aspects of directional sensing in migrating cells (2016)
  • 著者名/発表者名: 中島 昭彦
  • 学会等名: 4th Annual Winter Q-Bio Meeting
  • 発表場所: Oahu - Sheraton Waikiki, Hawaii
  • 年月日: 2016-02-17
• [学会発表] Revisiting cell migration mechanisms of crawling cells (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 定量生物学会 東京シンポジウム
  • 発表場所: 京大学駒場Ⅱキャンパス(東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-01-10
  • 招待講演
• [学会発表] Revisiting cell migration mechanisms of crawling cells (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 定量生物学会 東京シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学駒場Ⅱキャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-01-10
• [学会発表] Numerical study of a phase-field model that incorporate chemotaxis and cell-cell interaction (2016)
  • 著者名/発表者名: 井元 大輔
  • 学会等名: 定量生物学会 東京シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学駒場Ⅱキャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-01-09
• [学会発表] 細胞性粘菌にみる形態形成の溯源的性質 ー 接触追従と回転運動 (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: 基生研研究会「物理学は生物現象の謎を解けるか」
  • 発表場所: 基礎生物学研究所（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2016-01-06
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞の集団的運動を理解するための構成的・定量的アプローチ (2015)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会及び第88回日本生化学大会合同大会）
  • 発表場所: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-12-02
  • 招待講演
• [学会発表] Dissecting temporal and spatial information for direction sensing in migrating cells (2015)
  • 著者名/発表者名: 中島 昭彦
  • 学会等名: ICSB2015 (16th International Conference On Systems Biology)
  • 発表場所: Biopolis, Singapore
  • 年月日: 2015-11-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞の方向転換における誘引場の時間空間センシング (2015)
  • 著者名/発表者名: 中島 昭彦
  • 学会等名: 第5回細胞性粘菌学会例会
  • 発表場所: 弘前大学文京町地区キャンパス（青森県弘前市）
  • 年月日: 2015-10-10
• [学会発表] "The dynamics of cell polarity during collective migration of Dictyostelium cells" 細胞性粘菌の集団運動における細胞極性の動態 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤森 大平
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • 年月日: 2015-09-14
• [学会発表] Leading edge dynamics during collective migration of Dictyostelium cells (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤森 大平
  • 学会等名: QBIC2015“High-Dimensional data for the design principles of life”
  • 発表場所: 理化学研究所生命システム研究センター（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-08-26
  • 国際学会
• [学会発表] Chemotaxis and Contact-Mediated Ordering of Directionality in Aggregating Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: 澤井 哲
  • 学会等名: SFS2015 (International Symposium on Synergy of Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015)
  • 発表場所: 京都大学 芝蘭会館（京都府京都市）
  • 年月日: 2015-08-23
  • 国際学会
• [図書] 集団運動による自己組織的パターン形成（実験医学2019年8月号 37(13)（山下俊英 企画）） (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤井哲、藤森大平
  • 総ページ数: 145
  • 出版者: 株式会社羊土社
  • ISBN: 9784758125222
• [図書] 物理科学雑誌パリティ『特集 ゆらぎと構造からみる非平衡の世界』 Vol.32 (11)「細胞内反応場のゆらぎと細胞運動」 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石原秀至、澤井哲
  • 総ページ数: 71
  • 出版者: 丸善出版
• [備考] 生命システムの物理学 澤井研究室
  • URL: http://sawailab.c.u-tokyo.ac.jp/sawai-profile.html