立体流路における神経幹細胞

• 研究課題/領域番号: 18K13515
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 川口 喬吾 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 理研白眉研究チームリーダー (00787319)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2018年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
• キーワード: 細胞集団運動 / トポロジー / 生物物理

研究成果の概要

本研究では、神経幹細胞の培養系において、３次元ゲル培養条件下から染み出る細胞集団の運動がキラリティを持ち、それがミリメートルスケールの時計回りの構造を作ることを見つけた。このキラリティある構造は再現性が高く、いつも同じ回転方向を生じるものであったが、細胞骨格系の阻害剤を用いた実験により、この構造のキラリティにはアクトミオシン系が特に重要であることがわかり、特にそのキラリティの強弱をコントロールする方法も発見した。さらに、キラリティの細胞的起源を探るため、低密度培養条件の実験系・解析系を確立し、一細胞の運動のキラリティと相互作用レベルで生じるキラリティのバランスを定量することも可能となった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、細胞内の構成要素であるタンパク質のキラリティが、数ミリメートルスケールの細胞集団運動のパターンにまで反映されることが分かった。これまでにマクロな構造自体にキラリティが生じる生物試料の例は多く知られていたが、細胞の形状でなく運動のキラリティが効いてパターンが生じ、内部の構成要素が激しく入れ替わっている中でもそれが維持されている例は初めてである。本成果は、キラリティのあるアクティブマター系の物理の研究として一定の意義があることに加え、ヒトの組織・臓器形成の基本原理に新たな知見を加えるものであり、脳の左右非対称性の神経発生過程での起源との関連などの発展性が見込まれる。

研究成果

• [雑誌論文] Activity-induced phase transition in a quantum many-body system (2022)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kyosuke, Takasan Kazuaki, Kawaguchi Kyogo
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW RESEARCH 巻: 4 号: 1 ページ: 013194-013194
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.013194
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Surface wetting by kinetic control of liquid-liquid phase separation (2021)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kyosuke, Kawaguchi Kyogo
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW E 巻: 104 号: 4 ページ: 0-0
  • DOI: 10.1103/physreve.104.l042801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chromatin state switching in a polymer model with mark-conformation coupling (2019)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kyosuke, Kawaguchi Kyogo
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW E 巻: 100 号: 6
  • DOI: 10.1103/physreve.100.060401
  • 査読あり
• [雑誌論文] A large pool of actively cycling progenitors orchestrates self-renewal and injury repair of an ectodermal appendage. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sharir Amnon, Marangoni Pauline, Zilionis Rapolas, Wan Mian, Wald Tomas, Hu Jimmy K, Kawaguchi Kyogo, Castillo-Azofeifa David, Epstein Leo, Harrington Kyle, Pagella Pierfrancesco, Mitsiadis Thimios, Siebel Christian W, Klein Allon M, Klein Ophir D
  • 雑誌名: NATURE CELL BIOLOGY 巻: 21 号: 9 ページ: 1102-1112
  • DOI: 10.1038/s41556-019-0378-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Homeostatic epidermal stem cell self-renewal is driven by local differentiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Kailin R. Mesa, Kyogo Kawaguchi, Katie Cockburn, David Gonzalez, Jonathan Boucher, Tianchi Xin, Allon M. Klein, and Valentina Greco
  • 雑誌名: Cell Stem Cell 巻: 23 号: 5 ページ: 677-686.e4
  • DOI: 10.1016/j.stem.2018.09.005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unattainability of Carnot efficiency in thermal motors: Coarse graining and entropy production of Feynman-Smoluchowski ratchets (2018)
  • 著者名/発表者名: Yohei Nakayama, Kyogo Kawaguchi, and Naoko Nakagawa
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 98 号: 2 ページ: 022102-022102
  • DOI: 10.1103/physreve.98.022102
  • 査読あり
• [学会発表] 細胞集団運動とトポロジー (2022)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: KEK IPNS-IMSS-QUP Joint workshop
  • 招待講演
• [学会発表] Active matter physics in multicellular dynamics and quantum models (2022)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: アクティブマター研究会2022
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動とトポロジー (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 基研研究会「開放系トポロジーの探求」
  • 招待講演
• [学会発表] Graph-based machine learning and statistical physics for tissue homeostasis (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 2021 NCTS Physics in Complex Systems Workshop, National Taiwan University
  • 招待講演
• [学会発表] 生命現象と多体系物理 ―流れる細胞集団、ターンオーバーする組織― (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 高遠シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 恒常性・発生動態における 細胞運命決定のルール推定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 日本細胞生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞運命決定のメカニズム推定問題 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 東京大学理学系研究科 物理学教室 コロキウム
  • 招待講演
• [学会発表] 『これから一緒に研究する君へ』 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 脳科学若手の会 関西支部セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium and topological concepts in multicellular dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: RIKEN BDR Symposium 2021
  • 招待講演
• [学会発表] 生物系の多体現象と非平衡物理 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 東京大学工学部 物理工学科 ワークショップ「物理工学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] Chiral Dynamics and Boundary Wave of Active Nematic Neural Progenitors (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: Special Virtual Seminar, The University of Chicago
  • 招待講演
• [学会発表] Chiral dynamics and boundary wave of active nematic neural progenitors (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: Informal meeting : Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動のキラリティとトポロジー (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 東京大学 理学系研究科 生物科学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] アクティブネマティック細胞とキラリティ (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 山田研究会「動的過程における右と左」ー非平衡、非対称、非線形が紡ぐ学際研究ー」
  • 招待講演
• [学会発表] Applying condensed matter concepts to collective cell dynamics and tissues (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: ASHBi Retreat
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動の非平衡物理とトポロジー (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 待兼山コロキウム, 大阪大学
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動とトポロジー (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 筑波大学物性セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Active nematic cells and topology (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: East Asia Joint Seminars on Statistical Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動とトポロジー (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: KUIAS-Heidelberg-RIKEN iTHEMS joint workshop, Kyoto Univ.
  • 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium properties of multicellular systems (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: RIKEN Summer School Retreat
  • 招待講演
• [学会発表] Physical properties of homeostatic and active tissues (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium physics of collective cell migration and tissue homeostasis (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: Academia Sinica (seminar)
  • 招待講演
• [学会発表] 成体組織恒常性の普遍モデルとその性質 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会 第71回日本細胞生物学会大会 合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 成体組織恒常性の非平衡物理 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 北大MMCセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium physics of multicellular dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口喬吾
  • 学会等名: 定量生物学の会・年会
  • 招待講演
• [学会発表] 成体組織恒常性の普遍モデルとその性質 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口喬吾
  • 学会等名: 日本細胞生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Multicellular systems and nonequilibrium physics (2018)
  • 著者名/発表者名: 川口喬吾
  • 学会等名: Yukawa Institute & RIKEN iTHEMS joint meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Spatio-temporal fate coordination in skin homeostasis (2018)
  • 著者名/発表者名: 川口喬吾
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [図書] "相分離生物学の全貌" (2020)
  • 著者名/発表者名: 足立 景亮, 川口 喬吾
  • 総ページ数: 416
  • 出版者: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466
• [図書] "物理科学,この1年 2020 (Parity)" (2020)
  • 著者名/発表者名: パリティ編集委員会 編
  • 総ページ数: 166
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 9784621304860