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細胞のターニング応答に関する数理動態解析から網羅的解析へのアプローチ

公募研究

研究領域数理解析に基づく生体シグナル伝達システムの統合的理解
研究課題/領域番号 17H05992
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 複合領域
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) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
2018年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2017年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
キーワード数理モデル / 適応応答 / ターニング / 走化性 / 免疫細胞 / 細胞運動
研究実績の概要

細胞運動のモデル生物種である細胞性粘菌や好中球様HL60細胞の研究進展から、Ras, Racなどの低分子量Gタンパクなどの走化性シグナルの実態の理解が進んでいる中、これらの細胞内シグナルと細胞動態の関係は複雑であり、その因果の理解には、数理モデル解析と実験解析との深い連携が必須である。本研究では、受容体直下のCdc42, Rac, Ras, PI3Kなどの因子が、刺激変化の時定数や濃度レンジの情報を選択的にかつ時間順序をもって伝え、細胞のターニング行動がどのように実現しているか、マイクロ流体デバイスを用いた刺激の時空間制御とライブセル測定解析をおこなった。特に2年度は、実際の顕微鏡データの解析と、コアネットワークを数理モデルで定式化した解析との比較のため、機械学習による特徴量抽出をおこない、形状パターンと運動パターンとの対応関係を調べた。具体的には、ターニング様式の違いの基盤にあると考えられる極性の強さ、ならびに仮足形成の頻度とその空間的なバイアスに注目し、その違いをもっとも顕著に表していると考えられる3つの細胞腫として、細胞性粘菌、好中球、魚ケラトサイトに注目した。これらのスナップショットデータを移動方向の向きと細胞サイズをそろえたマスク画像として規格化し、畳み込みによる深層学習によって、これら3種の細胞に類型的な3つの細胞形状を分類させた。この過程で得られた特徴量パラメータを、フェーズフィールド法を用いて定式化した数理モデルの数値計算結果の解析に用いた。モデルは、代表者らのこれまで解析してきたモデルに、Rho-GTPの状態遷移に関わる反応を組み込んだものを採用した。特徴量空間による比較による、モデルパラメータ選定により、典型的な細胞形態とその運動様式の違いの対応を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (37件)

すべて 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (35件) (うち国際学会 3件、 招待講演 12件)

  • [雑誌論文] Tissue self-organization based on collective cell migration by contact activation of locomotion and chemotaxis2019

    • 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

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 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 amoeba2017

    • 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

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] A machine learning and dynamical modeling approach to morphology landscape of migrating cells2019

    • 著者名/発表者名
      澤井 哲
    • 学会等名
      1st International symposium on Interdisciplinary Approaches to Integrative Understanding of Biological Signaling Networks
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Search strategy in fast-migrating cells: direction sensing, memory, and polarity2019

    • 著者名/発表者名
      中島昭彦
    • 学会等名
      Reinforcement Learning & Biological Intelligence: Learning from biology
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 強い基質接着条件で現れる細胞性粘菌の扇形移動形態の解析2019

    • 著者名/発表者名
      本田玄
    • 学会等名
      定量生物の会第9回年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 変動する誘引分子濃度勾配に対する好中球様HL60細胞の走化性の定量的解析2019

    • 著者名/発表者名
      石田元彦
    • 学会等名
      定量生物の会第9回年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 深層学習による細胞運動の形状解析2019

    • 著者名/発表者名
      井元大輔、斉藤稔、澤井 哲
    • 学会等名
      2019年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 接触誘導型の追従運動と走化性の2つの集団運動による自己組織化2018

    • 著者名/発表者名
      澤井 哲
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会ワークショップ「生物における自発的秩序形成」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 反応拡散とフェイズフィールドから理解する細胞変形と集団ダイナミクス2018

    • 著者名/発表者名
      澤井 哲
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会シンポジウム 「いきた形の新規生成に挑む、理論モルフォダイナミクス " Theoretical morphodynamics - towards understanding emerging shapes of life"」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞性粘菌にみるアメーバ界の多細胞性2018

    • 著者名/発表者名
      澤井 哲
    • 学会等名
      東京大学大学院農学生命科学研究科 微生物潜在機能探索(発酵研究所)寄付講座 最終報告会および記念講演会「関わりあう微生物」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] やわらかさと複雑さから考える生物普遍性2018

    • 著者名/発表者名
      澤井 哲
    • 学会等名
      日本哲学会第77回大会 学協会シンポジウム「生命とは何か?」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Cell-size dependent polarity dynamics revealed by high-throughput imaging and machine learning analysis2018

    • 著者名/発表者名
      中島昭彦、石田元彦、藤森大平、澤井 哲
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Phase-field modeling of complex cell deformation and multi-celllular motion2018

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Imoto, Nen Saito, Satoshi Sawai
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Exploring the basic law that determines the shape of fast moving cells2018

    • 著者名/発表者名
      本田玄
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Optgenetic analysis of small GTPases in cell migration2018

    • 著者名/発表者名
      島田奈央、藤城美奈、澤井 哲
    • 学会等名
      日本細胞性粘菌学会第8回例会山口大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 細胞サイズ依存的な細胞極性動態2018

    • 著者名/発表者名
      中島昭彦、水沼周子、藤森大平、石田元彦、澤井哲
    • 学会等名
      日本細胞性粘菌学会第8回例会山口大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 強い基質接着条件で現れる扇形移動形態の解析2018

    • 著者名/発表者名
      本田玄、澤井 哲
    • 学会等名
      日本細胞性粘菌学会第8回例会山口大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] A cell-size dependent polarity mechanism revealed by high-throughput imaging analysis of migrating cells2018

    • 著者名/発表者名
      中島昭彦、石田元彦、松本朱加、澤井 哲
    • 学会等名
      第70回細胞生物学会・第51回発生生物学会 合同年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [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」
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 変動する誘引物質濃度勾配への好中球様HL60細胞の追従性能の解析2018

    • 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2回公開シンポジウム 若手研究交流会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [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回日本生物物理学会関東支部会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [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
      第7回日本生物物理学会関東支部会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Spatio-temporal constraints on cellular sensing: what it means for universal biology2017

    • 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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 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
      Daisuke Imoto, Nen Saito, Satoshi Sawai
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [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~」
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [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)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Chemotactic analysis of neutrophil-like HL60 cells based on cells persistent polarity and immediate responsiveness to chemoattractant2017

    • 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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Actin waves and cell polarity regulated by substrate geometry2017

    • 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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Small GTPase F-actin and cell morphology dynamics in migrating cells under well-defined noisy chemoattractant gradients2017

    • 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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2023-12-25  

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