神経幹細胞の回転運動と3次元フローを幾何学的に制御する

• 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: 18H04760
• 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
• 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 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円); 2019年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2018年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
• キーワード: 細胞集団運動 / アクティブマター / 生物物理

研究実績の概要

本公募研究では、神経幹細胞の細胞集団運動の観察を行い、細胞集団回転運動のメカニズム解明(目的1)と、立体流路での培養と観察による 3 次元的な細胞ストリームの制御(目的2)を目指した。目的1に関しては、マトリゲル内培養条件から細胞が流出する系を用いることで、細胞のキラリティにより大域的ならせんパターンが生じる現象を発見し、そのキラリティがアクトミオシン系の阻害剤により定量的に制御できることも示した。さらに、基板コーティングをスタンプパターンにより任意の形状で行う実験系を導入してそれを最適化し、細胞集団の回転運動がパターンの端で特に強く現れることを見つけた。この端に局在化した一方向の細胞流は、アクティブな液晶の数値シミュレーションや理論にキラリティを導入することで再現でき、さらに細胞密度の時空スペクトルの解析などから、この現象は凝縮系物理における端状態とのアナロジーで理解できることが分かった。本研究成果は近日中に論文投稿予定である。目的２に関しては、細胞核と同時に細胞体や接着状況を観察する株を作成し、ゲル状にマイクロパターンを作る実験や透明チューブを用いた実験を行ったが、3次元環境下で細胞運動が長時間継続する条件を見つけるのが困難であった。3次元培養条件をさまざまに検討する中で、特に神経幹細胞がマトリゲル内で立体的なネットワーク構造が作られ、細胞流が自発的に生じる現象を見つけた。現在この構造形成と細胞流のメカニズム解明のために観察条件の最適化と摂動実験を進めている。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元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] 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] 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] "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