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細胞スケールから器官まで、運動する細胞が織りなす協同現象のフィジカルバイオロジー

公募研究

研究領域動く細胞と場のクロストークによる秩序の生成
研究課題/領域番号 25111736
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
研究機関独立行政法人理化学研究所

研究代表者

柴田 達夫  独立行政法人理化学研究所, 生命システム研究センター, 研究ユニットリーダー (10359888)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
2014年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2013年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
キーワード細胞運動 / 走化性 / 集団運動 / 数理モデル
研究実績の概要

本研究では、内部に極性や形態の変化などの自由度を持つ要素=細胞の集団が、1細胞のスケールを超えた秩序を作り出す協同現象が生まれる仕組みを、数理科学の方法を用いて解明した。
1.細胞極性と形態変形を加味した細胞運動の確率微分方程式モデルを提案し、細胞の形態変形が走化性の情報処理に及ぼす影響を示した。(Hiraiwa et al. (2014) Phys. Biol.)
2.細胞性粘菌の走化性シグナル伝達系が自発的に一様性を破り、非対称性を作り出す仕組みが興奮性であることを実験的に示した。さらに、走化性誘引物質の勾配を検出するときも同じ興奮性の仕組みが使われていて、興奮性がバイアスされることで勾配が検出できることを示した。(Nishikawa et al. (2014) Biophys. J. 柴田達夫, 西川正俊, 上田昌宏 (2014) 細胞工学. Shibata et al. (2013) Biophys. J.)
4. 細胞性粘菌は走化性に非依存的な集団運動を示すことが知られている。本年度は、そのための実験系を立ち上げ、PIVなどの画像解析の手法によって集団運動の動態を解析した。さらに細胞性粘菌の細胞間接着に依存的な集団運動の数理モデルを構築した。この方法において細胞の極性運動、持続的運動(persistent motion)、極性のある細胞間接着を考慮に入れた。数値計算から細胞間の接着が一過的であるにもかかわらず、細胞集団として運動の方向性を獲得する集団運動を見いだすことが出来た。
5. 細胞性粘菌の走化性シグナル伝達系における、自発的な非対称性形成の数理モデル(偏微分方程式)の分岐解析を行った。(Nakamura 2015 in prep.)
6. 上皮細胞が接着を維持したまま集団で特定の方向に移動する集団移動を理論的に調べるために、vertex modelを用いた数理モデルを構築した。それぞれの細胞の性質が、どのように組織レベルの運動性に反映されるのかを理論的に調べることができた。(Sato, Hiraiwa, et al. 2015 submitted)

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2015 2014 2013

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 4件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Relevance of intracellular polarity to accuracy of eukaryotic chemotaxis.2014

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hiraiwa, Akihiro Nagamatsu, Naohiro Akuzawa, Masatoshi Nishikawa, Tatsuo Shibata
    • 雑誌名

      Physical Biology

      巻: 11 号: 5 ページ: 056002-056002

    • DOI

      10.1088/1478-3975/11/5/056002

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Excitable Signal Transduction Induces Both Spontaneous and Directional Cell Asymmetries in the Phosphatidylinositol Lipid Signaling System for Eukaryotic Chemotaxis.2014

    • 著者名/発表者名
      Nishikawa M, Horning M, Ueda M and Shibata T.
    • 雑誌名

      Biophys J.

      巻: 106(3) 号: 3 ページ: 723-734

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2013.12.023

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書 2013 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] ゆらぎの伴うシグナル伝達系による走化性細胞のロバストな勾配センシング2014

    • 著者名/発表者名
      柴田達夫, 西川正俊, 上田昌宏
    • 雑誌名

      細胞工学

      巻: 33 ページ: 592-597

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [雑誌論文] Intracellular Encoding of Spatiotemporal Guidance Cues in a Self-Organizing Signaling System for Chemotaxis in Dictyostelium Cells.2013

    • 著者名/発表者名
      Shibata T, Nishikawa M, Matsuoka S, Ueda M
    • 雑誌名

      Biophys J.

      巻: 105(9) 号: 9 ページ: 2199-2209

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2013.09.024

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Scaling of Dorsal-Ventral Patterning by Embryo Size-Dependent Degradation of Spemann’s Organizer Signals2013

    • 著者名/発表者名
      Hidehiko Inomata, Tatsuo Shibata, Tomoko Haraguchi, Yoshiki Sasai
    • 雑誌名

      Cell

      巻: 153 号: 6 ページ: 1296-1311

    • DOI

      10.1016/j.cell.2013.05.004

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical model for cell migration with gradient sensing and shape deformation2013

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hiraiwa, Akinori Baba and Tatsuo Shibata
    • 雑誌名

      Eur. Phys. J. E

      巻: 36 号: 4 ページ: 32-32

    • DOI

      10.1140/epje/i2013-13032-1

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] How cells find which way to go?2015

    • 著者名/発表者名
      Tatsuo Shibata
    • 学会等名
      WE Heraeus Physics School "Model systems for understanding biological processes"
    • 発表場所
      Bad Honnef, Bonn Germany
    • 年月日
      2015-02-22 – 2015-02-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Space-Time dynamics of signaling pathway revealed by single cell fluorescence imaging and mathematical Modelling2014

    • 著者名/発表者名
      Tatsuo Shibata
    • 学会等名
      Department of Physics, National Central University
    • 発表場所
      Jhongli, Taiwan
    • 年月日
      2014-11-25 – 2014-11-28
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Spatiotemporal dynamics of intracellular signaling process for eukaryotic chemotaxis2014

    • 著者名/発表者名
      Tatsuo Shibata
    • 学会等名
      The Joint Annual Meeting of the Japanese Society for Mathematical Biology and the Society for Mathematical Biology
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2014-07-28 – 2014-08-01
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Theoretical model of DV-pattern scaling in Xenopus embryo2013

    • 著者名/発表者名
      柴田達夫
    • 学会等名
      第46回日本発生生物学会シンポジウム
    • 発表場所
      島根県松江市 くにびきメッセ
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Collective unidirectional motion of epithelial Theoretical approach2013

    • 著者名/発表者名
      佐藤勝彦
    • 学会等名
      第46回日本発生生物学会シンポジウム
    • 発表場所
      島根県松江市 くにびきメッセ
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Self-organization in polarity formation and gradient sensing in eukaryotic chemotaxis2013

    • 著者名/発表者名
      柴田達夫
    • 学会等名
      Computational Methods for Bio and Complex Systems
    • 発表場所
      Korea Institute for Advanced Study, Seoul, Korea
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] STOCHASTIC FLUCTUATIONS AND SPONTANEOUS SYMMETRY BREAKING IN THE CHEMOTAXIS SIGNALING SYSTEM OF DICYOSTELIUM CELLS2013

    • 著者名/発表者名
      Tatsuo Shibata
    • 出版者
      World Scientific
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書

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公開日: 2013-05-15   更新日: 2019-07-29  

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