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2020 年度 実績報告書

多細胞システムにおける細胞運動と運命決定の情報処理特性の解析

計画研究

研究領域情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理
研究課題/領域番号 19H05801
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)

研究分担者 猪股 秀彦  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (60372166)
中島 昭彦  東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (90612119) [辞退]
研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2024-03-31
キーワード入出力関係 / 細胞運動 / 細胞分化 / モルフォゲン / マイクロ流体デバイス
研究実績の概要

細胞の移動、停止、浸潤、分化が、細胞組織中の複雑な場に含まれる情報のうち何を頼りに決定されているのかは、本領域が掲げる情報物理学の裾野をひろげる展開にとって重要である。本研究では、ごく微弱なケモカインの濃度差で細胞の前側と後ろ側が決定する細胞遊走と、モルフォゲンを頼りに、1細胞分の空間精度で細胞分化領域の境界が決定される細胞分化に注目する。細胞遊走については、その情報処理特性ごとの分類を視野に入れ、誘引因子の絶対濃度依存性として、いわゆるケモキネシス(ランダム運動の亢進)と相対濃度依存性としてケモタクシス(走化性)、走触性を見分けられるような、実験条件の確立を進めた。この問題を困難にしている理由の1つが、ケモキネシス効果を調べるような実験解析では必ず、刺激投入後の濃度変化への応答が混入しており、先行知見はこれを区別する解析が十分なされてこなかった。 そこで、細胞性粘菌の誘引分子である細胞外サイクリックAMP濃度の時間的、空間的変化にたいする過渡的応答から十分時間が経過した後について、細胞のランダム運動特性を解析するための灌流実験についてその条件出しをおこなった。予備的な結果から、cAMPの絶対濃度依存性は細胞側面から後端を特徴づけるミオシンIIとそれに架橋されたアクチンの分布と状態に大きく影響することが見られており、ミオシンIIならびにその調節因子の遺伝子改変株の作成を同時に進めた。また、好中球様HL細胞については、UV照射型のパターン化装置を前年度確立させたこと受け、フィブロネクチンの濃度勾配を形成させ、その運動バイアスが生じる条件を探索した。細胞間相互作用を制御するため、人工分子の設計および選定を行い、細胞間接着制御を微小化合物を用いて異なる細胞間で人為的に誘起できる系のゼブラフィッシュでの応用、さらに細胞性粘菌への適応をはかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

細胞間接着と細胞運動について、その入出力関係を洗い出すため、代表者らが得意としてきた液性因子の時空間制御に加えて、細胞―基質、細胞―細胞間の近接シグナル、接着制御が進んでおり、一部はin vivoで作用することも確認できている。In vivoについては、当初計画のアフリカツメガエルに加え、遺伝的操作と可視化のしやすいゼブラフィッシュの導入も順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

UV反応性のPEG分解剤を基質上に導入し、パターン領域にUVを照射することにより作成する基質接着因子の入力制御の系について、好中球様細胞は、昨年度までに細胞遊走の方向選択性をバイアスさせる接着条件を見出しつつあり、フィブロネクチン濃度勾配の条件を体系的に探索し、その以前性を解析する。さらに前年度導入が進んだゼブラフィッシュの系を活用し、ゼブラフィッシュから単離した神経堤細胞が遊走を示す培養条件を探索し、同様の定量的解析を可能とする系を開発する。具体的には神経堤細胞のマーカー遺伝子であるsox10プロモータかでGFPを発現するトランスジェニックゼブラフィッシュの12時間胚を機械刺激によって解離し、セルソーターによって分離回収した後に、sox10+が維持、培養できる培地、基質諸条件を体系的に探索する。また、好中球細胞を蛍光標識するLysC+マーカー遺伝子を組み入れたトランスジェニックゼブラフィッシュの分与を受け、同様の活用を可能とする飼養サイクルを確立する。これらの系をすすめることで、これまで粘菌や培養細胞に限定されていた細胞運動についての入出力関係のin vivoにより資する特徴付けの基礎とする。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件) 図書 (3件)

  • [雑誌論文] Comparative mapping of crawling-cell morphodynamics in deep learning-based feature space2021

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Imoto, Nen Saito, Akihiko Nakajima, Gen Honda, Motohiko Ishida, Toyoko Sugita, Sayaka Ishihara, Koko Katagiri, Chika Okimura, Yoshiaki Iwadate, Satoshi Sawai
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 17(8) ページ: e1009237

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1009237

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Three-dimensional morphodynamic simulations of macropinocytic cups2021

    • 著者名/発表者名
      Nen Saito, Satoshi Sawai
    • 雑誌名

      iScience

      巻: - ページ: 103087

    • DOI

      10.1016/j.isci.2021.103087

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optogenetic relaxation of actomyosin contractility uncovers mechanistic roles of cortical tension during cytokinesis2021

    • 著者名/発表者名
      Kei Yamamoto, Haruko Miura, Motohiko Ishida, Yusuke Mii, Noriyuki Kinoshita, Shinji Takada, Naoto Ueno, Satoshi Sawai, Yohei Kondo, Kazuhiro Aoki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12(1) ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41467-021-27458-3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Microtopographical guidance of macropinocytic signaling patches2021

    • 著者名/発表者名
      Gen Honda, Nen Saito, Taihei Fujimori, Hidenori Hashimura, Mitsuru J. Nakamura, Akihiko Nakajima, Satoshi Sawai
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 118(50) ページ: e2110281118

    • DOI

      10.1073/pnas.2110281118

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Macropinocytic cup formation and topographical cell guidance2021

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Sawai
    • 学会等名
      BIRS Workshop on Modeling and Computational Approaches to Individual and Collective Cell Movement in Complex Environments
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 細胞性粘菌の自己組織的集合を支える入出力特性2021

    • 著者名/発表者名
      澤井 哲
    • 学会等名
      応用物理学会トータルバイオミメティクス研究会基礎講座
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞性粘菌の細胞分化における糖代謝酵素PEPCの機能解析2021

    • 著者名/発表者名
      阿部健一、桑名 悟史、亀谷 匠郁、田岡 和晃、橋村 秀典、平岡陽花、福澤 雅志、澤井 哲
    • 学会等名
      日本細胞性粘菌学会第 11 回例会
  • [学会発表] ライトシート顕微鏡を用いた子実体形成運動の 3 次元ライブイメージング2021

    • 著者名/発表者名
      桑名悟史、橋村秀典、安達智子、澤井哲
    • 学会等名
      日本細胞性粘菌学会第 11 回例会
  • [学会発表] 細胞選別の2次元再構築系を用いた運動解析2021

    • 著者名/発表者名
      橋村秀典、 藤森大平、安達智子、澤井哲
    • 学会等名
      日本細胞性粘菌学会第11回例会
  • [学会発表] 細胞性粘菌 Dictyostelium discoideum の細胞型特異的な運動形状ダイナミクスの 解析2021

    • 著者名/発表者名
      村山菜月、桑名悟史、上道雅仁、橋村秀典、澤井哲
    • 学会等名
      日本細胞性粘菌学会第11回例会 NBRP細胞性粘菌ワークショップ2021
  • [学会発表] Changes in the Migration Behavior of Zebrafish Neural Crest Cells under Low O2 Conditions2021

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Kasamatsu, Hidenori Hashimura, and Satoshi Sawai
    • 学会等名
      第54回 日本発生生物学会年会
  • [学会発表] 細胞性粘菌の細胞型特異的な運動形状ダイナミクスの定量的解析2021

    • 著者名/発表者名
      村山 菜月、桑名 悟史、上道 雅仁、橋村 秀典、澤井 哲
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 回転的な細胞集団運動とインターカレーションによって駆動される細胞性粘菌の子実体形成2021

    • 著者名/発表者名
      桑名悟史、橋村秀典、安達智子、澤井哲
    • 学会等名
      第44回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] Contact activation of locomotion - a defining mode of collective migration in amoebozoa morphogenesis2020

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Sawai
    • 学会等名
      JSDB Online Trial Meeting 2020 Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Comparative Mapping of Migrating Cell Morphology and Phase-Field Modeling2020

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Sawai
    • 学会等名
      JSPS Core-to-Core Program "Establishing International Research Network of Mathematical Oncology"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 生体の科学 72(3)「仮足と細胞極性の動力学コンセプト」2021

    • 著者名/発表者名
      澤井 哲
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      医学書院
  • [図書] 実験医学増刊 Vol.38 No.20「機械学習を生命科学に使う!」小林徹也、杉村薫、舟橋啓(編)第4章1-12020

    • 著者名/発表者名
      斉藤 稔, 井元大輔, 澤井 哲
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      羊土社
    • ISBN
      978-4-7581-0391-6
  • [図書] 細胞の理論生物学2020

    • 著者名/発表者名
      金子 邦彦, 澤井 哲, 高木 拓明, 古澤 力
    • 総ページ数
      352
    • 出版者
      東京大学出版会
    • ISBN
      9784130626217

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公開日: 2022-12-28  

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