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2021 年度 実績報告書

上皮組織のミニマルな多細胞ユニットの力学制御メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 19K16096
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

山本 尚貴  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, 研究員 (30805338)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード生物物理 / 上皮組織 / メカノバイオロジー / 機械学習 / グラフニューラルネットワーク
研究実績の概要

上皮細胞が隙間なく接着した細胞層である上皮組織は、多細胞生物の生命活動に不可欠であり、上皮組織の機能解明は生物学の重要な課題である。上皮組織は、細胞同士が互いに力を及ぼし合うことで細胞間接着を維持しながら、動的に互いの位置関係を変化させ、生物学的機能を果たす。そのため、上皮組織の機能の理解のためには、上皮組織の動態を支配する細胞間の力学機構を解明することが不可欠である。本研究では「細胞間の力が各細胞の状態を介した細胞間の相互作用により、どのように制御されているか」を定量的に明らかにすることを目指した。
本年度は、前年度に引き続き、上皮組織の力学的な性質と動的な性質の関係を明らかにするために、上皮組織の数理モデルである二次元細胞バーテックスモデルを用いて、細胞間の張力や接着力などの力学的な性質の時間的な変化が上皮組織のダイナミクスにどのような影響を及ぼすかについて調べた。具体的には、バーテックスモデルに張力の時間的なゆらぎの効果を導入し、張力ゆらぎの持続時間をパラメータとし細胞の拡散ダイナミクスを調べてきた。その結果、前年度には、張力ゆらぎの持続時間が小さいときには、拡散係数が単調に増加し、持続時間が大きいときには単調に減少し、拡散係数が張力ゆらぎの持続時間に対して非単調に変化することが明らかになった。しかし、そのメカニズムについては明確にできていなかったため、本年度は、モデルの振る舞いをさらに調べることでメカニズムを明らかにした。これらの結果をとりまとめた論文は、論文誌に受理され、出版されている。
また、本研究では、細胞の状態に依存した細胞間の相互作用のルールを、多細胞系のイメージングデータから抽出する必要があるが、本年度は、そのための手法を機械学習の手法であるグラフニューラルネットワークを用いて提案した。その結果は、論文にとりまとめ、現在査読中である。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 オープンアクセス 2件、 査読あり 3件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件)

  • [国際共同研究] Syracuse University/Yale University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Syracuse University/Yale University
  • [雑誌論文] Non-monotonic fluidization generated by fluctuating edge tensions in confluent tissues2022

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Takaki、Sussman Daniel M.、Shibata Tatsuo、Manning M. Lisa
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 18 ページ: 2168~2175

    • DOI

      10.1039/D0SM01559H

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Probing the rules of cell coordination in live tissues by interpretable machine learning based on graph neural networks2021

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Takaki、Cockburn Katie、Greco Valentina、Kawaguchi Kyogo
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: 2021.06.23.449559 ページ: -

    • DOI

      10.1101/2021.06.23.449559

    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Tracheal motile cilia in mice require CAMSAP3 for the formation of central microtubule pair and coordinated beating2021

    • 著者名/発表者名
      Saito Hiroko、Matsukawa-Usami Fumiko、Fujimori Toshihiko、Kimura Toshiya、Ide Takahiro、Yamamoto Takaki、Shibata Tatsuo、Onoue Kenta、Okayama Satoko、Yonemura Shigenobu、Misaki Kazuyo、Soba Yurina、Kakui Yasutaka、Sato Masamitsu、Toya Mika、Takeichi Masatoshi
    • 雑誌名

      Molecular Biology of the Cell

      巻: 32 ページ: ar12~ar12

    • DOI

      10.1091/mbc.E21-06-0303

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Tracing the origin of hair follicle stem cells2021

    • 著者名/発表者名
      Morita Ritsuko、Sanzen Noriko、Sasaki Hiroko、Hayashi Tetsutaro、Umeda Mana、Yoshimura Mika、Yamamoto Takaki、Shibata Tatsuo、Abe Takaya、Kiyonari Hiroshi、Furuta Yasuhide、Nikaido Itoshi、Fujiwara Hironobu
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 594 ページ: 547~552

    • DOI

      10.1038/s41586-021-03638-5

    • 査読あり
  • [学会発表] グラフニューラルネットワークによる細胞間の時空間相互作用の推定2022

    • 著者名/発表者名
      山本尚貴
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] Graph-based machine learning reveals rules of spatiotemporal cell interactions in tissues2022

    • 著者名/発表者名
      Takaki Yamamoto
    • 学会等名
      RIKEN BDR Symposium 2022 “Emergence in Biological Systems: Emergence in Biological Systems: Challenges to Bridging Hierarchies”
    • 国際学会
  • [学会発表] Emergence of cell chirality from the spatial organization of actin and myosin cytoskeleton2022

    • 著者名/発表者名
      Tatsuo Shibata
    • 学会等名
      RIKEN BDR Symposium 2022 “Emergence in Biological Systems: Emergence in Biological Systems: Challenges to Bridging Hierarchies”
    • 国際学会
  • [学会発表] Collective cell migration of epithelial cells driven by chiral torque generation2021

    • 著者名/発表者名
      Takaki Yamamoto
    • 学会等名
      EMBO Workshop Physics of living systems: From molecules to tissues
    • 国際学会
  • [学会発表] Graph-based machine learning reveals rules of spatiotemporal cell interactions in tissues2021

    • 著者名/発表者名
      Takaki Yamamoto
    • 学会等名
      RIKEN BDR Retreat 2021

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公開日: 2022-12-28  

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