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2017 年度 実績報告書

発生組織における時計の時空間動態:分節時計再同期の数理モデリング

公募研究

研究領域脳構築における発生時計と場の連携
研究課題/領域番号 17H05762
研究機関金沢大学

研究代表者

瓜生 耕一郎  金沢大学, 自然システム学系, 助教 (90726241)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
キーワード体節形成 / 数理モデル / 同期 / ゼブラフィッシュ
研究実績の概要

本研究課題では細胞移動、分裂、組織変形といった発生固有のプロセスが、発生時計のロバストネスに及ぼす影響を明らかにする目的で、ゼブラフィッシュ分節時計の再同期過程を、数理モデルとイメージングデータをもちいて解析する。薬剤処理により細胞間相互作用を一過的に阻害すると、遺伝子発現リズムの同期が崩れ、欠陥のある体節が生じる。そこから薬剤を除去し細胞間相互作用を回復させると、しばらく時間が経過した後、正常な体節が形成される。この過程を数理モデルによって再現していくことで、再同期過程の研究を進める。
今年度は、未分節中胚葉組織の三次元数理モデルを構築し、遺伝子発現リズムの再同期過程の数値シミュレーションを行った。構築したモデルは細胞間に働く物理的な力や細胞移動、未分節中胚葉組織の伸長過程を含み、さらに組織中での遺伝子発現パターンのダイナミクスを記述する。
実験により、正常な体節が一度形成された後で再び欠陥のある体節が現れることが示されていたが、そのメカニズムは不明であった。そこで構築したモデルを用いて数値シミュレーションを行ったところ、未分節中胚葉組織後方で発生したローカルな渦状の位相パターンが、この現象を引き起こすことを明らかにした。また、組織の長さや細胞移動速度といった組織パラメタに対して、この位相パターンの生成頻度や再同期までにかかる時間がどのように依存するかを詳細に調べた。さらに数値シミュレーションから未分節中胚葉組織の伸長パターンが再同期過程に及ぼす影響を明らかにした。

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

当初の計画通り、三次元数理モデルを構築することができた。一度正常な体節が回復した後、再び欠陥のある体節が現れてくる現象は、分節時計の再同期過程を理解する上で重要な鍵となる。その実験結果を、構築した数理モデルで再現できた。さらにその原因となる渦状位相パターンの動力学を、組織パラメタに対する依存性を調べることで明らかにすることができた。以上のことより、本研究は順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

(1) それぞれの発生ステージにおける組織伸長、細胞移動速度などの組織パラメタをイメージングデータから測定し、それらの定量データをシミュレーションで用いて分節時計再同期過程をより定量的に説明する。
(2) 本研究では薬剤処理によって細胞間相互作用を一過的に阻害することで分節時計のリズム同期を崩し、そこからの再同期過程を調べている。これまでの実験において、欠陥のある体節が現れなくなるまでにかかる時間が、薬剤処理をする発生ステージに応じて変化することが観察されている。この変化が、発生ステージ進行に伴った組織パラメタの変化で説明できるかどうかを、数値シミュレーションによって明らかにする。特に、未分節中胚葉の組織長の短縮、組織伸長パターンの影響に着目して解析を進める。
(3) 数理モデルからの予測では、組織後方で形成される渦状の位相パターンが、正常な体節のrecoveryを遅らせる。そこで分節時計のlive reporterを用い、組織内で渦状の位相パターンが実際に形成されるかどうかを検証する。
(4) ゼブラフィッシュでは、細胞間相互作用が機能しない変異体や収斂伸長の変異体などがすでに単離されている。これらの変異体では野生型と比べて、組織パラメタが変化していると考えられる。そこで、変異体での分節時計の再同期過程を実験と理論の両方から調べ、モデルからの予測を検証する。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2018 2017 その他

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

  • [国際共同研究] IBioBA-MPSP(アルゼンチン)

    • 国名
      アルゼンチン
    • 外国機関名
      IBioBA-MPSP
  • [国際共同研究] Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
  • [国際共同研究] National Taiwan Ocean University(台湾)

    • 国名
      その他の国・地域
    • 外国機関名
      National Taiwan Ocean University
  • [雑誌論文] Assessment of instructions on protection against food contaminated with radiocesium in Japan in 20112018

    • 著者名/発表者名
      Seto M., Uriu K., Kawaguchi I., Yokomizo H.
    • 雑誌名

      Risk Anal.

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      doi: 10.1111/risa.12893.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mobility-induced persistent chimera states2017

    • 著者名/発表者名
      Petrungaro G., Uriu K., Morelli L.G.
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 96 ページ: 062210

    • DOI

      doi.org/10.1103/PhysRevE.96.062210.

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Feedback loops interlocked at competitive binding sites amplify and facilitate genetic oscillations2017

    • 著者名/発表者名
      Uriu K., Tei H.
    • 雑誌名

      J. Theor. Biol.

      巻: 428 ページ: 56-64

    • DOI

      doi: 10.1016/j.jtbi.2017.06.005

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A framework for quantification and physical modeling of cell mixing applied to oscillator synchronization in vertebrate somitogenesis2017

    • 著者名/発表者名
      Uriu K., Bhavna R. Oates A.C., Morelli L.G.
    • 雑誌名

      Biol. Open

      巻: 6 ページ: 1235-1244

    • DOI

      doi: 10.1242/bio.025148.

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Determining the impact of cell mixing on signaling during development2017

    • 著者名/発表者名
      Uriu K., Morelli L.G.
    • 雑誌名

      Dev. Growth Differ.

      巻: 59 ページ: 351-368

    • DOI

      doi: 10.1111/dgd.12366.

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Synchrony recovery of the zebrafish segmentation clock2018

    • 著者名/発表者名
      Koichiro Uriu
    • 学会等名
      International young scientists workshop on neural development & stem cells 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Physical modeling of oscillator resynchronization after perturbation of Delta-Notch signaling in zebrafish presomitic mesoderm2017

    • 著者名/発表者名
      Koichiro Uriu
    • 学会等名
      第50回日本発生生物学会年会

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公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-05-13  

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