１細胞の生成するトルクから解き明かす形態形成のキラリティ

单细胞产生的扭矩揭示了形态发生的手性

• 批准号: 18J01239
• 负责人: 山本 尚貴
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J01239/
• 关键词: 細胞のキラリティ; 上皮組織; メカノバイオロジー; バーテックスモデル; 上皮組織のメカニクス

多くの生物の器官や組織はキラルな形態をもっている。このようなキラルな形態が生物の発生過程でどのようなメカニズムで現れるのかという問題は、 発生学の中心的な課題であるが明快な答えはない。近年、細胞の一方向回転や細胞内の回転流など、細胞骨格分子のキラリティに起因して、1細胞レベルでキラルな細胞動態を示すことがわかってきた。細胞骨格は種によらずキラリティをもつため、キラルな細胞動態は生物に普遍的な現象であると考えられている。しかし、キラルな細胞動態がキラルな形態形成にどのような影響を与えるかは明らかになっていない。本研究では、1細胞レベルのキラルな力学特性である細胞が生成するトルクが、発生過程におけるキラルな形態形成にどのように影響を与えるかを定量的な実験・理論モデルの両面から明らかにする。本年度は、昨年度に考案した「上皮組織の多細胞ダイナミクスを記述する数理モデルである細胞バーテックスモデルに１細胞が生成するトルクを導入したモデル」の振る舞いについての解析結果を取りまとめて、論文投稿を行い、現在査読中である。本モデルでは「１細胞レベルでのキラルな力学特性が、形態形成における左右非対称性を生み出す」という本研究の仮説の理論的検証を行った。具体的には、モデルの数値計算を行うことで１細胞レベルで生成されるトルクにより細胞が集団的に一方向へ移動する条件を明らかにした。また、本モデルは２次元モデルであるが、実際の上皮組織のような３次元構造を考慮した場合にも本モデルが有効モデルとして妥当であることを示した。

生物体的许多器官和组织具有手性形式。这些手性形式在生物体发展过程中如何出现的问题是胚胎学中的一个核心问题，但没有明确的答案。近年来，已经发现，由于细胞骨架分子的手性，在单细胞水平上的手性细胞动力学，例如细胞的单向旋转和细胞内的旋转流动。由于细胞骨架具有手性，无论物种如何，手性细胞动力学被认为是生物体中的普遍现象。但是，尚不清楚手性细胞动力学如何影响手性形态发生。这项研究将从定量实验模型和理论模型中阐明细胞产生的扭矩如何在单细胞水平上是一种手性机械性能，从而影响发育过程中的手性形态发生。今年，我们已经编辑了“细胞顶点模型”的行为的分析结果，该模型是一种数学模型，描述了上皮组织的多细胞动力学”，该模型是去年设计的，并提交了一篇论文，目前正在审查中。该模型理论上测试了这项研究的假设，该假设指出“单细胞水平的手性机械性能在形态发生中会产生不对称性”。具体而言，该模型的数值计算揭示了由于在一个细胞水平上产生的扭矩，细胞在一个方向上集体移动的条件。此外，尽管该模型是一个二维模型，但已显示该模型即使考虑到三维结构（例如实际的上皮组织）也是有效模型。

项目成果

Hydrodynamic rot- let dipole driven by spinning chiral liquid crystal droplets

旋转手性液晶液滴驱动的流体动力旋转偶极子

• DOI: 10.1103/physreve.99.022704
• 发表时间: 2019
• 期刊: Physical Review E,
• 作者: T. Yamamoto;and M. Sano:
• 通讯作者: and M. Sano:

Collective cell migration of epithelial cells driven by chiral torque generation

手性扭矩产生驱动上皮细胞的集体细胞迁移

• DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043326
• 发表时间: 2020
• 期刊: Physical Review Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: Yamamoto Takaki;Hiraiwa Tetsuya;Shibata Tatsuo
• 通讯作者: Shibata Tatsuo

Theoretical model of dynamics of epithelial tissue with cellular chirality

具有细胞手性的上皮组织动力学理论模型

• 发表时间: 2019
• 作者: 関凪沙;金村進吾;荒井堅太;山口宏;稲葉謙次;奥村正樹;山本尚貴
• 通讯作者: 山本尚貴

Reorientation behavior in the helical motility of light-responsive spiral droplets

• DOI: 10.1038/s41467-019-13201-6
• 发表时间: 2019-11-20
• 期刊: NATURE COMMUNICATIONS
• 影响因子: 16.6
• 作者: Lancia, Federico;Yamamoto, Takaki;Katsonis, Nathalie
• 通讯作者: Katsonis, Nathalie

細胞のキラリティを考慮した上皮細胞組織の運動モデル

考虑细胞手性的上皮细胞组织运动模型

• 发表时间: 2019
• 作者: Nishinaka-Arai Y;Niwa A;Matsuo S;Kazuki Y;Yakura Y;Hiroma T;Toki T;Sakuma T;Yamamoto T;Ito E;Oshimura M;Nakahata T;Saito MK.;山本尚貴
• 通讯作者: 山本尚貴