Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

細胞運動 / 走化性 / 免疫細胞 / マイクロ流体デバイス / 細胞性粘菌 / 入出力関係 / 生命情報

免疫系の培養細胞の運動を、細胞の運動を決定する細胞内分子活性の蛍光による可視化と、微小な空間における環境制御を実現するデバイスを用いて解析することにより、細胞の移動方向の決定の仕組みについてその詳細を調べました。その結果、シグナルの時間的変動が読み取られ細胞の前側が形成される反応と、シグナルの持続性が読み取られることで、細胞の後端を維持される反応が存在し、これらが組み合わさって働くことの重要性が示されました。

免疫細胞などの速い細胞は、複雑な環境下で目的の細胞や組織に正確に到達することが知られています。細胞外にあるたよりとなるシグナル濃度の空間勾配、その時間変化、履歴、ノイズ成分などによって運動が変調されるため、これらの情報が適切に読み取られることが、こうした細胞のナビゲーションに不可欠と考えられます。今回の成果は、細胞のこうした巧みな性質を明らかにするもので、組織内の免疫監査の操作や、再生における細胞運動制御などの基礎となることが期待されます。

細胞運動 / オプトジェネティクス / 集団運動 / 自己組織化 / 細胞性粘菌 / 走化性 / cAMP波

細胞運動のモデル種である細胞性粘菌Dictyostelium discoideumでは数万個の細胞が走化性誘因物質としてサイクリックＡＭＰ(ｃＡＭＰ)を自己分泌的に放出する。細胞全体で応答と放出のリズムが揃うことで、回転しながら外側に伝播するｃＡＭＰのらせん波が自己組織的に形成され、これに向かう方向（順方向）の走化性によって細胞が集合する。本研究課題では、単一細胞レベルのシグナル応答の動作原理と自己組織化の数理に立脚し、光による分子活性制御を用いて介入することで、cAMPの回転らせん波と細胞の動きをリアルタイムに操作し、自己組織化されるパターンがとりうる多様な表現型空間を構成的に明らかにすることを目的とした。光依存的に低分子量GタンパクＲａｓやＲａｃを活性化させるオプトジェネティクスの系を細胞性粘菌で初めて実装し、細胞変形に与える影響などを中心に、その基本動作をライブセルイメージングを中心に調べた。特に、Ｒａｓ、Ｒａｃ、ＰＩ3キナーゼのベーサル活性との関係について解析を進めた。さらに、新たにわかってきた細胞遊走の細胞間接着因子依存性に着目し、これを制御することで、細胞の運動を完全に停止させる条件、またcAMPの勾配とは直交する方向への運動を誘導させることに成功し、集団運動をともなったパターン形成を２つの基本的なモードに分解して理解できることを構成的に示した。最終年度は、これまで培ったオプトジェネティクスの系と、微小流体デバイスによる操作を組み合わせることで、集合塊におけるcAMPの分布、細胞配置と回転運動の制御をこころみた。内在の駆動系による動きが支配的であり、オプトジェネティクスによる集団動態への十分な摂動は得られなかっものの、微小チャンバーによる定量的な動態解析が進み、回転運動の制御にSCARの膜局在の制御の重要性など今後の課題が明らかになった。

走化性 / 拡散性 / 流体型移流拡散方程式 / Langevin方程式 / Keller-Segel系 / Navier-Stokes方程式 / PIV実験 / CFD解析 / Fokker-Planck方程式 / 走化性方程式 / 白血球遊走 / 細胞性粘菌 / 細胞運動

本研究では，拡散性と走化性の対比を行うため実験実証を試みた．具体的には，白血球走化性研究の医学研究者等との議論に基づき，同現象を解明するための実験を行った．更に，筑波大学の桑山氏と連携し，タマホコリカビが呈する走化性現象を捉え，再現性のあるタイムラプス撮影を行った．両実験検証から，白血球とタマホコリカビの有する走化性の相違点を検証した．

走化性と拡散性の相互関係を数理モデルを通じて理解しようとする試みには実験研究者と数学研究者とが連携することが必須である．本研究では，融合研究を推し進め，実験実証へ向けた礎を築くことが出来た．白血球走化性とタマホコリカビの有する走化性を同時に扱い，両者の相違点を確認し，数理モデルで記述しようとする試みは稀少である，．

走化性 / 免疫細胞 / 数理モデル / 生命情報 / 好中球 / 細胞遊走 / 細胞運動

本研究では、免疫細胞の移動を決定する、複雑な外部環境の時空間的情報処理の理解を目的とした。時空間的に変化する誘引分子fMLPの濃度プロフィールにたいして、好中球様細胞HL60がどのように応答するかを、微小流路系を用いた勾配形成とその操作によって、おもにライブセルイメージングを中心に解析した。その結果、HL60細胞はfMLP濃度上昇にたいして大きな変化を示し、濃度減少にたいして小さな変化を示すこと、同様の応答の非対称性がCdc42の一過的な活性変化でみられることが明らかになった。こうした特性は、免疫監査における細胞遊走の働きとその仕組の理解につながることが期待される。

シグナル伝達 / 細胞運動 / 細胞性粘菌 / 定量的解析 / 走化性 / タンパク質ネットワーク / 情報量 / ライブセルイメージング / 情報理論 / 細胞応答 / 細胞情報 / 粘菌

細胞は、細胞外刺激の時系列に埋め込まれている様々な情報を、いくつものシグナル経路を利用して選択的に処理していると考えられる。複雑かつ時々刻々と変化する環境情報から、細胞がいかに臨機応変な情報処理をおこなえているかの理解を目的として、細胞性粘菌の細胞運動についての、細胞内シグナル因子の局在や活性を、高精度の時空間系列データを取得し、加えて、微小流路観察系を用いた誘因物質濃度の時空間的制御によって、様々な入力刺激にたいする、応答パターンを特徴づけた。その結果、シグナル伝達経路の上流と下流の間の関係に、倍変化応答、適応性、時間応答についてのフィルター特性などが明らかになった。

【研究分担者】
片桐晃子	北里大学	理学部	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
久保原禅	順天堂大学	スポーツ健康科学研究科	教授	(Kakenデータベース)
齊藤宣一	東京大学	大学院数理科学研究科	教授	(Kakenデータベース)
仙葉隆	福岡大学	理学部	教授	(Kakenデータベース)
永井敏隆	福岡大学	理学部	非常勤講師	(Kakenデータベース)
手老篤史	九州大学	マス・フォア・インダストリ研究所	准教授	(Kakenデータベース)
桑山秀一	筑波大学	生命環境系	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
片桐晃子	北里大学	理学部	教授	(Kakenデータベース)
木梨達雄	関西医科大学	医学部	教授	(Kakenデータベース)