INTEREST

生物を形作る細胞や組織は多数の分子から構成されています。しかし、生物の示す現象はその構成要素からは想像ができないような複雑な機能や振る舞いを示します。このように構成要素に還元できない生命の現象「創発現象」はどのように理解すればよいのでしょうか?要素還元的な理解が主流である現代の生物学には大きなパラダイムシフトが求められています。

現代の生物学の中核は遺伝子改変技術にあります。この遺伝子改変技術の発展によって、生物の構成要素である分子の動態を可視化し、自在に操作することが可能となりました。これにより、発生や疾患などの組織レベルの現象や、細胞増殖、細胞死、細胞運動などの細胞レベルの現象など、マクロな振る舞いを制御する分子機構が明らかになりました。しかし、構成要素である分子の理解を積み重ねても、総体としての生命現象、特にその「生物らしさ」を理解できる訳ではありません。

多数の細胞からなる生物の形作りには、その生物らしい現象の一つとして「自己組織化」と呼ばれる現象がみられます。この多細胞の自己組織化は、複数の細胞が相互に作用し合うことにより、機能的な組織や器官を自律的に形成する現象です。この多細胞の自己組織化は、個々の細胞の振る舞いの単純な総和とは異なるため、創発現象の一つであると考えられます。それでは、この多細胞の自己組織化を理解するためには、何を手掛かりにすればよいでしょうか?

多細胞の形作りの特徴として、(I) 細胞集団の自律的なパターン形成と、(II) 細胞集団のアクティブな形態形成が挙げられます。(I)のパターン形成は、細胞の遺伝子発現と細胞間の生化学的な相互作用により、異なる遺伝子発現を示す細胞の時空間パターンを作り出す現象であり、(II)の形態形成は、細胞の生じるアクティブな力と細胞間の力学的な相互作用により、組織の三次元的な構造を動的に変化させる現象です。この二つの特徴は、多細胞の一般的な現象に共通することから、多細胞の自己組織化を理解する上で、大きなヒントになりそうです。

まず、ボトムアップな応用問題として、(I)と(II)の相互作用による「力学‐生化学カップリング」が考えられます。(I)のパターン形成によって生じる細胞の遺伝子発現の変化は、同時に、その細胞が生じるアクティブな力を変化させます。この力の変化は、(II)の形態形成によって生じる組織の三次元的な構造を変化させます。ところが、(I)における細胞間の生化学的な相互作用は、三次元的な組織の内部で生じるため、(I)のパターン形成がさらに変化します。このように、(I)のパターン形成と(II)の形態形成が組み合わさると、上記のような系全体の自律性によって自己組織化が進行すると考えられます。私たちは、数理モデルを用いた研究によって、パターン形成と形態形成の相互作用がそれぞれの足し算だけでは説明できない現象を生じる機構を見つけました(Sci Rep 2017)

さらに、組織内部の階層的な構造から、組織を構成する分子や細胞と組織全体との相互作用による「局所と全体の協同」が考えられます。組織全体のパターン形成や形態形成は個々の分子や細胞の能動的な振る舞いによって変化しますが、このミクロからマクロへの一方向的な作用だけでは組織全体の振る舞いを適切に制御することは難しく、マクロからミクロへフィードバックが必要だと考えられます。私たちは、幹細胞オルガノイドと数理モデルを用いた研究によって、組織全体の形態変化が個々の細胞のアクティブな力発生にフィードバックされる機構を見つけました(Sci Adv 2018, 解説記事)

私たちはこれまでの研究で、自己組織化の基礎となる「力学-生化学カップリング」や「局所と全体の協同」の一端を明らかにしました。しかし、その本質的な理解には遠く及んでいません。その要因の一つは多細胞の自己組織化現象の複雑さにあると考えられます。 そこでこの研究室では、複雑な自己組織化の過程を解析するための新規の計算機シミュレーション手法を開発しています。また、複雑な自己組織化の過程をその本質を保ったまま単純化する新たな実験系の構築や、この過程を定量的に解析・評価するための新たな摂動・計測技術の開発も行っています。これらの独自技術を総動員し、器官発生やがん形成における多細胞ダイナミクスの基本原理の理解に取り組んでいます。

RESEARCH

私たちの研究室は生物の形作りに興味を持っています。特に、多細胞生物の形作りでは、1つ1つの細胞が相互に作用し合うことにより、機能的な組織や器官を自律的に形成します(自己組織化)。私たちの目標は、この多細胞の自己組織的な形作りの機構を物理的・生物学的・工学的に理解することにあります。これを目指して、多細胞の動態を予測する力学シミュレーションや胚組織を試験管内で再現する幹細胞オルガノイドなど、物理学、生物学、工学などの技術を融合した新規アプローチの開拓に取り組んでいます。

I. 多細胞の3D動態を分子・細胞・組織スケールで予測する計算機シミュレーション

器官形成やがん形成などの多細胞の三次元動態を分子・細胞・組織のスケールから統合的に解析するため、新しい計算機シミュレーション手法を開発しています。これらの手法を器官形成やがん形成などの現象に適用することにより、多数の分子・細胞から成る組織・器官の動態を網羅的・定量的に予測することを目指しています。


I.I. 「3Dバーテックスモデル」の開発と器官形成やがん形成への応用

多細胞の3D動態をシングルセル解像度で記述する3Dバーテックスモデルの開発と応用を行っています。本モデルは発泡体の動態を記述する粗視化モデルの一つで,その原型は1956年頃に提案されました。1990年頃に泡動態の解析に用いられ、2004年頃には本多久夫先生らにより生命現象へ応用されました。筆者は、2010年から安達泰治先生(京大)と笹井芳樹先生(理研)の共同研究の中で開発を始め、その後の試行錯誤を経て、器官形成やがん疾患などへ適用できる汎用的な手法を開発するに至りました。開発中のシミュレータはオープンソース化の準備を行っています。シミュレータにご興味のある方はご連絡ください。


3Dバーテックスモデルの力学・生化学カップリングへの応用
アクチベーター・インヒビターによるパターニングと細胞増殖による三次元変形を連成し、どのような相互作用が起こるのかを明らかにしました。三浦岳先生(九州大)との共同研究です。Scientific Reports 2018
3Dバーテックスモデルの器官形成への応用
眼器官の一部である眼杯形成の機構を解明しました。上皮細胞の収縮、成長、分裂、アポトーシス等の複合的な力など、眼杯形成に必要となる駆動力を明らかにしました。永樂元次先生(京大)との研究です。Science Advances 2018
3Dバーテックスモデルの力学試験への応用
上皮管腔組織の力学特性に対して個々の細胞が生じる力が及ぼす影響を解明しました。各細胞の頂端面やその周長に働く力によって上皮組織全体の力学特性が変わることが予想されました。坪田健一先生(千葉大)との共同研究です。Dev Growth Diff 2017, J Biomech Sci Eng 2018
3Dバーテックスモデルの上皮細胞運動への応用
上皮細胞が単層シートを維持しながら集団運動する機構を解明しました。細胞が生み出す力に不具合があると、上皮シートに穴が開いたり多層化したりして、細胞がうまく動けなくなります。佐藤勝彦先生(北大)との共同研究です。Biophysical Journal 2019
3Dバーテックスモデルの上皮細胞脱離への応用
上皮細胞が単層シートから脱離する力学機構を解明しました。上皮シートには力学的な不安定性が内在しており、細胞が生じる力の変化によってそれが表出し細胞脱離が引き起こされるようです。藤本仰一先生(阪大)との共同研究です。Biophysical Journal 2020
I.II. 詳細な多細胞動態を予測する「3D細胞膜モデル」の開発

N/A


II. マウスES細胞やヒトiPS細胞からの3D組織(オルガノイド)培養実験

試験管の中で幹細胞を培養し、器官様の三次元的な組織(オルガノイド)を作ることで、胚発生やがん疾患における多細胞の振る舞いを観察しています。遺伝子改編技術や蛍光イメージング技術などを駆使し、自己組織化における多細胞ダイナミクスの分子生物学的・細胞生物学的・生体力学的な理解を目指しています。


III. 組織局所に対する力学的・生化学的な摂動実験

原子間力顕微鏡(AFM)や電動マニピュレータなどを用いて、作成した立体組織の局所に対して力学的・生化学的な摂動を加え、その応答を観察しています。この摂動解析により、自己組織化の鍵となる分子-細胞-組織間のスケールを超えた相互作用の理解を目指しています。


IV. 力学に基づく多細胞ダイナミクスの理論解析

力学シミュレーションや立体組織培養実験で得られた複雑なデータや知見に基づいて、多様な多細胞動態の素過程を抽出し、その定式化を行っています。これにより、胚発生やがん疾患などの幅広い多細胞ダイナミクスに共通した原理の発見を目指しています。

TOPICS

以下は、研究室の各メンバーによる研究紹介です。まだまだ萌芽的な段階のテーマが多いのですが、メンバーの研究の一部を簡単に紹介しているのでぜひご覧ください。

三次元組織培養による脳発生の多細胞動態の理解と操作
詩丘 伊月、酒井 伍希

私たちは、多能性幹細胞の自己組織化を利用して、生体における神経発生の重要な特徴を試験管の中で再現する三次元組織「脳オルガノイド」を作成しています。この脳オルガノイドに対して物理的・化学的な刺激を与えた際の応答から、脳発生における多細胞動態を理解・制御することを目指しています。

上皮組織における層形成の力学シミュレーション
深町 崇耶

脳や皮膚、胚は上皮と呼ばれる細胞が層となった組織から形成されています。発生過程において、この上皮構造が単層から多層へと、細胞の力学的作用によって変化していきます。この細胞達のダイナミックな動きを、三次元バーテックスモデルを用いて解析し、その層形成の仕組みの理解に取り組んでいます。

生体内における生化学因子の輸送シミュレーション
酒井 伍希

生体内では生化学因子の濃度の違いによる細胞の増殖・運動・分化・代謝などの制御を通して発生過程の進行や生体環境の恒常性維持などを実現しています。この制御機構を理解するため、組織内における生化学因子の輸送に着目し、濃度勾配のでき方の定量的なシミュレーションに取り組んでいます。