研究内容

生命現象の複雑な振る舞いを数理の言葉で理解すべく2008年12月にスタートした研究室です。生物の体内では、多数の細胞と多種の生体分子が複雑なネットワークを作って、様々な営みを遂行しています。我々のグループでは、物理学や数学に基づき、数理モデルの計算機実験を通じてネットワークの機能やその進化の論理を研究しています。

Using physics and mathematics, our laboratory tries to understand the underlying mechanisms of biological processes in microbes, animals and plants. We mainly study how gene networks regulate animal and plant morphogenesis, and chemical and mechanical communications of cell populations. By computer simulations of mathematical models consistent with molecular genetics and bioimaging, our missions are to uncover the design principle of gene networks, the logic of the network evolution, and the collective decision making of cells.

研究テーマ Research Topics

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系統群 Clades

アーケプラスチダ Archaeplastida オピストコンタ Opisthokonta アメーボゾア Amoebozoa

スケール Scales

cells tissue organs

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頂端幹細胞による形態形成 Morphogenesis by apical stem cell

コケ植物、シダ植物、一部の藻類は、各器官の頂端部分に１つないし２つの頂端幹細胞を持っています。頂端幹細胞は複数の方向に細胞を切り出しつつ、自身は頂端幹細胞として残り続けます。私たちは画像解析と数理モデルを用いてこの頂端幹細胞の細胞分裂様式と器官の形態の関係を研究しています（図：２つの細胞分裂面をもつ頂端幹細胞に由来する、セン類胞子体初期胚の形態形成シミュレーション）。

Apical stem cell is observed in bryophytes, pteridophytes, and several kinds of algae. Apical stem cell cuts off its derivatives in multiple directions while it remains its identity. We study this apical stem cell division rule and organ shape by image analysis and mathematical modeling (Fig: Simulated moss sporophyte early development by apical stem cell with two cutting faces).

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皮膚炎の形態形成機構の解明Pattern formation mechanisms of skin diseases

皮膚組織内における炎症の発症・悪化について多くのメカニズムが解明されてきましたが、皮膚表面上の炎症が時間とともにどのように変化するかはあまり分かっていません。私たちは数理モデルを用いて皮膚炎が時空間的に変化する仕組みを研究しています。この研究を通じて、炎症性皮膚疾患の根底にある制御メカニズムの解明を目指しています。

Although a number of studies has revealed disease-developing mechanisms of skin diseases, little is known about how inflammation change on skin surface. By constructing mathematical models, we are trying to reveal mechanisms of the spatio-temporal changes of skin inflammation. This study will suggest effective range of external therapeutic agents.

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Gene Networks Underlying Limb Regeneration Patterning

Species in the animal kingdom all have different degrees of regeneration capabilities. Some amphibian species rank among the highest in vertebrates, being capable of regeneration a whole limb from just a stump. One of the first steps in this process is the creation of expression patterns that dictate morphological position of the whole limb, which require a well defined gene regulatory structure. By comparing amphibian species of varying capabilities, this study focus on how gene networks underlying patterning phenotypes function, in order to understand what is necessary for proper limb morphogenesis in regeneration.

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植物の根の再現性のある固有形状を実現する細胞力学 Cell mechanics to realize reproducible and unique shape of plant root

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Elucidation of spatiotemporal control of cnidarian tentacle formation; evolutionary developmental research centered on moon jellyfish 刺胞動物触手形成の時空間制御の解明；ミズクラゲを中心とした進化発生学的研究

The Cnidaria phylum is the sister group of Bilateria, consists of individuals defined with different symmetry types (radial-biradial-bilateral) can be the key to unravel the evolutionary aspects of symmetry transition. Symmetry type associated with the number, placement and formation timing of tissues. In this study by using tentacle tissue as a model, we will evaluate the spatiotemporal coordination of tissues.

刺胞動物門は後生動物の基部で分岐し、左右相称と放射相称の種が混在しており、動物の対称性変化の進化的起源を解く鍵となりうる。対称性は器官の数および位置と深く関わっている。触手器官をモデルとした本研究では、器官の時空間協調性を検討します。

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花器官数の決定 The determination of floral organ numbers

花弁や萼片など花の器官数は「数性」と呼ばれる基本数の倍数になっています。この基本数は、真正双子葉植物では5（いくつかの系統で4または2）、単子葉植物では3であり、五・四・二数性と三数性の間の切り替わりは、被子植物の進化を決定づけた要因の一つと考えられます。私たちはシロイヌナズナやトマトの発生過程についての近年の知見と、150年以上にわたって研究されてきた側方器官の配置（葉序）の理論を組み合わせ、器官の配置が決まる過程を数理モデルで再現しました。その結果、四数性と五数性は自発的に現れやすい数であることを見出しました (Kitazawa & Fujimoto, 2015)。

The basic number of floral organ, or merosity, is one of the fundamental differences between two major clades in angiosperms, eudicots and monocots. The difference between developmental processes of penta- (or tetra-, di-) merous flower in eudicots and trimerous flowers in monocots should be one of the key factors that bifurcate these two clades. By combining recent molecular developmental studies of model organisms such as Arabidopsis and tomato, and long-lasting theoretical studies of the arrangement of lateral organs (phyllotaxis), we construct a mathematical model of pattern formation of floral organs. By the numerical simulations, we discovered two developmental properties that prefer the pentamerous and tetramerous arrangements of floral organs (Kitazawa & Fujimoto, 2015).

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花器官数の数と配置のばらつき Variation in floral organ numbers and arrangements

Kitazawa & Fujimoto, 2014, 2016a, 2016, 2018

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花の対称性の進化 Evolution of floral symmetries

花にはナデシコ科のように花弁の数と同じ数のの対称軸を持つもの（回転対称）、アブラナ科のように2本の対称軸を持つもの、マメ科のように左右対称のものが見られます。左右対称花であるキンギョソウの研究から、向背軸に勾配を持って発現する遺伝子が左右対称性をコントロールすることがわかってきました。私たちは数理モデルを用いて回転/左右対称性を制御する仕組みの進化を研究しています。

The symmetry of flowers has been experienced multiple changes during angiosperm evolution. The studies of snapdragon revealed that the gradient of gene expression in ad/abaxial direction derives the bilaterally symmetrical flowers, whereas mutation into a gene induces radially symmetrical flowers. We are constructing mathematical models of the symmetry establishing process during floral development.

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Streaming of dictyiostelium discoideum (dicty) in their early development stage for forming fruiting body. Through this streaming, dicty's undergo the transition from individual cells to multicellular tissues.

Research