研究内容 Research

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

系統群 Clades

スケール Scales

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).

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.

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.

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

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。

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).

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

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.

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.

過去の博士論文・修士論文・卒業研究 The titles of thesis

博士論文 Doctral thesis


修士論文 Master's thesis

    2021年度
  • 脊椎動物の生活史には分類階級によらない2種類の表現型多様性が存在する　(新垣　大幸)
    vertebrate life history shows two types of phenotypic diversity in various levels of taxnomic rank(Arakaki, Taikou)
  • ホヤの心拍反転時における周波数の時間変動特性　(福田　啓太)
    Pacemaker frequency dynamics during heartbeat reversal in ascidian(Fukuda, Keita)
  • Identifying gene regulation network responsible for amphibian limb regeneration patterning using a reaction-diffusion model(João Pedro Vieira Mariz)
    • 2019年度
  • 皮膚炎の紅斑は炎症メディエーターの進行波として拡大または縮小する　(須藤　麻希)
    Skin inflammation expands or shrinks as traveling wave of inflammatory mediators (Sudo, Maki)
    • 2018年度
  • 植物細胞分裂面の3次元形態を決定する仕組みの探求 -画像解析と数値計算から-　(鎌本 直也)
    Geometrical control of plant cell division plane shape derived from 3D image analysis and computer simulation (Kamamoto, Naoya)
    • 2016年度
  • ウニ肛門部の内骨格の形成則　－形態計測と数理モデルによる解明　(岩崎 航太郎)
    The patterning rules for sea urchin endoskeleton around anus: clarification based on morphometry and mathematical modeling (Iwasaki, Kotaro H.)
  • 花器官の数と配置の多様性を生み出す数理モデル　－背腹軸に対称な発生過程の進化－　(中川 愛子)
    A model for diversification of floral organ number and positioning in flowering plants: Evolutionary development with respect to dorso-ventral axis (Nakagawa, Aiko)
    • 2015年度
  • 根端分裂組織のドーム形状の成長力学　(藤原 基洋)
    Growth mechanics of dome-shaped root apical meristems (Fujiwara, Motohiro)
    • 2013年度
  • 非拡散性因子を含むネットワークでの チューリングパターンの網羅的探索　(境 一樹)
    A comprehensive investigation of Turing-pattern in the networks including non-diffusible factor (Sakai, Kazuki B.)
    • 2011年度
  • 花器官の数を決める発生過程のダイナミクス　(北沢 美帆)
    The developmental dynamics that determines floral organ number (Kitazawa, Miho S.)

卒業研究 Bachelor's studies

    2021年度
  • 水生植物とシダ植物において根の共通性の要因を探る（陸野　里音）
    • 2020年度
  • コケムシ群体の形　（下村　栄人）
  • テントウムシのスポット模様の多様性はTuringパタンの変調で説明できる　（武田　諒）
  • 市場において企業がシェアを拡大させる動向に生態系において生物種が個体数を増加させる原理を適応する　（長谷部　豪）
    • 2019年度
  • エネルギー分配の変化上限による生物進化の制限　（新垣 大幸）
  • ホヤ心臓における拍動方向反転時のペースメーカー細胞を数理的に解析する　（福田 啓太）
    • 2018年度
  • 昆虫羽化時に翅の伸展を促す体液循環の物理的仕組み　（仲島 健人）
    • 2017年度
  • アトピー性皮膚炎の炎症拡大を再現する数理モデル　（須藤 麻希）
    • 2015年度
  • 特徴的な形をした魚群の形成を個体の行動から理解する　（坂下 美咲）
  • 局面上の波の伝搬から大脳皮質のしわの役割を理解する　（堀部 和也）
    • 2014年度
  • ウニの五放射相称性の数理モデル　（岩崎 航太郎）
    Biophysical model of pentaradial symmetry of sea urchin
  • 花の左右対称と回転対称を切り替える仕組み　（中川 愛子）
    The mechanism of the transition between bilateral and radial symmetry of flowers
  • 学級の人間関係ネットワークの性質を直接会話の回数から推測する　（木村 啓太）
    Presuming the nature of human relationship networks in classrooms from the frequency of direct conversation
    • 2013年度
  • 細胞の固さの違いによる変形で三角形の細胞はできるのか　（藤原 基洋）
    Does any cell take triangle shape by the difference of stiffness among cells?
  • 植物の花の左右対称と回転対称を切り替えるには抑制が必要　（吉川 貴三子）
    The transition between bilateral and radial symmetry of flowers requires specific inhibition
    • 2012年度
  • 細胞社会の国境紛争 —“細胞競合”における機械的な力の役割　（坪井 有寿）
    The boundary dispute in cellular society — The role of mechanical force in “cell competition”
  • 細胞運動による縞状の空間パターンの分裂　（松村 綾香）
    The split of stripe spatial-pattern by cell movements
    • 2011年度
  • 多細胞組織形態形成に適したチューリングモデル拡張　（境 一樹）
    The improvement of Turing model to adopt for morphogenesis in multi-cellular tissues
    • 2010年度
  • プラナリアの再生と前後極性決定　（細田 和孝）
    The anterior-posterior polarity determination in the regeneration of planaria
    • 2009年度
  • 葉の配置はどのように決まるのか：モデルから考える　（北沢 美帆）
    How is the arrangement of leaves determined? Mathematical modelling approach
  • 細胞の配置と集団行動の同時性の関係　（峰岸 慶啓）
    The relationship between the arrangement of cells and synchronization of collective motion

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