2026/01/25 更新

写真a

ウリウ コウイチロウ
瓜生 耕一郎
URIU KOICHIRO
所属
生命理工学院 准教授
職名
准教授
外部リンク

研究分野

  • ライフサイエンス / 発生生物学  / 分節時計

  • ライフサイエンス / 動物生理化学、生理学、行動学  / 概日時計

論文

  • A Period1 inducer specifically advances circadian clock in mice 査読

    Yoshifumi Takahata, Yuki Kasashima, Takuya Yoshioka, Shusei Yashiki, Justina Kulikauskaite, Tomoaki Matsuura, Yuki Ohba, Hideaki Hasegawa, Naoki Yuri, Nagisa Iwai, Nanako Otsu, Mikiya Kitakata, Yuta Kitaguchi, Haruki Furune, Chihiro Omori, Mutsumi Mukai, Yuki Komamura-Kohno, Yi-Ying Huang, Matsumi Hirose, Nobuya Koike, Yoichi Yamada, Kazuo Nakazawa, Kumiko Ui-Tei, Yoshiyuki Sakaki, Rika Numano, Koichiro Uriu, Hajime Tei

    Proceedings of the National Academy of Sciences   123 ( 4 )   2026年1月

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    担当区分:責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1073/pnas.2509943123

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  • Multiple Notch ligands in the synchronization of the segmentation clock 査読

    Marcos Wappner, Koichiro Uriu, Andrew C. Oates, Luis G. Morelli

    Physical Review E   112 ( 4 )   044417   2025年10月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Physical Society (APS)  

    Notch signaling is a ubiquitous and versatile intercellular signaling system that drives collective behaviors and pattern formation in biological tissues. During embryonic development, Notch is involved in generation of collective biochemical oscillations that form the vertebrate body segments, and its failure results in embryonic defects. Notch ligands of the Delta family are key components of this collective rhythm, but it is unclear how different Delta ligands with distinct properties contribute to relaying information among cells. Motivated by the zebrafish segmentation clock, in this work we propose a theory describing interactions between biochemical oscillators, where Notch receptor is bound by both oscillatory and nonoscillatory Delta ligands. Based on previous in vitro binding studies, we first consider Notch activation by Delta dimers. This hypothesis is consistent with experimental observations in conditions of perturbed Notch signaling. Then we test an alternative hypothesis where Delta monomers directly bind and activate Notch, and show that this second model can also describe the experimental observations. We show that these two hypotheses assign different roles for a non-oscillatory ligand, as a binding partner or as a baseline signal. Finally, we discuss experiments to distinguish between the two scenarios. Broadly, this work highlights how a multiplicity of ligands may be harnessed by a signaling system to generate versatile responses.

    DOI: 10.1103/7g6x-b238

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    その他リンク: http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/7g6x-b238/fulltext

  • Statistical description of mobile oscillators in embryonic pattern formation 査読

    Koichiro Uriu, Luis G. Morelli

    Physical Review E   111 ( 2 )   2025年2月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Cold Spring Harbor Laboratory  

    DOI: 10.1103/PhysRevE.111.024407

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  • Impacts of the feedback loop between sense-antisense RNAs in regulating circadian rhythms. 査読 国際誌

    Koichiro Uriu, Juan P Hernandez-Sanchez, Shihoko Kojima

    NPJ systems biology and applications   10 ( 1 )   119 - 119   2024年10月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Antisense transcripts are a unique group of non-coding RNAs and play regulatory roles in a variety of biological processes, including circadian rhythms. Per2AS is an antisense transcript to the sense core clock gene Period2 (Per2) in mouse and its expression is rhythmic and antiphasic to Per2. To understand the impact of Per2AS-Per2 interaction, we developed a new mathematical model that mechanistically described the mutually repressive relationship between Per2 and Per2AS. This mutual repression can regulate both amplitude and period of circadian oscillation by affecting a negative feedback regulation of Per2. Simulations from this model also fit with experimental observations that could not be fully explained by our previous model. Our revised model can not only serve as a foundation to build more detailed models to better understand the impact of Per2AS-Per2 interaction in the future, but also be used to analyze other sense-antisense RNA pairs that mutually repress each other.

    DOI: 10.1038/s41540-024-00451-4

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  • Ripply suppresses Tbx6 to induce dynamic-to-static conversion in somite segmentation. 査読 国際誌

    Taijiro Yabe, Koichiro Uriu, Shinji Takada

    Nature communications   14 ( 1 )   2115 - 2115   2023年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    The metameric pattern of somites is created based on oscillatory expression of clock genes in presomitic mesoderm. However, the mechanism for converting the dynamic oscillation to a static pattern of somites is still unclear. Here, we provide evidence that Ripply/Tbx6 machinery is a key regulator of this conversion. Ripply1/Ripply2-mediated removal of Tbx6 protein defines somite boundary and also leads to cessation of clock gene expression in zebrafish embryos. On the other hand, activation of ripply1/ripply2 mRNA and protein expression is periodically regulated by clock oscillation in conjunction with an Erk signaling gradient. Whereas Ripply protein decreases rapidly in embryos, Ripply-triggered Tbx6 suppression persists long enough to complete somite boundary formation. Mathematical modeling shows that a molecular network based on results of this study can reproduce dynamic-to-static conversion in somitogenesis. Furthermore, simulations with this model suggest that sustained suppression of Tbx6 caused by Ripply is crucial in this conversion.

    DOI: 10.1038/s41467-023-37745-w

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  • Orchestration of tissue shape changes and gene expression patterns in development. 査読 国際誌

    Koichiro Uriu, Luis G Morelli

    Seminars in cell & developmental biology   2023年1月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    In development, tissue shape changes and gene expression patterns give rise to morphogenesis. Understanding tissue shape changes requires the analysis of mechanical properties of the tissue such as tissue rigidity, cell influx from neighboring tissues, cell shape changes and cell proliferation. Local and global gene expression patterns can be influenced by neighbor exchange and tissue shape changes. Here we review recent studies on the mechanisms for tissue elongation and its influences on dynamic gene expression patterns by focusing on vertebrate somitogenesis. We first introduce mechanical and biochemical properties of the segmenting tissue that drive tissue elongation. Then, we discuss patterning in the presence of cell mixing, scaling of signaling gradients, and dynamic phase waves of rhythmic gene expression under tissue shape changes. We also highlight the importance of theoretical approaches to address the relation between tissue shape changes and patterning.

    DOI: 10.1016/j.semcdb.2022.12.009

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  • Cell size homeostasis under the circadian regulation of cell division in cyanobacteria. 査読 国際誌

    Yuta Kitaguchi, Hajime Tei, Koichiro Uriu

    Journal of theoretical biology   111260 - 111260   2022年8月

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    担当区分:最終著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Bacterial cells maintain their characteristic cell size over many generations. Several rod-shaped bacteria, such as Escherichia coli and the cyanobacteria Synechococcus elongatus, divide after adding a constant length to their length at birth. Through this division control known as the adder mechanism, perturbation in cell length due to physiological fluctuation decays over generations at a rate of 2-1 per cell division. However, previous experiments have shown that the circadian clock in cyanobacteria reduces cell division frequency at a specific time of day under constant light. This circadian gating should modulate the division control by the adder mechanism, but its significance remains unknown. Here we address how the circadian gating affects cell length, doubling time, and cell length stability in cyanobacteria by using mathematical models. We show that a cell subject to circadian gating grows for a long time, and gives birth to elongated daughter cells. These elongated daughter cells grow faster than the previous generation, as elongation speed is proportional to cell length and divide in a short time before the next gating. Hence, the distributions of doubling time and cell length become bimodal, as observed in experimental data. Interestingly, the average doubling time over the population of cells is independent of gating because the extension of doubling time by gating is compensated by its reduction in the subsequent generation. On the other hand, average cell length is increased by gating, suggesting that the circadian clock controls cell length. We then show that the decay rate of perturbation in cell length depends on the ratio of delay in division by the gating τG to the average doubling time τ0 as [Formula: see text] . We estimated τG≈2.5, τ0≈13.6 hours, and τG/τ0≈0.18 from experimental data, indicating that a long doubling time in cyanobacteria maintains the decay rate similar to that of the adder mechanism. Thus, our analysis suggests that the acquisition of the circadian clock during evolution did not impose a constraint on cell size homeostasis in cyanobacteria.

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2022.111260

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  • Complementary phase responses via functional differentiation of dual negative feedback loops. 査読 国際誌

    Koichiro Uriu, Hajime Tei

    PLoS computational biology   17 ( 3 )   e1008774   2021年3月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Multiple feedback loops are often found in gene regulations for various cellular functions. In mammalian circadian clocks, oscillations of Period1 (Per1) and Period2 (Per2) expression are caused by interacting negative feedback loops (NFLs) whose protein products with similar molecular functions repress each other. However, Per1 expression peaks earlier than Per2 in the pacemaker tissue, raising the question of whether the peak time difference reflects their different dynamical functions. Here, we address this question by analyzing phase responses of the circadian clock caused by light-induced transcription of both Per1 and Per2 mRNAs. Through mathematical analyses of dual NFLs, we show that phase advance is mainly driven by light inputs to the repressor with an earlier expression peak as Per1, whereas phase delay is driven by the other repressor with a later peak as Per2. Due to the complementary contributions to phase responses, the ratio of light-induced transcription rates between Per1 and Per2 determines the magnitude and direction of phase shifts at each time of day. Specifically, stronger Per1 light induction than Per2 results in a phase response curve (PRC) with a larger phase advance zone than delay zone as observed in rats and hamsters, whereas stronger Per2 induction causes a larger delay zone as observed in mice. Furthermore, the ratio of light-induced transcription rates required for entrainment is determined by the relation between the circadian and light-dark periods. Namely, if the autonomous period of a circadian clock is longer than the light-dark period, a larger light-induced transcription rate of Per1 than Per2 is required for entrainment, and vice versa. In short, the time difference between Per1 and Per2 expression peaks can differentiate their dynamical functions. The resultant complementary contributions to phase responses can determine entrainability of the circadian clock to the light-dark cycle.

    DOI: 10.1371/journal.pcbi.1008774

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  • From local resynchronization to global pattern recovery in the zebrafish segmentation clock. 査読 国際誌

    Koichiro Uriu, Bo-Kai Liao, Andrew C Oates, Luis G Morelli

    eLife   10   2021年2月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Integrity of rhythmic spatial gene expression patterns in the vertebrate segmentation clock requires local synchronization between neighboring cells by Delta-Notch signaling and its inhibition causes defective segment boundaries. Whether deformation of the oscillating tissue complements local synchronization during patterning and segment formation is not understood. We combine theory and experiment to investigate this question in the zebrafish segmentation clock. We remove a Notch inhibitor, allowing resynchronization, and analyze embryonic segment recovery. We observe unexpected intermingling of normal and defective segments, and capture this with a new model combining coupled oscillators and tissue mechanics. Intermingled segments are explained in the theory by advection of persistent phase vortices of oscillators. Experimentally observed changes in recovery patterns are predicted in the theory by temporal changes in tissue length and cell advection pattern. Thus, segmental pattern recovery occurs at two length and time scales: rapid local synchronization between neighboring cells, and the slower transport of the resulting patterns across the tissue through morphogenesis.

    DOI: 10.7554/eLife.61358

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  • Synchronization dynamics of mobile oscillators in the presence of coupling delays. 査読

    Petrungaro G, Uriu K, Morelli LG

    Physical review. E   99 ( 6-1 )   062207   2019年6月

  • A saturated reaction in repressor synthesis creates a daytime dead zone in circadian clocks. 査読

    Uriu K, Tei H

    PLoS computational biology   15 ( 2 )   e1006787   2019年2月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者  

    DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006787

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  • Information flow in the presence of cell mixing and signaling delays during embryonic development. 査読

    Petrungaro G, Morelli LG, Uriu K

    Seminars in cell & developmental biology   2018年10月

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    担当区分:責任著者  

    DOI: 10.1016/j.semcdb.2018.09.008

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  • Assessment of Instructions on Protection Against Food Contaminated with Radiocesium in Japan in 2011 査読

    Mayumi Seto, Koichiro Uriu, Isao Kawaguchi, Hiroyuki Yokomizo

    Risk Analysis   38 ( 6 )   1154 - 1168   2018年6月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Blackwell Publishing Inc.  

    DOI: 10.1111/risa.12893

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  • Mobility-induced persistent chimera states 査読

    Gabriela Petrungaro, Koichiro Uriu, Luis G. Morelli

    PHYSICAL REVIEW E   96 ( 6 )   062210   2017年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1103/PhysRevE.96.062210

    Web of Science

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  • Feedback loops interlocked at competitive binding sites amplify and facilitate genetic oscillations 査読

    Koichiro Uriu, Hajime Tei

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   428   56 - 64   2017年9月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2017.06.005

    Web of Science

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  • A framework for quantification and physical modeling of cell mixing applied to oscillator synchronization in vertebrate somitogenesis 査読

    Koichiro Uriu, Rajasekaran Bhavna, Andrew C. Oates, Luis G. Morelli

    BIOLOGY OPEN   6 ( 8 )   1235 - 1244   2017年8月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1242/bio.025148

    Web of Science

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  • Determining the impact of cell mixing on signaling during development 査読

    Koichiro Uriu, Luis G. Morelli

    DEVELOPMENT GROWTH & DIFFERENTIATION   59 ( 5 )   351 - 368   2017年6月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語  

    DOI: 10.1111/dgd.12366

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  • Object Segmentation and Ground Truth in 3D Embryonic Imaging (vol 11, e0150853, 2016) 査読

    Rajasekaran Bhavna, Koichiro Uriu, Guillaume Valentin, Jean-Yves Tinevez, Andrew C. Oates

    PLOS ONE   11 ( 8 )   e0150853   2016年8月

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  • Genetic oscillators in development 査読

    Koichiro Uriu

    DEVELOPMENT GROWTH & DIFFERENTIATION   58 ( 1 )   16 - 30   2016年1月

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語  

    DOI: 10.1111/dgd.12262

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  • Sample Size Allocation for Food Item Radiation Monitoring and Safety Inspection 査読

    Mayumi Seto, Koichiro Uriu

    RISK ANALYSIS   35 ( 3 )   409 - 422   2015年3月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1111/risa.12276

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  • Interplay between intercellular signaling and cell movement in development 査読

    Koichiro Uriu, Luis G. Morelli, Andrew C. Oates

    SEMINARS IN CELL & DEVELOPMENTAL BIOLOGY   35   66 - 72   2014年11月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語  

    DOI: 10.1016/j.semcdb.2014.05.011

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  • Collective Cell Movement Promotes Synchronization of Coupled Genetic Oscillators 査読

    Koichiro Uriu, Luis G. Morelli

    BIOPHYSICAL JOURNAL   107 ( 2 )   514 - 526   2014年7月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.bpj.2014.06.011

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  • Dynamics of mobile coupled phase oscillators 査読

    Koichiro Uriu, Saul Ares, Andrew C. Oates, Luis G. Morelli

    PHYSICAL REVIEW E   87 ( 3 )   2013年3月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1103/PhysRevE.87.032911

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  • Optimal cellular mobility for synchronization arising from the gradual recovery of intercellular interactions 査読

    Koichiro Uriu, Saul Ares, Andrew C. Oates, Luis G. Morelli

    PHYSICAL BIOLOGY   9 ( 3 )   036006   2012年6月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/1478-3975/9/3/036006

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  • Computational Approaches to Developmental Patterning 査読

    Luis G. Morelli, Koichiro Uriu, Saul Ares, Andrew C. Oates

    SCIENCE   336 ( 6078 )   187 - 191   2012年4月

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  • Synchronized oscillation of the segmentation clock gene in vertebrate development 査読

    Koichiro Uriu, Yoshihiro Morishita, Yoh Iwasa

    JOURNAL OF MATHEMATICAL BIOLOGY   61 ( 2 )   207 - 229   2010年8月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1007/s00285-009-0296-1

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  • Random cell movement promotes synchronization of the segmentation clock 査読

    Koichiro Uriu, Yoshihiro Morishita, Yoh Iwasa

    PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA   107 ( 11 )   4979 - 4984   2010年3月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1073/pnas.0907122107

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  • Traveling wave formation in vertebrate segmentation 査読

    Koichiro Uriu, Yoshihiro Morishita, Yoh Iwasa

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   257 ( 3 )   385 - 396   2009年4月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2009.01.003

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  • Turing pattern formation with two kinds of cells and a diffusive chemical 査読

    Koichiro Uriu, Yoh Iwasa

    BULLETIN OF MATHEMATICAL BIOLOGY   69 ( 8 )   2515 - 2536   2007年11月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1007/s11538-007-9230-0

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MISC

  • Clock driven waves of Tbx6 expression prefigure somite boundaries

    Olivier F. Venzin, Chloé Jollivet, Nicolas Chiaruttini, Olga Rosspopoff, Clément Helsens, Luis G. Morelli, Koichiro Uriu, Andrew C. Oates

    bioRxiv   2023年11月

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    出版者・発行元:Cold Spring Harbor Laboratory  

    Abstract

    The segmented body plan of vertebrates is established during embryogenesis by periodic and sequential formation of multi-cellular structures called somites. Somitogenesis is an example of patterning by a biological oscillator, the segmentation clock, which manifests as traveling waves of oscillating Hes/Her gene expression, reiterating during the formation of each1–3. How these waves are converted into the striped Mesp gene expression pattern that prefigures morphological somite boundaries4–8remains unclear. Here, we image this conversion in real-time at single-cell resolution in zebrafish, using light-sheet microscopy of a novel reporter of Tbx6, a key activator of Mesp expression. We observe cellular oscillations and kinematic waves of Tbx6 expression that are driven by Hes/Her genes. Tbx6 waves arrest precisely in boundary cells that eventually express Mesp, thereby prefiguring the Mesp pattern, whereas Hes/Her waves do not. Although Hes/Her oscillations began before somitogenesis9–11, the first Tbx6 wave defines the boundary cells of the anterior-most somite, forming the head-trunk interface. Our findings imply that Tbx6 acts as a genetic clutch, converting Her/Hes pacemaker waves into Mesp stripes. We propose that this clock design shields the pacemaker from external perturbations, allowing flexible and robust patterning, making it of interest for organoids and tissue-engineering.

    DOI: 10.1101/2023.11.09.566373

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講演・口頭発表等

  • Dead zone formation by negative feedback loops in the circadian clocks 招待

    瓜生耕一郎

    2018 Annual Meeting of the Society for Mathematical Biology & the Japanese Society for Mathematical Biology  2018年7月 

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    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • 分節時計のリズムを体節パターンへ変換する数理メカニズム 招待

    瓜生耕一郎

    2024年度日本数理生物学会年会  2024年9月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Delta-Notchシグナルによる近接細胞間同期から組織レベルのパターン形成へ: 脊椎動物分節時計の数理モデリング 招待

    瓜生耕一郎

    第44回日本分子生物学会年会  2021年12月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 眠気の生成・解消機構の解明のための総括研究

    研究課題/領域番号:24H00859  2024年4月 - 2027年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(B)

    丹羽 康貴, 坂本 雅行, 宮脇 寛行, 阪東 勇輝, 真仁田 聡, 瓜生 耕一郎

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    配分額:15730000円 ( 直接経費:12100000円 、 間接経費:3630000円 )

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  • 細胞状態遷移と神経回路遷移をつなぐ数理モデル: 眠気の生成・解消機構の理論

    研究課題/領域番号:24H00863  2024年4月 - 2027年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(B)

    瓜生 耕一郎

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    配分額:18980000円 ( 直接経費:14600000円 、 間接経費:4380000円 )

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  • Period1誘導化合物の位相前進作用の解明とそれを用いた内的脱同調モデルの構築

    研究課題/領域番号:23K27213  2023年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    程 肇, 瓜生 耕一郎

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    配分額:18980000円 ( 直接経費:14600000円 、 間接経費:4380000円 )

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  • 動く細胞集団における遺伝子発現リズム動態の解析

    研究課題/領域番号:20K06653  2020年4月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    瓜生 耕一郎

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    配分額:4290000円 ( 直接経費:3300000円 、 間接経費:990000円 )

    今年度は、2020年度に導出した移動する振動子の統計記述手法を、脊椎動物の分節時計に適用し、組織の前後軸に沿った細胞移動速度の空間勾配が、分節時計遺伝子発現の波に及ぼす影響を数理的に解析した。未分節中胚葉組織では、細胞移動速度の空間勾配に加え、遺伝子発現リズム周期が組織の前側に行くほど長くなる。そのため、組織の前後軸に沿って位相の波が形成される。この位相波が組織前方に到達すると、新たな体節境界が形成される。そのため、この波の精確性は、正常な体節を作る上で重要である。一方、組織では細胞移動が観察される。細胞が動き隣接細胞を入れ替えることで、細胞間での遺伝子発現のばらつきが大きくなると考えられてきたが、その影響は不明であった。そこで、数理モデルに細胞移動速度勾配とリズム周期勾配を導入して、細胞が移動する場合の遺伝子発現リズムの分散を計算した。
    仮に組織中で細胞が一様に動くとした場合、体節が形成される組織前方で遺伝子発現リズム位相の分散が大きくなることを、分散の時間変化を記述する偏微分方程式を解くことで明らかにした。これは、組織前側に行くほど、遺伝子発現パターンの波長が短くなり、細胞移動による入れ替えの影響を受けやすくなるからである。実際の脊椎動物で観察される前後軸に沿った移動速度の勾配があると、波長の短い組織前方では細胞が動かないため、遺伝子発現の分散は小さく抑えられることを理論的に示すことができた。一方、組織後方では、遺伝子発現パターンの波長が長いため、細胞移動によって生じる分散は小さく抑えられる。そして、リズム位相の平均的な振る舞いを記述する方程式を使うことで、組織後方での細胞移動は同期を促進することを解析的に示した。

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  • 組織変形のもとでの発生時計の同期過程

    研究課題/領域番号:19H04772  2019年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    瓜生 耕一郎

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    配分額:4290000円 ( 直接経費:3300000円 、 間接経費:990000円 )

    2020年度は以下の内容に取り組んだ。
    (1) 昨年度までに得られた結果と、今年度に追加で行った計算の結果を論文にまとめ、国際誌に掲載した(Uriu, Liao et al. 2021 Elife)。今年度に行った計算は、欠陥のある体節境界のサイズ分布を求めるもので、実験とシミュレーションが良く一致することが分かった。
    (2) Delta-Notchシグナルによる細胞間相互作用には数十分の時間遅れがあることが知られているため、これまでの位相振動子モデルにこの時間遅れの効果を組み込み、その影響について解析を行った。未分節中胚葉には前後軸に沿った分節時計の振動数勾配が存在するが、細胞間カップリングに時間遅れがあると、この振動数勾配が再同期に影響を及ぼすことが分かった。さらに分節時計の振幅の自由度も記述できるようモデルを拡張した。ゼブラフィッシュ未分節中胚葉では前後軸に沿って遺伝子発現リズムの振幅勾配が観察されている。この振幅勾配によって前後軸に沿った再同期過程の違いが起きるかをシミュレーションによって解析した。
    (3) ゼブラフィッシュでは、分節時計の細胞間相互作用にはDeltaCとDeltaDタンパク質の二つが関与する。DeltaCタンパク質の濃度は振動する一方、DeltaDの濃度は時間とともに変化しない。このDeltaDが分節時計の同期にどのように働くのかを調べるため、共同研究者と協力してDeltaC/Dタンパク質濃度の時間動態を記述するモデルを作成した。DeltaDタンパク質の存在下および非存在下での同期を数値計算によって調べた。
    (4) ゼブラフィッシュ生体内での分節時計のライブイメージングを共同研究者とともに行った。Notch シグナルの阻害剤を除去した後のレポータータンパク質発現パターンをイメージングすることができた。

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  • シグナルに対する概日時計の位相応答理論とその実験検証

    研究課題/領域番号:19H04955  2019年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    瓜生 耕一郎

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    配分額:2860000円 ( 直接経費:2200000円 、 間接経費:660000円 )

    今年度は主に、前年度に得られた哺乳類概日時計遺伝子Per1とPer2の機能分化に関する結果を、論文としてまとめることに取り組んだ。論文は国際誌に掲載された(Uriu and Tei 2021 PLOS Comput. Biol.)。Per1とPer2はともにネガティブフィードバックループを構成し、光シグナルによって発現が一過的に誘導される。恒暗条件下においてPer1遺伝子発現リズムのピーク位相はPer2のそれよりも約4時間早い。この時間差があると、Per1は主に概日時計の位相前進に、Per2は位相後退に寄与するという機能分化が起きる。今年度はこのテーマに関して、以下の新たな結果が得られた。
    (1) 昨年度は遅延微分方程式系を用い、Per1とPer2の機能の違いを示した。今年度はさらに、常微分方程式系で概日時計遺伝子制御ネットワークをモデル化し、同様の結論が得られることを確認した。
    (2) 昨年度に構築したモデルにCryやBmal1といった他の時計遺伝子を含めることで、より複雑なネットワークでも、Per1とPer2の機能分化が起きることを示した。(1)と(2)の結果は、Per1とPer2の位相応答における機能の違いは、数理モデルの詳細によらないことを示唆している。
    (3) ヒトのクロノタイプとの関連性について解析を行った。明暗条件下での時計遺伝子の発現ピーク位相は、ヒトのクロノタイプ(朝型、夜型)に反映されると考えられている。光シグナルによってPer1がPer2よりも誘導されやすいと、遺伝子発現リズムのピーク位相が早まり朝型に、Per2の方がより誘導される場合にはピーク位相が遅くなり、夜型になることがモデルの解析から示唆された。
    (4) 理論解析の結果が、実験結果と矛盾しないかどうかを文献調査により調べた。その結果、理論は哺乳類で観察される位相応答をうまく説明できることが分かった。

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  • 発生組織における時計の時空間動態:分節時計再同期の数理モデリング

    研究課題/領域番号:17H05762  2017年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    瓜生 耕一郎

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    配分額:4160000円 ( 直接経費:3200000円 、 間接経費:960000円 )

    本研究では、発生プロセスが発生時計のレジリエンスとロバストネスに及ぼす影響を明らかにする目的で、ゼブラフィッシュ分節時計の同期過程を解析した。Notchシグナルによる細胞間シグナル伝達を阻害する薬剤を処理し、細胞間の分節時計の同期を崩すと、欠陥のある体節が形成される。薬剤を除去してしばらくすると、正常な体節が再び作られる。これは分節時計の再同期が起きたためだと考えられてきたが、その詳細は不明であった。この過程を明らかにするために、昨年度は空間三次元の数理モデルを構築し解析を行った。その結果、再同期過程において渦状の位相パターンが組織後方に現れ、正常な体節が作られた後で再び欠陥のある体節を作ることを見出した。
    今年度は、構築した数理モデルを用い、薬剤除去後初めて正常な体節が作られるまでにかかる時間と、欠陥のある体節が再び現れなくなるまでにかかる時間が、発生ステージに応じてどのように変化するかを数理的に解析し、実験データとの比較を行った。発生とともに組織長は短くなり、また組織の伸長様式も変化する。数値計算によると、組織長の短縮は、欠陥のある体節が現れなくなるまでにかかる時間を短くする。また伸長様式の変化もこの時間に影響を及ぼす。一方、正常な体節が初めて現れるまでにかかる時間は、Notchシグナルが分節時計に影響を及ぼす強さに大きく依存することが分かった。
    まとめると、隣接細胞間相互作用によって生じる渦状位相パターンが、正常な体節ができた後に再び欠陥のある体節が形成される現象を引き起こす。この渦状位相パターンの動きは組織長や組織伸長によって決まるため、これらの組織パラメタは再同期過程に影響を及ぼしうる。本研究の結果は組織伸長や組織サイズの変化といった発生プロセスが、発生時計の摂動応答に影響を及ぼすことを示唆する。

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  • 細胞集団の協調移動現象の数理モデリング

    研究課題/領域番号:26840085  2014年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)

    瓜生 耕一郎

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    配分額:2990000円 ( 直接経費:2300000円 、 間接経費:690000円 )

    生物の発生過程で観察される細胞の協調的移動現象を数理モデリングとイメージングデータによって解析した。イメージングデータ中の細胞核を自動で検出するアルゴリズムとその検出精度を評価する手法を確立した。さらにその手法を適用し、ゼブラフィッシュ胚未分節中胚葉組織の細胞移動を定量化し、取得した定量データに基づいた数理モデルを構築した。また観察された細胞移動の生物学的意義を解明するために、細胞集団の遺伝子発現リズム同期へ及ぼす影響を数理モデルによって調べたところ、協調的細胞移動がリズム同期を促進することを見出した。

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  • 脊椎動物の体節形成と神経分化の数理モデリング

    研究課題/領域番号:11J02685  2011年 - 2013年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特別研究員奨励費

    瓜生 耕一郎

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    配分額:2400000円 ( 直接経費:2400000円 )

    昨年度に続き、脊椎動物体節形成過程で見られる細胞移動が体節時計遺伝子の発現振動の同期に与える影響について理論・実験の両側面から研究を行った。理論的側面からは、細胞の集団移動が体節時計の同期に与える影響をシミュレーションで調べた。隣接している細胞間で移動方向の相関があると、集団での振動の同期がより促進されることを昨年度に発見した。今年度はその数理メカニズムを明らかにした。移動方向の短距離相関があると、相関がない場合に比べ細胞がより混ざりやすくなり、その結果細胞間の情報伝達が促進され同期が起きやすくなる。さらに短距離相関があることで振動位相の空間非一様なパターンが不安定化されやすくなり、領域全体でより同期が起きやすくなる。これらの結果は、細胞の集団移動が細胞間の情報伝達を促進し遺伝子発現の同期を速めるという、新しい生物学的意義を示唆している。実験的側面からは昨年度に引き続き、組織での細胞の相対的な位置変化を定量化する目的で、計測したデータを使い細胞間の平均二乗距離の時間変化を計算した。細胞内での核運動を考慮にいれた三次元細胞移動モデルを構築し、短い時間スケールで見られる平均二乗距離の振る舞いを細胞核の動きが決めていること、長い時間スケールでの振る舞いは細胞自体の動きによって決まることを明らかにした。データに対し空間三次元の細胞移動モデルをフィッティングし、移動速度や移動方向の自己相関長等のパラメタを推定した。推定したパラメタのもとで細胞移動をコンピュータ上で再現し、移動が体節時計遺伝子発現の振動の同期に影響を与えるかどうかを数値シミュレーションで調べた。その結果、組織での細胞移動は同期に影響を与えうる範囲にあることが明らかになった。生体内で細胞移動がどの程度遺伝子発現に影響を及ぼせるか未知であったが、今回の実験データ解析と数理モデリングによりその影響の一つの見積もりが得られた。

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  • 遺伝子発現の進行波パターンの数理解析:脊椎動物の体節形成過程

    研究課題/領域番号:09J03287  2009年 - 2010年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特別研究員奨励費

    瓜生 耕一郎

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    配分額:1400000円 ( 直接経費:1400000円 )

    前年度の研究結果に引き続き、脊椎動物の未分節中胚葉で観察される細胞移動が体節時計遺伝子の同調振動に与える影響について、数理モデルと計算機シミュレーションをもちいて解析を行った。研究はMax Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (ドイツ)のLuis Morelli研究員と共同で行った。先行研究の数理モデルでは、移動した細胞は新しく接触した細胞と直ちに膜タンパク質を介して相互作用できる、と仮定していた。しかし細胞が膜タンパク質を介して細胞間で相互作用するためには、膜タンパク質を隣の細胞と結合させる必要があるため、移動した直後すぐには相互作用を開始できないと予想される。つまり接触直後には細胞間の相互作用率は低く、接触している時間とともに相互作用率が徐々に増加していくと考えられる。これらのことから、細胞の移動があまりにも頻繁に起こると隣の細胞と十分に相互作用を確立することができず、細胞移動は同期を妨げると予想された。この予測を検証するために、従来の位相振動子モデルに相互作用率の時間変化を組み込み、シミュレーションを行った。その結果、振動子間で同期を達成するための最適な移動率があること、同期を達成できる細胞移動率の上限を発見した。そして同期を達成できる細胞移動率の上限に関する公式を結合位相振動子の理論をもちいて導出した。我々の理論研究は、遺伝子発現の細胞間同期に対する細胞移動の効果を理解するためには、細胞間相互作用が時間とともにどのように構築されていくかを理解する必要があることを示している。

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