Health Care Market Research

All Important News

自然の細胞パズルの背後にある数学

healthcaremarketresearch.news


マウス腎尿細管細胞相互嵌合

in vivo でのマウス腎尿細管の写真。原形質膜タンパク質オクルディン (緑) について免疫染色されています。 ここに示されているような多くの上皮細胞は、互いにかみ合っていると説明される凹凸のある境界を持っています。 相互嵌合は、細胞境界間の分子と流体の輸送を促進することが提案されています。 Credit: 九州大学/三浦研究室

細胞境界の「凹凸」の数学

研究者は、腎臓や鼻腺などの組織に見られる細胞境界の凹凸構造の背後にある数学的メカニズムと生物学的メカニズムの両方を明らかにしました。 チームは、彼らの新しい洞察が、関連する病理を治療する新しい方法を開発し、将来の研究のためのより良い生物学的モデルを構築するのに役立つことを願っています.

私たちの細胞には、さまざまな形や大きさがあります。 中枢神経系全体に広がるニューロンから、感染から私たちを守る球状の白血球まで、細胞の形態と構造は体内での機能にとって重要です。 構造 セルも変化する可能性があり、同様に重要なユーティリティを保持します。

そのような中間構造の 1 つは、上皮細胞間に一般的に見られる「凹凸のある」または「波状の」パターンです。このタイプの細胞は、皮膚や他のほとんどの臓器や血管を覆っています。 顕微鏡で見ると、これらのパターンは非常に手に負えないように見えますが、九州大学医学部の三浦隆教授にとっては魅力的な対象です.

「まるでジッパーの歯がかみ合っているように見えます。 研究者はまた、これらの構造を相互にかみ合った細胞境界として説明しています」 アイサイエンス. 「多くの細胞は、互いに噛み合った細胞境界を持っています。 たとえば、尿を生成するフィルターとして機能する腎臓のポドサイトは、非常に複雑な相互嵌合パターンを持っています。 植物の葉の表皮細胞は、細胞壁への機械的ストレスを軽減するためにジグソーパズルのように見えます。」

上皮細胞の重要な機能の 1 つは、傍細胞輸送として知られるプロセスである、細胞境界間の分子および液体の輸送を促進することです。 最近の研究では、境界の相互嵌合が輸送効率を高めることが提案されています。 しかし、これらの構造がどのように正確に形成されるか、またその生理学的意義はまだ完全には理解されていません。

「私たちはまず、腎臓由来の上皮細胞の一種であり、上皮パターン形成の研究に一般的に使用される MDCK 細胞の相互嵌合を研究することから始めました」と Miura 氏は述べています。 「細胞と細胞の境界パターンを数学的に分析したところ、予想外のことがわかりました。 これらの一見ランダムな構造はまったくランダムではなく、実際には数学的にスケーリングしていることが判明しました。 つまり、パターンには自己相似性があり、境界を拡大すると、元のパターンと同じ特性が保持されます。」

次に、チームは確立された数学的モデルを調査して、組み合わせパターンがこの独特の形をしている方法と理由を理解しました。 いくつかの作業仮説の後、エドワーズ・ウィルキンソン モデルと呼ばれるモデルにたどり着きました。

「Edwards-Wilkinson モデルは、境界の長さを最小化する関数を使用して、ランダムに揺れる境界を数学的にシミュレートするために使用されます。 私たちが発見した細胞境界のスケーリングは、このモデルに適合します」と三浦氏は続けます。 「この後、私たちの次のステップは、これらのダイナミクスの原因となる分子メカニズムを見つけることでした.」

チームは、細胞活動において力を必要とするほぼすべての原因となるアクチン-ミオシンタンパク質複合体であるアクトミオシンの役割に焦点を当てました。 綿密に観察すると、彼らは曲がる細胞境界に局在する特定のミオシンタンパク質を特定しました。

三浦氏は、彼らの新しい発見が細胞動力学の基礎をよりよく理解するのに役立ち、生物学の数学的基盤を開発するというより大きな傾向に貢献していると説明しています。

「数学は、化学と物理学の分野で常に密接に結びついてきました。 生物学の基本的なプロセスを数学的に分解することは、過去 20 年間で著しく成長した比較的新しい分野です」と彼は結論付けています。 「生物学の分野が成熟していることを示していると思います。 この分野を発展させることで、生命の基本と生物学的パターンの美しさに関する新しい視点が得られるでしょう。」

参照: 「MDCK 細胞の頂端境界での相互嵌合形成のメカニズム」宮崎慎太郎、大谷哲久、杉原啓、藤森俊彦、古瀬幹雄、三浦貴史、2023 年 4 月 21 日、 アイサイエンス.
DOI: 10.1016/j.isci.2023.106594

助成:日本学術振興会





Source link