2025/05/21 更新

写真a

タチカワ マサシ
立川 正志
Masashi Tachikawa
所属
生命ナノシステム科学研究科 物質システム科学専攻 准教授
理学部 理学科
職名
准教授
外部リンク

研究キーワード

  • オルガネラ

  • シミュレーション

  • 数理モデル

  • 生物物理学

  • 細胞生物学

研究分野

  • ライフサイエンス / 生物物理学

学歴

  • 名古屋大学   理学研究科   物質理学専攻(物理系)

    1999年4月 - 2004年3月

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  • 大阪大学   理学部   物理学科

    1995年4月 - 1999年3月

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経歴

  • 横浜市立大学   理学部 理学科 生命ナノシステム科学研究科 物質システム科学専攻   准教授

    2022年4月 - 現在

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  • 京都大学   ウイルス・再生医科学研究所   准教授

    2019年4月 - 2022年3月

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  • 理化学研究所   望月理論生物学研究室

    2010年4月 - 2019年3月

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  • ERATO金子複雑系生命プロジェクト

    2005年4月 - 2010年3月

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  • 東京大学   総合文化研究科

    2004年4月 - 2005年3月

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所属学協会

論文

  • Actin dynamics switches two distinct modes of endosomal fusion in yolk sac visceral endoderm cells. 査読 国際誌

    Seiichi Koike, Masashi Tachikawa, Motosuke Tsutsumi, Takuya Okada, Tomomi Nemoto, Kazuko Keino-Masu, Masayuki Masu

    eLife   13   2024年10月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Membranes undergo various patterns of deformation during vesicle fusion, but how this membrane deformation is regulated and contributes to fusion remains unknown. In this study, we developed a new method of observing the fusion of individual late endosomes and lysosomes by using mouse yolk sac visceral endoderm cells that have huge endocytic vesicles. We found that there were two distinct fusion modes that were differently regulated. In homotypic fusion, two late endosomes fused quickly, whereas in heterotypic fusion they fused to lysosomes slowly. Mathematical modeling showed that vesicle size is a critical determinant of these fusion types and that membrane fluctuation forces can overcome the vesicle size effects. We found that actin filaments were bound to late endosomes and forces derived from dynamic actin remodeling were necessary for quick fusion during homotypic fusion. Furthermore, cofilin played a role in endocytic fusion by regulating actin turnover. These data suggest that actin promotes vesicle fusion for efficient membrane trafficking in visceral endoderm cells.

    DOI: 10.7554/eLife.95999

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  • Simulation study on “ torsion ” and local structure of chromosome: Loop structure via torsion-adding loop extrusion 招待 査読

    Hiroshi Yokota, Masashi Tachikawa

    Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering   11 ( 1 )   54 - 72   2024年

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Japan Society for Simulation Technology  

    DOI: 10.15748/jasse.11.54

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  • Theoretical approaches for understanding the self‐organized formation of the Golgi apparatus 招待 査読

    Masashi Tachikawa

    Development, Growth & Differentiation   2023年1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(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:Wiley  

    DOI: 10.1111/dgd.12842

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  • Evaluation of loop formation dynamics in a chromatin fiber during chromosome condensation 査読

    Hiroshi Yokota, Masashi Tachikawa

    Progress of Theoretical and Experimental Physics   2022年4月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Oxford University Press (OUP)  

    Abstract

    Chromatin fibers composed of DNA and proteins fold into consecutive loops to form rod-shaped chromosome in mitosis. Although the loop growth dynamics is investigated in several studies, its detailed processes are unclear. Here, we describe the time evolution of the loop length for thermal-driven loop growth processes as an iterative map by calculating physical quantities involved in the processes. We quantify the energy during the chromatin loop formation by calculating the free energies of unlooped and looped chromatins using the Domb-Joyce model of a lattice polymer chain incorporating the bending elasticity for thermal-driven loop growth processes. The excluded volume interaction among loops is integrated by employing the mean-field theory. We compare the loop formation energy with the thermal energy and evaluate the growth of loop length via thermal fluctuation. By assuming the dependence of the excluded volume parameter on the loop length, we construct an iterative map for the loop growth dynamics. The map demonstrates that the growth length of the loop for a single reaction cycle decreases with time to reach the condensin size, where the loop growth dynamics can be less stochastic and be regarded as direct power stroke of condensin as a kind of motor proteins.

    DOI: 10.1093/ptep/ptac065

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  • Modeling Membrane Morphological Change during Autophagosome Formation 査読 国際誌

    Yuji Sakai, Ikuko Koyama-Honda, Masashi Tachikawa, Roland L. Knorr, Noboru Mizushima

    iScience   23 ( 9 )   101466 - 101466   2020年9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:Elsevier BV  

    Autophagy is an intracellular degradation process that is mediated by de novo formation of autophagosomes. Autophagosome formation involves dynamic morphological changes; a disk-shaped membrane cisterna grows, bends to become a cup-shaped structure, and finally develops into a spherical autophagosome. We have constructed a theoretical model that integrates the membrane morphological change and entropic partitioning of putative curvature generators, which we have used to investigate the autophagosome formation process quantitatively. We show that the membrane curvature and the distribution of the curvature generators stabilize disk- and cup-shaped intermediate structures during autophagosome formation, which is quantitatively consistent with in vivo observations. These results suggest that various autophagy proteins with membrane curvature-sensing properties control morphological change by stabilizing these intermediate structures. Our model provides a framework for understanding autophagosome formation.

    DOI: 10.1016/j.isci.2020.101466

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  • Phagocytosis is mediated by two-dimensional assemblies of the F-BAR protein GAS7. 査読 国際誌

    Kyoko Hanawa-Suetsugu, Yuzuru Itoh, Maisarah Ab Fatah, Tamako Nishimura, Kazuhiro Takemura, Kohei Takeshita, Satoru Kubota, Naoyuki Miyazaki, Wan Nurul Izzati Wan Mohamad Noor, Takehiko Inaba, Nhung Thi Hong Nguyen, Sayaka Hamada-Nakahara, Kayoko Oono-Yakura, Masashi Tachikawa, Kenji Iwasaki, Daisuke Kohda, Masaki Yamamoto, Akio Kitao, Atsushi Shimada, Shiro Suetsugu

    Nature communications   10 ( 1 )   4763 - 4763   2019年10月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Phagocytosis is a cellular process for internalization of micron-sized large particles including pathogens. The Bin-Amphiphysin-Rvs167 (BAR) domain proteins, including the FCH-BAR (F-BAR) domain proteins, impose specific morphologies on lipid membranes. Most BAR domain proteins are thought to form membrane invaginations or protrusions by assembling into helical submicron-diameter filaments, such as on clathrin-coated pits, caveolae, and filopodia. However, the mechanism by which BAR domain proteins assemble into micron-scale phagocytic cups was unclear. Here, we show that the two-dimensional sheet-like assembly of Growth Arrest-Specific 7 (GAS7) plays a critical role in phagocytic cup formation in macrophages. GAS7 has the F-BAR domain that possesses unique hydrophilic loops for two-dimensional sheet formation on flat membranes. Super-resolution microscopy reveals the similar assemblies of GAS7 on phagocytic cups and liposomes. The mutations of the loops abolishes both the membrane localization of GAS7 and phagocytosis. Thus, the sheet-like assembly of GAS7 plays a significant role in phagocytosis.

    DOI: 10.1038/s41467-019-12738-w

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  • Molecular Dynamics Simulations of Condensin-Mediated Mitotic Chromosome Assembly. 査読

    Sakai Y, Hirano T, Tachikawa M

    Methods in molecular biology (Clifton, N.J.)   2004   319 - 334   2019年

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    掲載種別:論文集(書籍)内論文  

    DOI: 10.1007/978-1-4939-9520-2_22

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  • Modeling the functions of condensin in chromosome shaping and segregation. 査読

    Yuji Sakai, Atsushi Mochizuki, Kazuhisa Kinoshita, Tatsuya Hirano, Masashi Tachikawa

    PLoS Computational Biology   14 ( 6 )   e1006152   2018年

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006152

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  • Dynamical pattern selection of growing cellular mosaic in fish retina 査読

    Noriaki Ogawa, Tetsuo Hatsuda, Atsushi Mochizuki, Masashi Tachikawa

    PHYSICAL REVIEW E   96 ( 3 )   2017年9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:AMER PHYSICAL SOC  

    A Markovian lattice model for photoreceptor cells is introduced to describe the growth of mosaic patterns on fish retina. The radial stripe pattern observed in wild-type zebrafish is shown to be selected naturally during retina growth, against the geometrically equivalent circular stripe pattern. The mechanism of such dynamical pattern selection is clarified on the basis of both numerical simulations and theoretical analyses, which find that the successive emergence of local defects plays a critical role in the realization of the wild-type pattern.

    DOI: 10.1103/PhysRevE.96.032416

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  • Measurement of caveolin-1 densities in the cell membrane for quantification of caveolar deformation after exposure to hypotonic membrane tension 査読

    Masashi Tachikawa, Nobuhiro Morone, Yosuke Senju, Tadao Sugiura, Kyoko Hanawa-Suetsugu, Atsushi Mochizuki, Shiro Suetsugu

    SCIENTIFIC REPORTS   7 ( 1 )   7794   2017年8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:NATURE PUBLISHING GROUP  

    Caveolae are abundant flask-shaped invaginations of plasma membranes that buffer membrane tension through their deformation. Few quantitative studies on the deformation of caveolae have been reported. Each caveola contains approximately 150 caveolin-1 proteins. In this study, we estimated the extent of caveolar deformation by measuring the density of caveolin-1 projected onto a two-dimensional (2D) plane. The caveolin-1 in a flattened caveola is assumed to have approximately one-quarter of the density of the caveolin-1 in a flask-shaped caveola. The proportion of one-quarter-density caveolin-1 increased after increasing the tension of the plasma membrane through hypo-osmotic treatment. The one-quarter-density caveolin-1 was soluble in detergent and formed a continuous population with the caveolin-1 in the caveolae of cells under isotonic culture. The distinct, dispersed lower-density caveolin-1 was soluble in detergent and increased after the application of tension, suggesting that the hypo-osmotic tension induced the dispersion of caveolin-1 from the caveolae, possibly through flattened caveolar intermediates.

    DOI: 10.1038/s41598-017-08259-5

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  • Golgi apparatus self-organizes into the characteristic shape via postmitotic reassembly dynamics 査読

    Masashi Tachikawa, Atsushi Mochizuki

    PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA   114 ( 20 )   5177 - 5182   2017年5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:NATL ACAD SCIENCES  

    The Golgi apparatus is a membrane-bounded organelle with the characteristic shape of a series of stacked flat cisternae. During mitosis in mammalian cells, the Golgi apparatus is once fragmented into small vesicles and then reassembled to form the characteristic shape again in each daughter cell. The mechanism and details of the reassembly process remain elusive. Here, by the physical simulation of a coarse-grained membrane model, we reconstructed the three-dimensional morphological dynamics of the Golgi reassembly process. Considering the stability of the interphase Golgi shape, we introduce two hypothetical mechanisms-the Golgi rim stabilizer protein and curvature-dependent restriction on membrane fusion-into the general biomembrane model. We show that the characteristic Golgi shape is spontaneously organized from the assembly of vesicles by proper tuning of the two additional mechanisms, i.e., the Golgi reassembly process is modeled as self-organization. We also demonstrate that the fine Golgi shape forms via a balance of three reaction speeds: vesicle aggregation, membrane fusion, and shape relaxation. Moreover, the membrane fusion activity decreases thickness and the number of stacked cisternae of the emerging shapes.

    DOI: 10.1073/pnas.1619264114

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  • Controlling segregation speed of entangled polymers by the shapes: A simple model for eukaryotic chromosome segregation 査読

    Yuji Sakai, Masashi Tachikawa, Atsushi Mochizuki

    PHYSICAL REVIEW E   94 ( 4 )   042403   2016年10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:AMER PHYSICAL SOC  

    We report molecular dynamics simulations of the segregation of two overlapping polymers motivated by chromosome segregation in biological cells. We investigate the relationship between polymer shapes and segregation dynamics and show that elongation and compaction make entangled polymers segregate rapidly. This result suggests that eukaryotic chromosomes take such a characteristic rod-shaped structure, which is induced by condensins, to achieve rapid segregation.

    DOI: 10.1103/PhysRevE.94.042403

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  • Flat leaf formation realized by cell-division control and mutual recessive gene regulation 査読

    Yoshinori Hayakawa, Masashi Tachikawa, Atsushi Mochizuki

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   404   206 - 214   2016年9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:ACADEMIC PRESS LTD- ELSEVIER SCIENCE LTD  

    Most of the land plants generally have dorsoventrally flat leaves, maximizing the surface area of both upper (adaxial) side and lower (abaxial) side. The former is specialized for light capturing for photosynthesis and the latter is specialized for gas exchange. From findings of molecular genetics, it has been considered that the coupled dynamics between tissue morphogenesis and gene regulation for cell identity is responsible for making flat leaves. The hypothesis claims that a flat leaf is generated under two assumptions, (i) two mutually recessive groups of genes specify adaxial and abaxial sides of a leaf, (ii) cell divisions are induced at the limited region in the leaf margin where both of two groups are expressed. We examined the plausibility and possibility of this hypothesis from the dynamical point of view. We studied a mathematical model where two processes are coupled, tissue morphogenesis induced by cell division and deformation, and dynamics of gene regulations. From the analysis of the model we found that the classically believed hypothesis is not sufficient to generate flat leaves with high probability. We examined several different modifications and revision of the model. Then we found that a simple additional rule of polarized cell division facilitates flat leaf formation. The result of our analysis gives prediction of possible mechanism, which can be easily verified in experiments. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2016.06.005

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  • Mathematical study of pattern formation accompanied by heterocyst differentiation in multicellular cyanobacterium 査読

    Jun-ichi Ishihara, Masashi Tachikawa, Hideo Iwasaki, Atsushi Mochizuki

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   371   9 - 23   2015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)   出版者・発行元:ACADEMIC PRESS LTD- ELSEVIER SCIENCE LTD  

    The filamentous cyanobacterium, Anabaena sp. PCC 7120, is one of the simplest models of a multicellular system showing cellular differentiation. In nitrogen-deprived culture, undifferentiated vegetative cells differentiate into heterocysts at similar to 10-cell intervals along the cellular filament. As undifferentiated cells divide, the number of cells between heterocysts (segment length) increases, and a new heterocyst appears in the intermediate region.
    To understand how the heterocyst pattern is formed and maintained, we constructed a one-dimensional cellular automaton (CA) model of the heterocyst pattern formation. The dynamics of vegetative cells is modeled by a stochastic transition process including cell division, differentiation and increase of cell age (maturation). Cell division and differentiation depend on the time elapsed after the last cell division, the "cell age". The model dynamics was mathematically analyzed by a two-step Markov approximation. In the first step, we determined steady state of cell age distribution among vegetative cell population. In the second step, we determined steady state distribution of segment length among segment population. The analytical solution was consistent with the results of numerical simulations. We then compared the analytical solution with the experimental data, and quantitatively estimated the immeasurable intercellular kinetics. We found that differentiation is initially independent of cellular maturation, but becomes dependent on maturation as the pattern formation evolves. Our mathematical model and analysis enabled us to quantify the internal cellular dynamics at various stages of the heterocyst pattern formation. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2015.01.034

    Web of Science

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  • Nonlinearity in cytoplasm viscosity can generate an essential symmetry breaking in cellular behaviors 査読

    Masashi Tachikawa, Atsushi Mochizuki

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   364   260 - 265   2015年1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:ACADEMIC PRESS LTD- ELSEVIER SCIENCE LTD  

    The cytoplasms of ameboid cells are nonlinearly viscous. The cell controls this viscosity by modulating the amount, localization and interactions of bio-polymers. Here we investigated how the nonlinearity infers the cellular behaviors and whether nonlinearity-specific behaviors exist. We modeled the developed plasmodium of the slime mold Physarum polycephalum as a network of branching tubes and examined the linear and nonlinear viscous cytoplasm flows in the tubes. We found that the nonlinearity in the cytoplasm's viscosity induces a novel type of symmetry breaking in the protoplasmic flow. We also show that symmetry breaking can play an important role in adaptive behaviors, namely, connection of behavioral modes implemented on different time scales and transportation of molecular signals from the front to the rear of the cell during cellular locomotion. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2014.09.023

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  • Mathematical study for the mechanism of vascular and spot patterns by auxin and pin dynamics in plant development 査読

    Yoshinori Hayakawa, Masashi Tachikawa, Atsushi Mochizuki

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   365   12 - 22   2015年1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:ACADEMIC PRESS LTD- ELSEVIER SCIENCE LTD  

    Inhomogeneous distribution of auxin is essential in various differentiation processes of plant development. Auxin transfer between cells by efflux carrier protein called PINFORMED (PIN) has been considered to be responsible for inhomogeneous distribution of auxin. Two major types of auxin distribution patterns are "spot" patterns and "passage" patterns, which are responsible for determining the position of the primordia of a leaf or flower in shoot apical meristem and formation of leaf veins, respectively.
    In this study, we studied the pattern formation of auxin distribution mediated by polarization of PIN using mathematical methods. We developed several different models which show possible interaction mechanisms between auxin and PIN on 2-dimentional hexagonal cellular lattice, (1) Basic auxin flux model, (2) auxin-dependent PIN degradation model and (3) auxin self-feedback model.
    We analyzed these models by numerical calculation and mathematical analysis. From intensive numerical calculations under different conditions, we found that some models show three different types of pattern formations in dynamics, (a) homogeneous, (b) passage and (c) spot pattern depending on parameter condition. We analyzed these models mathematically using approximation of 1-dimensional periodic space. We determined the conditions that passage and spot patterns are generated in each model, respectively. After these analyses, we propose possible mechanisms by which plants switch passage and spot patterns in different organs by small modification. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2014.09.039

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  • Raman imaging of the diverse states of the filamentous cyanobacteria 査読

    J. Ishihara, M. Tachikawa, A. Mochizuki, Y. Sako, H. Iwasaki, S. Morita

    Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering   8879   2013年

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    掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    The objective of our research was to predict cell fates of a multicellular system, accompanied by cellular differentiation. To fulfill this objective, we sought to distinguish the differentiated and undifferentiated cells of filamentous cyanobacteria (Anabaena sp. PCC 7120) using Raman imaging. This technique indicated Raman bands of the cellular system, in which several bands were assigned to vibrations of β-carotene and scytonemin. We applied principal component analysis (PCA) to the Raman spectra to determine the PC1 and PC2 loading plots and their scores. The data points obtained for heterocyst tended to converge along the bottom of the scatterplot whereas those for vegetative cells were more widely distributed in the PC plane. This indicates that the chemical compositions of a heterocyst were relatively stable. As vegetative cells are capable of proliferation or differentiation, they may transit and exist in several states including the pseudo-differentiated state. The results suggest that the chemical compositions of a vegetative cell fluctuated according to its cellular condition. In conclusion, the results of Raman imaging indicate that the diverse states of vegetative cells are localized in a specific state through differentiation. © 2013 SPIE.

    DOI: 10.1117/12.2018694

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  • Regular and irregular modulation of frequencies in limit cycle oscillator networks 査読

    M. Tachikawa

    EPL   92 ( 2 )   2010年10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:EPL ASSOCIATION, EUROPEAN PHYSICAL SOCIETY  

    Nonisochronicity (frequency change caused by amplitude deviation) is the essential trait that differentiates limit cycle oscillators from phase oscillators. We studied networks of nonisochronic limit cycle oscillators, and demonstrated that the frequencies assume distributed values in a sustainable manner. We observed two complex phenomena in the networks: stationary distributed frequencies at a regular interval (quantization of frequencies), and continuous irregular modulation of frequencies. In the analysis we reveal the mechanisms by which the frequencies are distributed, and show how the nonisochronicity produces these complex phenomena. We also illustrate that the topology of the networks determines the behavior of the system. Copyright (C) EPLA, 2010

    DOI: 10.1209/0295-5075/92/20005

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  • A mathematical model for period-memorizing behavior in Physarum plasmodium 査読

    Masashi Tachikawa

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   263 ( 4 )   449 - 454   2010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)   出版者・発行元:ACADEMIC PRESS LTD- ELSEVIER SCIENCE LTD  

    Mathematical models to describe period-memorizing behavior in Physarum plasmodium are reported. In constructing the model, we first examine the basic characteristics required for the class of models, then create a minimal linear model to fulfill these requirements. We also propose two modifications of the minimal model, nonlinearization and noise addition, which improve the reproducibility of experimental evidences. Differences in the mechanisms and in the reproducibility of experiments between our models and the previous models are discussed. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.jtbi.2010.01.005

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  • Fluctuation Induces Evolutionary Branching in a Mathematical Model of Ecosystems 査読

    Masashi Tachikawa

    PLOS ONE   3 ( 12 )   e3925   2008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)   出版者・発行元:PUBLIC LIBRARY SCIENCE  

    Ecological systems are always subjected to various environmental fluctuations. They evolve under these fluctuations and the resulting systems are robust against them. The diversity in ecological systems is also acquired through the evolution. How do the fluctuations affect the evolutionary processes? Do the fluctuations have direct impact on the species diversity in ecological systems? In the present paper, we investigate the relation between the environmental fluctuation and the evolution of species diversity with a mathematical model of evolutionary ecology. In the model, individual organisms compete for a single restricted resource and the temporal fluctuation in the resource supply is introduced as the environmental fluctuation. The evolutionary process is represented by the mutational change of genotypes which determines their resource utilization strategies. We found that when the environmental state is switched form static to fluctuating conditions, the initial closely related population distributed around the genotype adapted for the static environment is destabilized and divided into two groups in the genotype space; i.e., the evolutionary branching is induced by the environmental fluctuation. The consequent multiple species structures is evolutionary stable at the presence of the fluctuation. We perform the evolutionary invasion analysis for the phenomena and illustrate the mechanisms of the branchings. The results indicate a novel process of increasing the species diversity via evolutionary branching, and the analysis reveals the mechanisims of the branching preocess as the response to the environmental fluctuation. The robustness of the evolutionary process is also discussed.

    DOI: 10.1371/journal.pone.0003925

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  • Specific locking in populations dynamics: Symmetry analysis for coupled heteroclinic cycles 査読

    Masashi Tachikawa

    JOURNAL OF COMPUTATIONAL AND APPLIED MATHEMATICS   201 ( 2 )   374 - 380   2007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)   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    Population dynamics on two sites of ecological fields are studied. Each site shows oscillatory dynamics with a heteroclinic cycle ora limit cycle attractor, and Populations migrate between two sites diffusively. In this system, frequency locking states with specific ratios between the oscillations of two sites are observed. The selection of the ratios are explained with the symmetry of the phase space. Other properties of the locking states as behaviors intrinsic to heteroclinic cycles are also discussed. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.cam.2005.12.037

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  • Emergence of multi-time scales in coupled oscillators with plastic frequencies 査読

    M. Tachikawa, K. Fujimoto

    EPL   78 ( 2 )   2007年

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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:EPL ASSOCIATION, EUROPEAN PHYSICAL SOCIETY  

    A coupled phase-oscillator model where each oscillator has an angular velocity that varies due to the interaction with other oscillators is studied. This model is proposed to give a novel example of a wide variety of time scales as complex systems. It is found that initial conditions close to a one-cluster state self-organize into multiple clusters with different angular velocities, i.e. diversification of the time scales emerges through the multi clustering process in phases. Analyses for the clusters solution, the stability of the solution and the mechanism determining the time scales are reported. Copyright (C) EPLA, 2007.

    DOI: 10.1209/0295-5075/78/20004

    Web of Science

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  • Convective stabilization of saddle fixed points in an open flow system 査読

    M Tachikawa

    PROGRESS OF THEORETICAL PHYSICS SUPPLEMENT   ( 161 )   352 - 355   2006年

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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:PROGRESS THEORETICAL PHYSICS PUBLICATION OFFICE  

    A open flow system with chaotic behavior in local elemets is studied. As novel phenomena in the system, we report a simple bistable pattern is arised in the downstream though the spatially coherent chaotic oscillation is observed in the upstream domain. The two patterns are characterized by Lyapunov analysis.

    DOI: 10.1143/PTPS.161.352

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  • Multiplicity of limit cycle attractors in coupled heteroclinic cycles 査読

    M Tachikawa

    PROGRESS OF THEORETICAL PHYSICS   109 ( 1 )   133 - 138   2003年1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:PROGRESS THEORETICAL PHYSICS PUBLICATION OFFICE  

    A square lattice distribution of coupled oscillators that have heteroclinic cycle attractors is studied. In this system, we find a novel type of patterns that is spatially disordered and periodic in time. These patterns are limit cycle attractors in the ambient phase space (i.e. not chaotic), and there exsit many limit cycles, dividing the phase space into their basins. The patterns emerge from a local law concerning the difference between the phases of oscillators. The number of patterns grows exponentially as a function of the number of oscillators.

    DOI: 10.1143/PTP.109.133

    Web of Science

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  • An introduction to coupled heteroclinic cycles 査読

    M Tachikawa

    PROGRESS OF THEORETICAL PHYSICS SUPPLEMENT   ( 150 )   449 - 452   2003年

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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:PROGRESS THEORETICAL PHYSICS PUBLICATION OFFICE  

    Coupled heteroclinic cycles are introduced as a new class of coupled oscillator systems. As an example, we study a square lattice distribution of heteroclinic cycles and show the emergence of non-chaotic disordered patterns. A short analysis of them is also reported.

    Web of Science

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書籍等出版物

  • 数理生理学

    Keener James P, Sneyd James( 担当: 共訳)

    日本評論社  2005年 

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    記述言語:日本語  

    CiNii Books

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MISC

  • マクロオートファジーにおける細胞質ゾーニング

    小山(本田)郁子, 境祐二, 高橋暁, 高橋暁, 齊藤知恵子, 立川正志, 水島昇

    日本生化学会大会(Web)   96th   2023年

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  • 生体膜物理モデルによるゴルジ体再集合シミュレーション 招待

    立川 正志

    生物物理   60 ( 3 )   165 - 167   2020年

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:日本語  

    DOI: 10.2142/biophys.60.165

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  • ゴルジ体のサイズと形の制御 招待

    立川正志

    実験医学   36 ( 13 )   2018年8月

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  • オルガネラ形態の物理モデリング 招待

    立川正志

    生体の科学   69 ( 3 )   2018年6月

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    記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

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  • ゴルジ体は自己組織化する 招待

    立川正志

    日本数理生物学会ニュースレター   85   27 - 29   2018年

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    記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

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  • シミュレーションによるゴルジ体の自己組織化的な形成過程 招待

    立川正志, 望月敦史

    実験医学   35 ( 14 )   2017年9月

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    記述言語:日本語  

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 分子場の特性から記述するバイオロジカルクラスターの新しい状態理論

    研究課題/領域番号:24H02288  2024年4月 - 2029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(A)

    立川 正志

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    配分額:88270000円 ( 直接経費:67900000円 、 間接経費:20370000円 )

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  • 力学モデルで理解する細胞集団の協同現象としての非細胞素材操作

    研究課題/領域番号:23H04320  2023年4月 - 2025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(A)

    立川 正志

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    配分額:7800000円 ( 直接経費:6000000円 、 間接経費:1800000円 )

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  • 非細胞素材を操作する職人細胞の形態力学モデル

    研究課題/領域番号:21H05781  2021年9月 - 2023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(A)  学術変革領域研究(A)

    立川 正志

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    配分額:6240000円 ( 直接経費:4800000円 、 間接経費:1440000円 )

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  • ミトコンドリア形態の包括的数理モデリング

    2020年12月 - 2024年3月

    科学技術振興機構  戦略的創造研究推進事業 さきがけ 

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    担当区分:研究代表者 

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  • 数理モデリングを用いた選別輸送ゾーンのメカニズムの理解

    研究課題/領域番号:20H04903  2020年4月 - 2022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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    立川 正志

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    配分額:3380000円 ( 直接経費:2600000円 、 間接経費:780000円 )

    ERにおいて翻訳された膜タンパク質や分泌タンパク質がゴルジ体へと送られる場所となるER Exit Site(ERES)が、どのように形成されるか、数理モデリングの手法を用いて調べた。ERESをER膜上での分子パターンとしてとらえ、ERESに必須であるタンパク質の集団からなる反応モデルを作成し、そのパターン形成の様相を調べた。中心となる分子として低分子量Gタンパク質であるSar1-GTPとその活性化因子(GAP)であるSec23/24に注目した反応拡散方程式を作成し、安定なドメインの形成すること、複数のドメインが独立に安定化することを再現した。
    このERES形成モデルを組み込んだ膜シミュレーションを行った。このシミュレーションでは、Sec23/24がコート分子としてベシクル形成を促進するこに注目し、Sec23/24が膜に曲率を与える効果を取り入れてモデルを設計した。結果、ERESがER膜からbuddingするダイナミクスに再現に成功した。ERES buddingがどのように制御されるか、いくつかの反応定数と力学パラメタを変化させて解析を行い、Sec23/24が曲率依存的に膜から離脱する速度が重要であること、この速度が中程度の時に、実験に観察されているSec23/24が外れたbudding構造が形成されることを見出した。

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  • コンデンシンIとIIの分子メカニズムの解明

    研究課題/領域番号:18H05276  2018年6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(S)  基盤研究(S)

    平野 達也, 立川 正志

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    配分額:193440000円 ( 直接経費:148800000円 、 間接経費:44640000円 )

    (1)カエル卵抽出液を利用したコンデンシンIとIIの機能解析:分裂期染色体の構築メカニズムを理解する目的で、様々な変異型コンデンシンI複合体とコンデンシンII複合体を調整し、カエル卵抽出液を用いた機能アッセイに供してきた。2020年度は、Hサブユニットのアミノ末端ドメインがコンデンシンIの分裂期特異的染色体結合の制御に関わっているという知見をさらに強化する結果を得た。また、コンデンシンII では、D3サブユニットが染色体軸の形成に正の役割を果たしているのに対して、G2サブユニットが負の役割を果たしていることを見出した。さらに、2つのコンデンシン複合体とトポイソメラーゼIIとの機能的クロストークについていくつかの興味深い知見を得た。
    <BR>
    (2)コンデンシンIとIIの比較生化学:2020年度は、コンデンシンI複合体とコンデンシンII複合体が有する生化学活性を比較する目的で、各種機能アッセイ(DNA結合、トポロジカル・ローディング、ATP加水分解)の確立を目指した。また、組換え型Cdk1-cyclin Bによるリン酸化がそれらの活性に与える影響の検討を開始した。
    <BR>
    (3)コンデンシン機能の数理モデリングとシミュレーション: 2020年度は、コンデンシンがクロマチン繊維へねじれを導入する機構のモデル化に取り組んだ。コンデンシンのモデル化としては、これまでのクロマチンループ形成における自由エネルギーモデルを発展させ、クロマチンループ形成に付随的に導入させるねじれの評価を行うとともに、ねじれの導入を前提としたクロマチン繊維の構造発展を理解するためのシミュレーションモデルを構築した。

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  • ミトコンドリア・クリステ形態を構築するロジック

    研究課題/領域番号:18H04768  2018年4月 - 2020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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    立川 正志

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    配分額:4550000円 ( 直接経費:3500000円 、 間接経費:1050000円 )

    ミトコンドリアの持つ複雑な形態を生み出すメカニズムについて、力学モデルを用いて研究を進めた。結果、これまでに解明されていない二つの問題、チューブ形態を生み出すメカニズムは何か、と、ミトコンドリア・クリステを生み出すメカニズムは何か、はある仮説の元で一つの同じ機構で説明できることを見出した。その仮説においてはクリステを形成する力の存在を仮定し、この力がクリステを生成・伸長させるとともに、クリステ膜が内膜へ張力を伝えることにより、ミトコンドリア概形に曲率が生じ、チューブ形態が生み出される。さらに、この機構に基づいてオイラー・ラクランジュ方程式を解くことにより、エネルギー的に安定なミトコンドリア形態を求めたところ、ミトコンドリアチューブ形態には所々に"くびれ"が生じることが分かった。ミトコンドリアは細胞の中で頻繁に分裂・融合を繰り返しているが、その分裂のきっかけを生み出す分子メカニズムはまだ完全には理解されていないが、このくびれは、分子的なきっかけを必要とせず、ミトコンドリア膜のエネルギー的な安定化が自発的に分裂を促進させることを示唆している。
    さらに、この仮説の妥当性を調べるために、既知のミトコンドリア局在分子の分布・運動がクリステへ及ぼす効果を検証した。結果、ミトコンドリア局在分子のうち、特に呼吸鎖複合体やATP合成酵素などの能動的な膜輸送とカップルした非平衡ゆらぎが、この仮説において仮定したクリステ形成力を生み出しうることを示した。

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  • オルガネラゾーン形成と成熟の数理モデリング

    研究課題/領域番号:18H04874  2018年4月 - 2020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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    立川 正志

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    配分額:4550000円 ( 直接経費:3500000円 、 間接経費:1050000円 )

    ERにおいて翻訳された膜タンパク質や分泌タンパク質がゴルジ体へと送られる場所となるER Exit Site(ERES)が、どのように形成されるか、数理モデリングの手法を用いて調べた。ERESをER膜上での分子パターンとしてとらえ、ERESに必須であるタンパク質の集団からなる反応モデルを作成し、そのパターン形成の様相を調べた。中心となる分子として低分子量Gタンパク質であるSar1-GTPとその活性化因子(GAP)であるSec23/24に注目し、それらの反応を中心に、Sar1のGEFであるSec12やCOPIIコートを形成するScc13/31の効果を関数として入れ込むことで、2変数からなる反応拡散方程式を作成した。この方程式にはSec23/24のGAP活性によるSar1-GTPの膜からの遊離と、Sec23/24(とSec13/31)の集積による膜上拡散の低下が取り入れられており、これらの効果のバランスにより、適切なパラメーター値でSec23/24が集積する安定なドメインの形成すること、複数のドメインが独立に安定化することを実現した。
    また、計画班の清水重臣教授・桜井一助教らとの共同研究として、ゴルジ体トランス槽がストレス応答として閉鎖する現象の膜シミュレーションを行った。ストレス時にゴルジ体からトランス槽の縁安定化分子(clathrin)とトランス槽をつなぎ留めている接着分子(GRASP65)が遊離することを仮定し、その条件下での膜の動態を調べた。特に2層のトランス槽の閉鎖後の位置関係に注目し、最外槽が小さい場合に入れ子状になることを見出した。

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  • 細胞内環境が内膜系の3D形態を生み出すロジック

    研究課題/領域番号:16H01454  2016年4月 - 2018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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    立川 正志

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    配分額:6500000円 ( 直接経費:5000000円 、 間接経費:1500000円 )

    ゴルジ体形成モデルのシミュレーションに関する成果、細胞膜構造の超解像顕微鏡画像解析に関する成果を論文誌に発表した。
    前年度に引き続き、膜とブラウン粒子の相互作用系におけるブラウン粒子依存的な膜のチューブ状形態変化に関してシミュレーションによる定量的な解析を進め、ブラウン粒子の配置エントロピーと膜形態のエントロピーが、全体の形態にどのような影響を及ぼすか調べた。
    ミトコンドリア・クリステの形態の制御機構を理解するために、閉鎖空間での生体膜の振舞について調べた。これまでに作成した生体膜シミュレーターに、空間的な領域を制限する境界条件を導入し、空間が有限であることや膜同士が込み合う環境は、膜形態にどのような影響を及ぼすか調べた。ミトコンドリア・クリステは主に平板形態とチューブ形態を持つが、前年度から研究の継続によりこの二形態が共存しうる双安定な形態であること、形態の持つエントロピーがその安定性に寄与することが分かっている。空間の制限は形態のバリエーションの制限につながり、形態エントロピーをコントロールする境界条件となることが期待される。本研究のシミュレーションにより、空間のサイズと内部での膜密度を変えることにより、安定状態が平板からチューブへ(空間サイズを低下させた場合)、チューブから平板へ(膜密度を上昇した場合)の遷移が起きることを示した。前者は空間が狭くなり並進移動のエントロピーが制限された状況を、変形により形態エントロピーを増加させることで補っていると考えられ、後者は逆に平板化することで層構造をつくり並進エントロピーを増加していると考えられる。この遷移は、ミトコンドリア・クリステの形態が、ミトコンドリアの外形の変化を通してどのようにコントロールされるかの物理メカニズムの一端を示していると考えられる。

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