研究者データベース

西上 幸範(ニシガミ ユキノリ)
電子科学研究所 附属社会創造数学研究センター
助教

基本情報

所属

  • 電子科学研究所 附属社会創造数学研究センター

職名

  • 助教

学位

  • 博士(理学)(兵庫県立大学)

ホームページURL

科研費研究者番号

  • 80639021

ORCID ID

J-Global ID

研究キーワード

  • 細胞骨格   原生生物   物理エソロジー   細胞運動   繊毛   アメーバ運動   人工細胞   アクチン   ミオシン   

研究分野

  • ライフサイエンス / 細胞生物学 / 物理エソロジー
  • ライフサイエンス / 生物物理学 / 物理エソロジー

所属学協会

  • 日本原生生物学会   日本生物物理学会   

研究活動情報

論文

  • 中垣俊之, 佐藤勝彦, 西上幸範
    植物科学最前線 13 151  2022年08月 [査読有り][招待有り]
  • Sampreeth Thayyil, Yukinori Nishigami, Md. Jahirul Islam, P. K. Hashim, Ken{\textquotesingle}ya Furuta, Kazuhiro Oiwa, Jian Yu, Min Yao, Toshiyuki Nakagaki, Nobuyuki Tamaoki
    Chemistry – A European Journal 28 e2022008  2022年03月25日 [査読有り][通常論文]
  • Kenji Matsumoto, Yukinori Nishigami, Toshiyuki Nakagaki
    Optics Express 30 2 2424  2022年01月17日 [査読有り]
  • Takuya Ohmura, Yukinori Nishigami, Masatoshi Ichikawa
    Biophysics and Physicobiology 19 e190026  2022年
  • Kohei Okuyama, Yukinori Nishigami, Takuya Ohmura, Masatoshi Ichikawa
    Micromachines 12 11 1339 - 1339 2021年10月30日 [査読有り]
     
    The behavior of ciliates has been studied for many years through environmental biology and the ethology of microorganisms, and recent hydrodynamic studies of microswimmers have greatly advanced our understanding of the behavioral dynamics at the single-cell level. However, the association between single-cell dynamics captured by microscopic observation and pattern dynamics obtained by macroscopic observation is not always obvious. Hence, to bridge the gap between the two, there is a need for experimental results on swarming dynamics at the mesoscopic scale. In this study, we investigated the spatial population dynamics of the ciliate, Tetrahymena pyriformis, based on quantitative data analysis. We combined the image processing of 3D micrographs and machine learning to obtain the positional data of individual cells of T. pyriformis and examined their statistical properties based on spatio-temporal data. According to the 3D spatial distribution of cells and their temporal evolution, cells accumulated both on the solid wall at the bottom surface and underneath the air–liquid interface at the top. Furthermore, we quantitatively clarified the difference in accumulation levels between the bulk and the interface by creating a simple behavioral model that incorporated quantitative accumulation coefficients in its solution. The accumulation coefficients can be compared under different conditions and between different species.
  • Takuya Ohmura, Yukinori Nishigami, Atsushi Taniguchi, Shigenori Nonaka, Takuji Ishikawa, Masatoshi Ichikawa
    Science Advances 7 43 abi5878  2021年10月22日 [査読有り][通常論文]
  • 大村 拓也, 西上 幸範, 市川 正敏
    生物物理 61 1 016 - 019 2021年01月 [査読有り]
  • Daniel Schenz, Yukinori Nishigami, Katsuhiko Sato, Toshiyuki Nakagaki
    Current Opinion in Genetics and Development 57 78 - 83 2019年08月 [査読有り][通常論文]
     
    © 2019 Elsevier Ltd Single-celled organisms show a fascinating faculty for integrating spatial information and adapting their behaviour accordingly. As such they are of potential interest for elucidating fundamental mechanisms of developmental biology. In this mini-review we highlight current research on two organisms, the true slime mould Physarum polycephalum and the ciliates Paramecium and Tetrahymena. For each of these, we present a case study how applying physical principles to explain behaviour can lead to the understanding of general principles possibly relevant to developmental biology.
  • Nishigami, Y., Ohmura, T., Taniguchi, A., Nonaka, S., Manabe, J., Ishikawa, T., Ichikawa, M.
    Communicative and Integrative Biology 11 4 2018年 [査読有り][通常論文]
     
    © 2018, © 2018 The Author(s). Published by Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group. Some types of ciliates accumulate on solid/fluid interfaces. This behavior is advantageous to survival in nature due to the presence of sufficient nutrition and stable environments. Recently, the accumulating mechanisms of Tetrahymena pyriformis at the interface were investigated. The synergy of the ellipsoidal shape of the cell body and the mechanosensing feature of the cilia allow for cells to slide on interfaces, and the sliding behavior leads to cell accumulation on the interfaces. Here, to examine the generality of the sliding behavior of ciliates, we characterized the behavior of Paramecium caudatum, which is a commonly studied ciliate. Our experimental and numerical results confirmed that P. caudatum also slid on the solid/fluid interface by using the same mechanism as T. pyriformis. In addition, we evaluated the effects of cellular ellipticity on their behaviors near the wall with a phase diagram produced via numerical simulation.
  • Ohmura, T., Nishigami, Y., Taniguchi, A., Nonaka, S., Manabe, J., Ishikawa, T., Ichikawa, M.
    Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 115 13 3231 - 3236 2018年 [査読有り][通常論文]
     
    © 2018 National Academy of Sciences. All Rights Reserved. An important habit of ciliates, namely, their behavioral preference for walls, is revealed through experiments and hydrodynamic simulations. A simple mechanical response of individual ciliary beating (i.e., the beating is stalled by the cilium contacting a wall) can solely determine the sliding motion of the ciliate along the wall and result in a wall-preferring behavior. Considering ciliate ethology, this mechanosensing system is likely an advantage in the single cell’s ability to locate nutrition. In other words, ciliates can skillfully use both the sliding motion to feed on a surface and the traveling motion in bulk water to locate new surfaces according to the single “swimming” mission.
  • The neck deformation of Lacrymaria olar depending upon cell states
    Ryuji Yanase, Yukinori Nishigami, Masatoshi Ichikawa, Tohru Yoshihisa, Seiji Sonobe
    Journal of Protistology 51 1 - 6 2018年 [査読有り][通常論文]
  • Hiroaki Ito, Masahiro Makuta, Yukinori Nishigami, Masatoshi Ichikawa
    JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN 86 10 101001  2017年10月 [査読有り][通常論文]
     
    Muscles are the engine of our body, and actomyosin is the engine of a cell. Both muscle and the actomyosin use the same proteins, namely, actin, and myosin, which are the pair of cytoskeleton and motor proteins generating a force to realize deformation. The properties of force generation by actomyosin at a single-molecule level have been studied for many years. Moreover, the active properties of higher-order structures integrated by actomyosin are attracting the attention of researchers. Here, we review the recent progress in the study of reconstituted actomyosin systems in vitro toward real-space models of nonequilibrium systems, collective motion, biological phenomena, and active materials.
  • Dorota Buczek, Malgorzata Wojtkowska, Yutaka Suzuki, Seiji Sonobe, Yukinori Nishigami, Monika Antoniewicz, Hanna Kmita, Wojciech Makalowski
    BMC GENOMICS 17 2016年02月 [査読有り][通常論文]
     
    Background: An ancestral trait of eukaryotic cells is the presence of mitochondria as an essential element for function and survival. Proper functioning of mitochondria depends on the import of nearly all proteins that is performed by complexes located in both mitochondrial membranes. The complexes have been proposed to contain subunits formed by proteins common to all eukaryotes and additional subunits regarded as lineage specific. Since Amoebozoa is poorly sampled for the complexes we investigated the outer membrane complexes, namely TOM, TOB/SAM and ERMES complexes, using available genome and transcriptome sequences, including transcriptomes assembled by us. Results: The results indicate differences in the organization of the Amoebozoa TOM, TOB/SAM and ERMES complexes, with the TOM complex appearing to be the most diverse. This is reflected by differences in the number of involved subunits and in similarities to the cognate proteins of representatives from different supergroups of eukaryotes. Conclusions: The obtained results clearly demonstrate structural variability/diversity of these complexes in the Amoebozoa lineage and the reduction of their complexity as compared with the same complexes of model organisms.
  • Yukinori Nishigami, Hiroaki Ito, Seiji Sonobe, Masatoshi Ichikawa
    SCIENTIFIC REPORTS 6 2016年01月 [査読有り][通常論文]
     
    Active force generation in living organisms, which is mainly involved in actin cytoskeleton and myosin molecular motors, plays a crucial role in various biological processes. Although the contractile properties of actomyosin have been extensively investigated, their dynamic contribution to a deformable membrane remains unclear because of the cellular complexities and the difficulties associated with in vitro reconstitution. Here, by overcoming these experimental difficulties, we demonstrate the dynamic deformation of a reconstituted lipid interface coupled with self-organized structure of contractile actomyosin. Therein, the lipid interface repeatedly oscillates without any remarkable periods. The oscillatory deformation of the interface is caused by the aster-like three-dimensional hierarchical structure of actomyosin inside the droplet, which is revealed that the oscillation occurs stochastically as a Poisson process.
  • ブレブ駆動型アメーバ運動機構
    西上幸範, 伊藤弘明, 市川正敏
    原生動物学雑誌 49 17 - 25 2016年 [査読有り][通常論文]
  • Hiroaki Ito, Yukinori Nishigami, Seiji Sonobe, Masatoshi Ichikawa
    Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics 92 6 2015年12月21日 [査読有り][通常論文]
     
    Actomyosin actively generates contractile forces that provide the plasma membrane with the deformation stresses essential to carry out biological processes. Although the contractile property of purified actomyosin has been extensively studied, to understand the physical contribution of the actomyosin contractile force on a deformable membrane is still a challenging problem and of great interest in the field of biophysics. Here, we reconstitute a model system with a cell-sized deformable interface that exhibits anomalous curvature-dependent wrinkling caused by the actomyosin cortex underneath the spherical closed interface. Through a shape analysis of the wrinkling deformation, we find that the dominant contributor to the wrinkled shape changes from bending elasticity to stretching elasticity of the reconstituted cortex upon increasing the droplet curvature radius of the order of the cell size, i.e., tens of micrometers. The observed curvature dependence is explained by the theoretical description of the cortex elasticity and contractility. Our present results provide a fundamental insight into the deformation of a curved membrane induced by the actomyosin cortex.
  • 試験管内再構築系を用いたブレブ駆動型アメーバ運動機構の研究
    西上幸範, 伊藤弘明, 市川正敏
    植物科学最前線 6 82 - 91 2015年 [査読有り][通常論文]
  • Yukinori Nishigami, Masatoshi Ichikawa, Toshiya Kazama, Ryo Kobayashi, Teruo Shimmen, Kenichi Yoshikawa, Seiji Sonobe
    PLoS ONE 8 8 2013年08月05日 [査読有り][通常論文]
     
    Amoeboid locomotion is one of the typical modes of biological cell migration. Cytoplasmic sol-gel conversion of an actomyosin system is thought to play an important role in locomotion. However, the mechanisms underlying sol-gel conversion, including trigger, signal, and regulating factors, remain unclear. We developed a novel model system in which an actomyosin fraction moves like an amoeba in a cytoplasmic extract. Rheological study of this model system revealed that the actomyosin fraction exhibits shear banding: the sol-gel state of actomyosin can be regulated by shear rate or mechanical force. Furthermore, study of the living cell indicated that the shear-banding property also causes sol-gel conversion with the same order of magnitude as that of shear rate. Our results suggest that the inherent sol-gel transition property plays an essential role in the self-regulation of autonomous translational motion in amoeba. © 2013 Nishigami et al.

受賞

  • 2018年10月 日本原生生物学会 第51回日本原生生物学会大会ベストプレゼンテーション賞
     
    受賞者: 西上 幸範
  • 2014年11月 日本原生生物学会 奨励賞
     
    受賞者: 西上 幸範

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 環境連成力学を基盤とした微生物行動シミュレータの開発
    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)
    研究期間 : 2021年09月 -2026年03月 
    代表者 : 石川 拓司, 上野 裕則, 西上 幸範
  • 再構成アプローチで解明するダイナミンの膜切断機構とその破綻に起因する疾患発症機序
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
    研究期間 : 2019年10月 -2023年03月 
    代表者 : 竹田 哲也, 内橋 貴之, 竹居 孝二, 西上 幸範, 谷 知己
     
    今年度は,Dynamin 2の異常で起こる筋疾患である先天性ミオパチーについて,研究の進展があった.先天性ミオパチーの一つである中心核ミオパチー(Centronuclear Myopathy; CNM)の患者では,骨格筋の興奮収縮連関に必要な細胞膜の陥入構造(T管)の形成異常により,筋収縮が正常に起こらない.先行研究で,Dynamin 2の遺伝子上のSNV(一塩基変異)が,CNM発症に関与することが示されていた.そこで,CNM変異型のDynamin 2の膜リモデリング機能異常について,in vitro再構成系による分子レベルの解析と,筋芽細胞を用いた細胞レベルの解析を行った.その結果,①Dynamin 2は,T管構造の安定化に必要であること,②CNM変異型Dynamin 2は,膜切断に必要なGTPアーゼ活性が恒常的に亢進しており,T管構造の形成異常が起こることを明らかにした(Fujise et al., JBC 2021).さらに,③CNM患者のコホート解析で同定された意義不明SNVから,in vitroおよび細胞レベルの解析法を用いて疾患責任SNVを同定することに成功した(Fujise et al., bioRxiv 2021). 今年度は,新型コロナウィルスの影響もあり,イギリスへの渡航およびチームによるオンサイトミーティングを延期せざるをえなかった.しかし,研究代表者がオーガナイズした第58回日本生物物理学会年会のシンポジウム「膜のリモデリングと組織化の分子基盤」(web開催)に国際共同研究者のMcMahon博士(MRC分子生物学研究所)をゲストスピーカーとして招聘し,最新の知見についての講演をしていただき,その後チームメンバーとのディスカッションを行った.
  • 人工運動細胞を用いたブレブ駆動型アメーバ運動におけるアクチン高次構造の機能解明
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
    研究期間 : 2017年04月 -2020年03月 
    代表者 : 西上 幸範
     
    ブレブ駆動型アメーバ運動は組織中を移動する接着性真核細胞が一般に行う運動様式で、多くの生命現象において重要であることが示されている。生細胞を用いた研究からアクチン高次構造制御タンパク質がこの運動に重要であることが示唆されているが、このアクチン高次構造が細胞を構成するタンパク質や細胞膜などに対し具体的にどのように作用するのかは十分に理解されていない。そこで、本研究ではブレブ駆動型アメーバ運動を試験管内で再構築し、アクチン高次構造を任意に変化させることで、この構造と運動の関係を明らかにするとこを目的とする。 本年度は研究計画に従い前年度に作製、至適化したブレブ駆動型アメーバ運動試験管内再構築系に、数種類のアクチン高次構造を変化させるアクチン結合タンパク質を追加し、それぞれの運動に対する影響を調べた。アクチン結合タンパク質の追加によって、膜形状の非平衡揺らぎ特性や形状発展のモードが大きく影響を受けるということがわかった。また、これらの原因を調べるため、これらアクチン結合タンパク質を加えた際のアクチン溶液の粘弾性特性に関しても調べた。その結果、粘弾性特性が同等であっても膜形状の非平衡揺らぎや形状発展は異なるという状態が存在することを発見した。 本研究によって、アクチン結合タンパク質が膜の形状変化に大きな影響を与え、その際、粘弾性特性以外の要素の重要性が示唆された。次の目標は、その機構の詳細の解明である。そのためには、膜の粘弾性特性などを定量的に測定する必要がある。また、アクチン結合タンパク質の種類によって膜への封入可能な条件が異なるため、それぞれの状態を単純に比較することはできないということも問題点として挙げられる。今後、これらを改善することで本分野の大きな進歩があると期待される。
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 若手研究(A)
    研究期間 : 2014年04月 -2019年03月 
    代表者 : 市川 正敏, 西上 幸範
     
    ソフトマターやバイオマターにおける非平衡な界面が誘起するマクロな運動現象を対象に研究を行い、様々なモデル実験系を創り出すと共に、その駆動メカニズムを明らかにした。特に以下の成果が得られた。光熱変換で誘起したマランゴニ効果で駆動される液滴の直進・回転運動の運動モード分岐。脂質一分子膜でコートした油中水滴の中で駆動するアクトミオシンの自発的構造形成とその構造がもたらす界面の非熱的ゆらぎ。油中水滴界面を座屈変形させるコルテックスの再構成。コヒーレントレゾナンス現象(ノイズとの共鳴)によるリミットサイクル振動の誘起。遊泳単細胞微生物テトラヒメナが壁に集積する現象のメカニズム解明。
  • 新規モデルシステムを用いたアメーバ運動機構の解明
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
    研究期間 : 2010年 -2012年 
    代表者 : 西上 幸範
     
    アメーバ運動の運動機構としては仮足先端部分でのアクチンの重合が重要であると考えられてきたが、近年、ブレブ依存的アメーバ運動と呼ばれるもう一つの機構が多種の細胞で確認されている。しかしながら、その機構に関しては不明な点が多い。その原因としては、ブレブ依存的アメーバ運動は細胞全体が関わる運動であるため、詳細な解析や生化学的研究などが困難であるということが挙げられる。私はこのような問題を解決するために、これまで独自に開発した試験管内再構築系を用いて研究を行ってきた。この系は「細胞抽出液中にアクトミオシン溶液を注入すると、アクトミオシン溶液がアメーバ運動様の動きを示す」という系である。 再構築系と生細胞が行うブレブ依存的アメーバ運動の類似性を示すため、運動中のアクチンを蛍光ファロイジンにより可視化した。その結果、運動を行うアクトミオシン溶液では運動に先立ち、表層部分にアクチンが局在し、さらに仮足様構造の伸長方向ではアクチンの破壊が起こることが確認された。この挙動はこれまで報告されている生細胞のブレブ依存的アメーバ運動におけるアクチンの挙動と等しい。次に、アクトミオシン溶液の収縮過程を詳細に観察し、その過程にMahadevan-Pomeau Model(1999)を適用したところ、収縮過程中にはアクトミオシン溶液の表層部分が収縮し表面力を上昇させていることが示唆された。また、仮足形成過程を観察し、表面収縮力の散逸と流体力学的散逸を考慮することで、仮足形成時における表面力の相対値を見積もった。その結果、アクトミオシン溶液と表面力の関係は正の相関を持つことが分かった。したがってこの系は、仮足様構造を形成する際、界面張力といった力ではなく表層部分の収縮力を用いて新たな仮足形成を行っていることが示唆された。以上の事からこの系がブレブ依存的アメーバ運動とよく似た機構で動いていることが示された。

教育活動情報

主要な担当授業

  • ソフトマター物理学特論
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 修士課程
    開講学部 : 生命科学院
    キーワード : 微分方程式、システム生物学、数理生物学、非線形動力学、酵素反応速度論、生物リズム、リミットサイクル、神経興奮、ホジキン・ハクスレーモデル、計算機シミュレーション、数値計算、オイラー法
  • 生命機能制御科学特論
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 修士課程
    開講学部 : 生命科学院
    キーワード : 微分方程式、システム生物学、数理生物学、非線形動力学、酵素反応速度論、生物リズム、リミットサイクル、神経興奮、ホジキン・ハクスレーモデル、計算機シミュレーション、数値計算、オイラー法
  • 一般教育演習(フレッシュマンセミナー)
    開講年度 : 2021年
    課程区分 : 学士課程
    開講学部 : 全学教育
    キーワード : 日常生活、キッチン、コーヒー、原生生物、色

大学運営

委員歴

  • 2022年04月 - 現在   第五期ナショナルバイオリソースプロジェクト ゾウリムシ   運営委員会委員
  • 2021年10月 - 現在   日本原生生物学会   活性化委員会委員
  • 2021年10月 - 現在   日本原生生物学会   評議委員
  • 2014年11月 - 現在   日本原生生物学会   編集委員
  • 2019年04月 - 2022年03月   第四期ナショナルバイオリソースプロジェクト ゾウリムシ   運営委員会委員
  • 2018年10月 - 2021年09月   日本原生生物学会   評議委員

メディア報道

  • 流れに逆らって泳ぐ微生物
    報道 : 2022年01月16日
    番組・新聞雑誌 : 読売新聞
    くらしサイエンス 新聞・雑誌
  • 下流に流されない微生物たちの、自動的に流れに逆らう仕組みを解明
    報道 : 2021年10月28日
    番組・新聞雑誌 : 大学ジャーナルオンライン
    https://univ-journal.jp/125014/ インターネットメディア
  • 京大など、水生微生物が上流に向かって移動する仕組みを解明
    報道 : 2021年10月21日
    発行元・放送局 : 環境展望台
    番組・新聞雑誌 : 国内ニュース
    https://tenbou.nies.go.jp/news/jnews/detail.php?i=32647 インターネットメディア


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