研究概要

柴田はこれまで細胞生物学や発生生物学の問題に対して、物理学や応用数学などの数理科学の方法論を用いて研究を行ってきた。いち早くシグナルのゆらぎの重要性に着目した研究を行い、特に、シグナル反応によるゆらぎは、反応自身がつくり出す内因性ノイズと、シグナル伝達経路を伝播する外因性ノイズを足し合わせたものであること、さらに、シグナル増幅率ゲインとノイズの大きさに定量的な関係性のあることを理論的に明らかにした(Shibata and Fujimoto, PNAS 2005)。この結果を遊走細胞の走化性に応用し、走化性の情報処理効率がシグナル・ノイズ比で与えられるとすると、走化性運動の効率の結果をよく説明できることを見いだした（Ueda and Shibata, Biophys J, 2007）。このことは、シグナルのゆらぎが確かに細胞の機能に影響を与えていることの証拠と言える。
このようなシグナル伝達系のゆらぎにもかかわらず、どのようにして確実な情報処理が行えるのか。走化性運動のモデル細胞である細胞性粘菌を用いた研究で、走化性シグナル伝達系は、細胞自律的な極性形成のメカニズムを持つことを明らかにした(Arai, Shibata et al. PNAS 2010, Shibata et al J. Cell Sci. 2012)。そして、外部の方向性シグナルは、自律的に形成された極性の方向をバイアスすることで、確実な方向検出の情報処理が行えるというモデルを、実験と理論の両面から提示した(Nishikawa et al. Biophys J. 2014; Shibata et al Biophys J, 2013)。
このような自律的な極性形成は線虫受精卵や上皮細胞においても現れ(Lee & Shibata, J. Theor. Biol. 2015, Lim et al., Cell Rep. 2021)、また、このような自律的パターン形成が細胞集団スケールで調和されることで、組織の秩序が現れる。遊走する細胞が組織化されると、細胞の疎密波が生まれることを明らかにした(Hayakawa et al. eLife 2020)。
上皮シートの３次元的変形が、どのような細胞の力学過程によって誘導されるのかを明らかにするために、力学モデルを構築し、網羅的に調べた結果、深い折れ畳み構造を作るためにはバソラテラル膜の変形が重要であることを示した (Wen et al. Biophys. J 2017)。さらに、上皮極性が細胞力学とフィードバックを形成することで、自律的な上皮折れ畳みが導かれることを明らかにした(Wen et al. PLoS Comp Biol 2021)。
細胞極性の一種である細胞カイラリティが組織化されると、細胞集団は集団回転や一方向性の集団運動を引き起こすことを明らかにした(Sato et al. Nat Comm. 2015, Sato et al. Phys Rev Lett. 2015, Yamamoto et al. Phys Rev Res. 2020)。現在、細胞や細胞集団のカイラリティが現れる仕組みを、実験と理論の両面から明らかにする研究を進めている。

経歴

高次元カオスの理論的研究により、東京大学より博士（学術）を取得。その後、京都大学数理解析研究所、ドイツ、フリッツハーバー研究所にて博士研究員。2002年より、広島大学大学院理学研究科において講師、助教授、准教授。2010年より理化学研究所・発生再生科学総合研究センターにてユニットリーダー。2015年より理化学研究所・生命システム研究センター、2018年より理化学研究所・生命機能科学研究センターにてチームリーダー。2011年より大阪大学大学院生命機能研究科招へい教授、広島大学大学院統合生命科学研究科客員教授。

関連業績

• Autonomous epithelial folding induced by an intracellular mechano–polarity feedback loop.
  Wen, F.-L., Kwan, C. W., Wang, Y.-C. & Shibata, T.
  PLoS Comput Biol 17, e1009614 (2021).
  DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009614
• Polar pattern formation induced by contact following locomotion in a multicellular system.
  Hayakawa, M., Hiraiwa, T., Wada, Y., Kuwayama, H. & Shibata, T.
  Elife 9, e53609 (2020).
  DOI: https://doi.org/10.7554/elife.53609
• Collective cell migration of epithelial cells driven by chiral torque generation.
  Yamamoto, T., Hiraiwa, T. & Shibata, T.
  Phys Rev Res 2, 043326 (2020).
  DOI: https://doi.org/10.1103/physrevresearch.2.043326
• Epithelial Folding Driven by Apical or Basal-Lateral Modulation: Geometric Features, Mechanical Inference, and Boundary Effects.
  Wen, F.-L., Wang, Y.-C. & Shibata, T.
  Biophysical Journal 112, 2683–2695 (2017).
  DOI: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.05.012
• Cell Chirality Induces Collective Cell Migration in Epithelial Sheets.
  Sato, K., Hiraiwa, T. & Shibata, T.
  Phys Rev Lett 115, 188102 (2015).
  DOI: https://doi.org/10.1103/physrevlett.115.188102
• Excitable Signal Transduction Induces Both Spontaneous and Directional Cell Asymmetries in the Phosphatidylinositol Lipid Signaling System for Eukaryotic Chemotaxis.
  Nishikawa, M., Hörning, M., Ueda, M. & Shibata, T.
  Biophys J 106, 723–734 (2014).
  DOI: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2013.12.023
• Scaling of Dorsal-Ventral Patterning by Embryo Size-Dependent Degradation of Spemann’s Organizer Signals.
  Inomata, H., Shibata, T., Haraguchi, T. & Sasai, Y.
  Cell 153, 1296–1311 (2013).
  DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.004
• Modeling the self-organized phosphatidylinositol lipid signaling system in chemotactic cells using quantitative image analysis.
  Shibata, T., Nishikawa, M., Matsuoka, S. & Ueda, M.
  J Cell Sci 125, 5138–5150 (2012).
  DOI: https://doi.org/10.1242/jcs.108373
• Self-organization of the phosphatidylinositol lipids signaling system for random cell migration.
  Arai, Y., Shibata, T., Matsuoka, S., Sato, M. J., Yanagida, T. & Ueda, M.
  Proc National Acad Sci 107, 12399–12404 (2010).
  DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0908278107
• Noisy signal amplification in ultrasensitive signal transduction.
  Shibata, T. & Fujimoto, K.
  Proc National Acad Sci 102, 331–336 (2005).
  DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0403350102