分節パターンを決定する反応拡散波-数理モデルを用いたアプローチ-

• Project/Area Number: 12145202
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nagoya University (2004); The Institute of Physical and Chemical Research (2002-2003); The University of Tokushima (2000-2001)
• Principal Investigator: 近藤 滋 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (10252503)
• Project Period (FY): 2000 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥34,900,000 (Direct Cost: ¥34,900,000); Fiscal Year 2004: ¥8,300,000 (Direct Cost: ¥8,300,000); Fiscal Year 2003: ¥8,200,000 (Direct Cost: ¥8,200,000); Fiscal Year 2002: ¥7,500,000 (Direct Cost: ¥7,500,000); Fiscal Year 2001: ¥10,900,000 (Direct Cost: ¥10,900,000)
• Keywords: パターン形成 / 反応拡散 / 体節 / ゼブラフィッシュ / コンピュータシミュレーション / 自己組織化 / 生物物理 / モデル化 / 再生医学 / 発生・分化 / 縞模様 / 反応拡散系 / チューリング / 周期構造

Research Abstract

分節パターンを決定するメカニズムを解明する目的で、以下の2つの研究を行った
1)ニワトリ胚の分節現象が反応拡散波の性質を有することを示す実験
反応拡散系の特徴として、外科的なかく乱に対して修正作用を持つことがあげられる。体節形成に反応拡散の原理が働いているのであれば、胚を変形させても同じ大きさの体節を作れるはずであり、そのような現象が起きれば、他のモデル(clock and wavefront model)と区別をつけることができる。体節形成期のニワトリ胚をピンセットで物理的に伸張させ、細長い中はいようにしたところ、伸張度合いにかかわらず同じ大きさの体節ができることを確認した。これは、体節形成に反応拡散の原理が働いていることの傍証である。
2)ゼブラフィッシュの模様形成遺伝子の探索
ゼブラフィッシュの皮膚模様も自発的に成立する等間隔パターンである。同じ分子メカニズムが働いている可能性があると考え、模様形成遺伝子のクローニングを行った。これまでに、模様形成に関係する2つの遺伝子のポジショナルクローニングに成功している。
Obelix変異は、縞の幅が広くなる変異を示す。原因遺伝子はKir7.1というKチャンネル分子であった。この遺伝子は色素細胞でのみ発現しており、また、変異体の遺伝子はKの透過性を失っていることがわかった。縞が斑点に変わる変異遺伝子レオパードのクローニングも行ったが、これはGAP JUNCTION関連の遺伝子をコードしていた。現在これら2つの遺伝子の変異がどのような機構で模様を替えているのか計算機によるモデル化を行っている。

Research Products

• [Journal Article] Origin of directionality in the fish stripe pattern (2003)
  • Author(s): Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Hioki, K., Kondo, S.
  • Journal Title: DEVELOPMENTAL DYNAMICS 226 Pages: 627-633
• [Journal Article] Pigment cell organization in the hypodermis of zebrafish (2003)
  • Author(s): Hirata, M., Nakamura, K., Kanemura, T., Shibata, Y., Kondo, S.
  • Journal Title: DEVELOPMENTAL DYNAMICS 227 Pages: 497-503
• [Journal Article] Traveling stripes on the skin of a mutant mouse (2003)
  • Author(s): Suzuki, N., Hirata, M., Kondo, S
  • Journal Title: PNAS 100 Pages: 9680-9685
• [Journal Article] Directionality of Stripes Formed by Anisotropic Reaction- Diffusion Models (2002)
  • Author(s): Shoji, S., Iwasa, Y., Mochizuki, A., Kondo, S.
  • Journal Title: Journal Theoretical Biology 214 Pages: 549-561
• [Journal Article] The reaction-diffusion system : a mechanism for autonomous pattern formation in the animal skin (2002)
  • Author(s): Kondo, S.
  • Journal Title: Genes to cells 7 Pages: 535-542
• [Publications] Suzuki, N., Hirata, M., Kondo, S: "Traveling stripes on the skin of a mutant mouse."PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America). Vol.100, no.17. 9680-9685 (2003)
• [Publications] Hirata, M., Nakamura, K., Kanemura, T., Shibata, Y., Kondo, S: "Pigment cell organization in the hypodermis of Zebrafish."DEVELOPMENTAL DYNAMICS. 227. 497-503 (2003)
• [Publications] Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Hioki, K., Kondo, S: "Origin of the directionality in the fish stripe pattern."DEVELOPMENTAL DYNAMICS. 226. 627-633 (2003)
• [Publications] 近藤 滋: "動物の皮膚模様を作る化学反応の波"日本皮膚科学会雑誌. 112巻13号. 1748-1749 (2002)
• [Publications] Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Hioki, K., Kondo, S.: "Origin of the directionality in the fish stripe pattern"Developmental Dynamics. (In press).
• [Publications] Shigeru, Kondo: "The reaction-diffusion system : a mechanism for autonomous pattern formation in the animal skin"Genes to Cells. 7. 535-541 (2002)
• [Publications] Hiroto Shoji, You Iwasa, Atushi Mochizuki, Shigeru Kondo: "Directionality of stripes formed by anisotropic reaction-diffusion model"Journal of theoretical biology. 214. 549-561 (2002)
• [Publications] 近藤 滋: "複雑な生命現象理解のためのシミュレーション利用"蛋白質核酸酵素. 46. 2461-2467 (2001)
• [Publications] 近藤 滋: "遺伝子制御と形態形成"数理科学. 39. 44-47 (2001)