大規模遺伝子発現データに基づく四肢再生過程の数理モデル構築

• Project Area: Molecular mechanisms underlying reconstruction of 3D structers during regeneration
• Project/Area Number: 23124510
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 森下 喜弘 独立行政法人理化学研究所, 発生幾何研究ユニット, 研究ユニットリーダー (00404062)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2012: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2011: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 組織変形ダイナミクス / 空間情報コーディング / 数理モデル / 最適デザイン / 位置情報 / 情報コーディング / 幾何学解析 / 定量生物学

Outline of Annual Research Achievements

イモリやアフリカツメガエル等で観察される四肢再生現象を理解するための比較対象として、ニワトリ四肢の正常発生現象において、組織変形と細胞の空間認識メカニズムの定量解析を行った。四肢の形態形成過程で問題となるのは主に２点あり、(i)なぜ組織が方向性を持って伸長するのか、(ii)四肢に特徴的な形状はどう決まるのか、である。この問題を解決するために、組織変形の幾何学的解析と形態形成過程のシミュレーションを組み合わせることで、(i)と(ii)ともに組織の局所的な変形異方性の空間制御が重要であることがわかった。他方で、発生ステージごとに体積増加率の特徴的な空間パタンが見られたが、これらは組織のサイズを規定するには重要であるが、形態特徴量への反映は小さいことがわかった（結果は論文にまとめ、現時点では投稿中である）。組織変形写像が得られたので、異なる骨形成領域の系譜追跡が可能となり、各系譜ごとにマイクロアレイを用いた大規模遺伝子発現解析を行った。領域ごとに異なる遺伝子群が異なるタイミングで変動してくる傾向はつかめたが、より詳細な個々の遺伝子に関する解析は今後の課題として残った。
他方で、発生組織内における細胞の空間認識メカニズムに関して、モルフォゲンの濃度勾配による位置情報コーディング過程を数学的に定式化し、理論上最適なコーディングを導出し、論文として報告した。理論上最適なコーディング方法は、実際の現象を解析する際に、生物が進化の過程でどういう意味でどの程度最適性を実現しているかを解明する上で重要な基準を与えるため、空間認識問題を考える上で非常に重要な役割を果たすと考える。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A systems approach to developmental biology - Designs for robust patterning - (2013)
  • Author(s): Yoshihiro Morishita, Ken-ichi Hironaka
  • Journal Title: IET Systems Biology Volume: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Encoding and decoding of positional information in morphogen-dependent patterning (2012)
  • Author(s): Ken-ichi Hironaka, Yoshihiro Morishita
  • Journal Title: Current Opinion in Genetics Development Volume: 22 Issue: 6 Pages: 547-552
  • DOI: 10.1016/j.gde.2012.09.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiple feedback loops achieve robust localization of wingless expression in Drosophila notum development (2012)
  • Author(s): Ken-ichi Hironaka, Yoh Iwasa, Yoshihiro Morishita
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology Volume: 292 Pages: 18-29
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2011.09.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coding Design of Positional Information for Robust Morphogenesis (2011)
  • Author(s): Yoshihiro Morishita, Yoh Iwasa
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 101 Issue: 10 Pages: 2324-2335
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2011.09.048
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 脊椎動物四肢発生における組織変形ダイナミクスと成長場における空間パターニング (2012)
  • Author(s): 森下喜弘
  • Organizer: 日本数理生物学会
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2012-09-10
• [Presentation] Quantitative geometrical analysis of tissue deformation during vertebrate limb development (2012)
  • Author(s): Yoshihiro Morishita
  • Organizer: 発生生物学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場
  • Year and Date: 2012-05-28
• [Presentation] 脊椎動物四肢発生過程における組織成長の定量解析 (2012)
  • Author(s): 森下喜弘
  • Organizer: 第24回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-08
• [Presentation] A mathematical approach to organ morphogenesis (2011)
  • Author(s): 森下喜弘
  • Organizer: 日本動物学会第82回旭川大会
  • Place of Presentation: 旭川(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-21