2019 Fiscal Year Annual Research Report
進化のゆらぎ応答理論の確立と多階層・発生過程への展開
| Project Area | Evolutionary theory for constrained and directional diversities |
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| Project/Area Number |
17H06386
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
金子 邦彦 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (30177513)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤本 仰一 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (60334306)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 表現型進化 / ゆらぎ / 安定性 / 可塑性 / 発生進化対応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(i)表現型進化の方向性と拘束の理論：触媒反応ネットワークモデルを用いて、大自由度の表現型が進化により低次元に拘束されることを固有値スペクトル解析で明らかにした。さらにそれにより進化の方向が拘束されるがその一方で新たな環境への進化が加速されることを示した。また遺伝子制御ネットワークそして統計力学のスピングラスモデル、またタンパクのデータを用いて、この進化的次元縮減が普遍的であることを示した。
(ii)階層進化理論：原始細胞においてその分子数がある程度以上になると遺伝と機能を担う分子の役割が対称性の破れで生じる、つまり分子生物学のセントラルドグマが出現することを発表した。次に細胞と細胞集団の階層では細胞が有用成分をもらすことで多種共生が生じること、最後に個体ー社会の階層に対してはゲーム理論による搾取構造の形成を示し、さらに未開人類社会での婚姻構造の形成を明らかにした。
(iii)進化発生対応の理論：発生過程と進化過程の対応関係において、遅く変化する遺伝子発現の意義を調べた。特にエピジェネティック過程を考慮して、発生過程の安定性（homeorhesis）の現れる仕組みを明らかにした。また倉谷班との共同で発生砂時計仮設をサポートするシミュレーション結果を得た。
[藤本G]完全変態昆虫のサイズ進化の法則(各種の最終体重は臨界体重に比例)を発見した。ボディプラン(器官の数と空間配置)の進化発生対応では、被子植物の左右対称な花の多様性を包括する発生特性を数理モデルから予測した。加えて、動植物のボディプランに揺らぎを見出した。基部双子葉植物の花器官配置では、らせん状と同心円状の２型のみが同種内で共存し、この拘束された種内多型は発生過程に起因することをモデルから示した。刺胞動物のイソギンチャクでは、器官配置の左右対称性と放射対称性の種内多型を、配置過程の計測を通じて見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(i)表現型進化の方向性と拘束の理論：触媒反応ネットワークモデルによる進化次元縮減を求めた結果をPhysRevResearch 誌に公表でき、今後の方向の基盤をつくることができた。さらに坂田と行ったスピングラス進化モデルでは、こうした次元縮減と進化の拘束を統計力学で表現することができ、この現象の普遍性を理解する大きな一歩を踏み出すことができた。これらは古澤班の実験の理解のためにも重要な進展である。
(ii)階層進化理論：対称性の自発的破れにより、分子生物学のセントラルドグマが出現することを竹内とともに発表したことは階層進化理論の重要な到達点であり、プレスリリースは大きな反響を呼んでいる。さらにこの考え方を共生系、多細胞システムや生態系、社会システムへと拡張することも進行中でこれは多くの班の実験研究にも貢献する。さらに未開人類社会での婚姻構造の形成は文化人類学の構造主義に対して、その構造が進化的に形成されることを示した初めての数理的研究であり、予期以上の成果となった。
(iii)進化発生対応の理論：エピジェネティック過程を考慮して、最終状態のみならず発生パス自体が安定して進むことを理論的に示した（論文は受理されまもなく出版）のは新しい成果である。
[藤本G] 昆虫のサイズ進化、花器官配置の対称性、および、種内多型は、発生過程の揺らぎや動態と種の多様性を定量的に対応づけることに成功した。それぞれの成果を出版し、雑誌の当該号でハイライトされるなど高い評価を得ている。この器官配置の数理モデルは一般性が高いために動物へ応用可能であり、イソギンチャクで我々が発見した対称性の種内多型の仕組みを探るための基盤となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
（i）表現型進化の方向性と拘束の理論：大自由度の表現型空間からいかに自由度縮減が生じるかを 遺伝子制御ネットワークの進化シミュレーションにより調べ、次元縮減がどこまでモデルによらずに成立するかを明らかにする。またスピン系の統計力学進化モデルを用いた統計力学理論、それをもとにしたマクロなポテンシャル地形理論を構築する。この結果をもとに古澤班の大腸菌進化実験でのトレードオフや市橋研のRNA進化など各班の実験への指針を与える。
(ii) 階層進化理論：階層性進化による情報―機能分化の対称性破れ理論を細胞、多細胞生物、細胞集団、個体集団（社会）へと拡張する。特にサイズが臨界値を超えると分化が生じることに着目しつつ、その条件がサイズと変異率にどのようにスケーリングされるかの理論を完成させる。このスケーリング理論を共生出現条件の定式化に拡張する。この条件の、各班での実験検証を図る。また、個体間相互作用によって可塑性、進化可能性がいかに維持されるかを明らかにし、表現型揺らぎの意義を求める。これに加えて、昨年度示した、必須成分の漏出がその個体に有用になることを踏まえて化学成分のやりとりによって、（微生物）生態系の多様性がいかに進化するかを明らかにする。人間社会での階層性進化については、昨年度の親族構造の相図の導出に加え、Toddが示した家族構造の四類型が階層性進化の帰結として生じることをシミュレーションにより示す。
(iii)進化発生対応の理論：発生の砂時計仮説とロバストネス進化と遅い過程による制御過程の意義を明らかにする。ボディプランの揺らぎと進化の方向性の対応を解析するとともに、揺らぎの制御を通じて特定の対称性を選択的に創出する実験系の構築を試みる。加えて、細胞の形態揺らぎと進化の対応関係を解析する。
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[Book] 普遍生物学2019
Author(s)
金子 邦彦
Total Pages
322
Publisher
東京大学出版会
ISBN
978-4130626200
