3次元構造を持った表皮における形態形成の数理的研究

• Project/Area Number: 14780559
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Developmental biology
• Research Institution: National Institute for Basic Biology (2004); Okazaki National Research Institutes (2002-2003)
• Principal Investigator: 望月 敦史 基礎生物学研究所, 理論生物学研究部門, 助教授 (10304726)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2004: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000); Fiscal Year 2003: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2002: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 発生生物学 / 形態形成 / 数理モデル / シミュレーション / 魚類体表パターン / 葉脈形成

Research Abstract

発生過程においては、組織のもつ3次元的構造が形態形成に影響を与えると予想される。本申請では表皮や上皮の持つ構造が形態形成に与える効果を、数理モデルを用いて研究した。また遺伝子ネットワークモデルに基づき、細胞状態の多様性を数理的に研究した。これにより、形態形成を遺伝子レベルから理解するための基礎を確立した。
魚類の表皮の縞模様について実際の魚の表皮構造に基づき、体表の前後と背腹で物質の拡散速度が異なるとした拡張チューリングモデルを考え解析した。これにより魚の表皮の縞模様が種によって決まった方向にそろう理由の説明に成功した。解析の結果、activatorとinhibitorの拡散異方性の差にのみに依存して縞の方向が決まるということがわかった。このことから、拡散に影響を与えうる異方性のある構造、例えば鱗の形態や透過性のわずかな違いが、劇的な縞の方向の違いを生んでいると考えられる。
この成果に加えて葉脈形成について新しい有力なメカニズムを提唱した。実験的な知見によると、植物ホルモンの一つであるオーキシンの重要な働きが示唆されている。またオーキシン輸送蛋白質(PIN)はオーキシンのフラックスに反応して、その細胞膜上の局在を変化させると考えられている。このようにオーキシンとPINの局在はポジティブフィードバックを形成しており、その結果植物の極性やパターン形成に影響を与えていると考えられている。この仮説に基づき、オーキシンとPIN局在とのポジティブフィードバックによる葉脈パターン形成のモデルを考え、cell-baseシミュレーションによって解析を行った。計算機シミュレーションを行うと、伸長と分岐の繰り返しにより葉脈が作られる一方で、全体として等間隔のネットワークが形成された。

Research Products

• [Journal Article] Random cell sorting can form cone mosaic patterns in fish retina and explain the difference between zebrafish and medaka. (2003)
  • Author(s): Tohya, S., Mochizuki, A., Iwasa, Y.
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology 221 Pages: 289-300
• [Journal Article] Origine of directionality in the fish stripe pattern. (2003)
  • Author(s): Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Hirata, M., Watanabe, T., Hioki, S., Kondo, S.
  • Journal Title: Developmental Dynamics 226 Pages: 627-633
• [Journal Article] Possibility of Tissue Separation Caused by Cell Adhesion. (2003)
  • Author(s): Ryohji, T., Mochizuki, A., Iwasa.Y.
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology 221 Pages: 459-474
• [Journal Article] Directionality of Stripes Formed by Anisotropic Reaction-Diffusion Models. (2002)
  • Author(s): Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Kondo.S.
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology 214 Pages: 549-561
• [Journal Article] Pattern formation of cone mosaic in zebrafish retina : A Cell rearrangement model. (2002)
  • Author(s): Mochizuki, A.
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology 215 Pages: 345-361
• [Journal Article] An Analytical Study of The Number of Steady States in Gene Regulatory Networks.
  • Author(s): Mochizuki, A.
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology (印刷中)
• [Publications] Tohya, S., Mochizuki, A., Iwasa, Y.: "Random cell sorting can form cone mosaic patterns in fish retina and explain the difference between zebrafish and medaka."Journal of Theoretical Biology. 221. 289-300 (2003)
• [Publications] Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Hirata, M., Watanabe, T., Hioki, S., Kondo, S.: "Origine of directionality in the fish stripe pattern."Developmental Dynamics. 226. 627-633 (2003)
• [Publications] Ryohji, T., Mochizuki, A., Iwasa, Y.: "Possibility of Tissue Separation Caused by Cell Adhesion."Journal of Theoretical Biology. 221. 459-474 (2003)
• [Publications] Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Kondo, S.: "Directionality of Stripes Formed by Anisotropic Reaction-Diffusion Models"Journal of Theoretical Biology. 214. 549-561 (2002)
• [Publications] Honda, H., Mochizuki, A.: "Formation and maintenance of distinctive cell patterns by co-expression of membrane-bound ligands and their receptors"Developmental Dynamics. 223. 180-192 (2002)
• [Publications] Mochizuki, A.: "Pattern formation of cone mosaic in zebrafish retina : A Cell rearrangement model"Journal of Theoretical Biology. 215. 345-361 (2002)
• [Publications] Kurosawa, G., Mochizuki, A., Iwasa, Y.: "Processes promoting oscillations --comparative study of circadian clock models"Journal of Theoretical Biology. 216. 193-208 (2002)
• [Publications] Tohya, S., Mochizuki, A., Iwasa, Y.: "Random cell sorting can form cone mosaic patterns in fish retina and explain the difference between zebrafish and medaka"Journal of Theoretical Biology. (印刷中).
• [Publications] Shoji, H., Mochizuki.A., Iwasa, Y., Hirata, M., Watanabe, T., Hioki, S., Kondo, S.: "Origine of directionality in the fish stripe pattern"Journal of Theoretical Biology. (印刷中).