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

• 研究課題/領域番号: 14780559
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 発生生物学
• 研究機関: 基礎生物学研究所 (2004); 岡崎国立共同研究機構 (2002-2003)
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 3,300千円 (直接経費: 3,300千円); 2004年度: 500千円 (直接経費: 500千円); 2003年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2002年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
• キーワード: 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

研究概要

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。

研究成果

• [雑誌論文] Random cell sorting can form cone mosaic patterns in fish retina and explain the difference between zebrafish and medaka. (2003)
  • 著者名/発表者名: Tohya, S., Mochizuki, A., Iwasa, Y.
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 221 ページ: 289-300
• [雑誌論文] Origine of directionality in the fish stripe pattern. (2003)
  • 著者名/発表者名: Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Hirata, M., Watanabe, T., Hioki, S., Kondo, S.
  • 雑誌名: Developmental Dynamics 226 ページ: 627-633
• [雑誌論文] Possibility of Tissue Separation Caused by Cell Adhesion. (2003)
  • 著者名/発表者名: Ryohji, T., Mochizuki, A., Iwasa.Y.
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 221 ページ: 459-474
• [雑誌論文] Directionality of Stripes Formed by Anisotropic Reaction-Diffusion Models. (2002)
  • 著者名/発表者名: Shoji, H., Mochizuki, A., Iwasa, Y., Kondo.S.
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 214 ページ: 549-561
• [雑誌論文] Pattern formation of cone mosaic in zebrafish retina : A Cell rearrangement model. (2002)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki, A.
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology 215 ページ: 345-361
• [雑誌論文] An Analytical Study of The Number of Steady States in Gene Regulatory Networks.
  • 著者名/発表者名: Mochizuki, A.
  • 雑誌名: Journal of Theoretical Biology (印刷中)
• [文献書誌] 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)
• [文献書誌] 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)
• [文献書誌] Ryohji, T., Mochizuki, A., Iwasa, Y.: "Possibility of Tissue Separation Caused by Cell Adhesion."Journal of Theoretical Biology. 221. 459-474 (2003)
• [文献書誌] 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)
• [文献書誌] 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)
• [文献書誌] Mochizuki, A.: "Pattern formation of cone mosaic in zebrafish retina : A Cell rearrangement model"Journal of Theoretical Biology. 215. 345-361 (2002)
• [文献書誌] Kurosawa, G., Mochizuki, A., Iwasa, Y.: "Processes promoting oscillations --comparative study of circadian clock models"Journal of Theoretical Biology. 216. 193-208 (2002)
• [文献書誌] 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).
• [文献書誌] 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).