• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2018 年度 実績報告書

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

計画研究

研究領域進化の制約と方向性 ~微生物から多細胞生物までを貫く表現型進化原理の解明~
研究課題/領域番号 17H06386
研究機関東京大学

研究代表者

金子 邦彦  東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (30177513)

研究分担者 藤本 仰一  大阪大学, 理学研究科, 准教授 (60334306)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード表現型進化 / ゆらぎ / 安定性 / 可塑性 / 発生進化対応
研究実績の概要

(1)表現型進化の方向性と拘束のシミュレーションとポテンシャル理論:表現型が低次元に拘束されるシミュレーションおよび理論の普遍性を求めた。まず、触媒反応系と遺伝子制御ネットワークの進化シミュレーションで遅いモードが分離してくることを確認し、その理論を考察した。さらに統計力学のスピングラスモデルを用いてターゲット配置を持つように進化させると、外場および相互作用行列への変異に対して相関したスピン応答が生じる、つまり低次元拘束が生じることを確認し、これを統計力学の相転移として理解した。ついでタンパクのダイナミクスのモデルを用い可塑性と変異に対する頑健性の両立からダイナミクス(ヤコビ行列)の固有値分布を求め実験データと対応することを確認した。
(2)階層性進化:分子と細胞の間の階層については両者の複製の整合性から分子が遺伝情報を担う側と触媒機能を担う側へ役割分化することを対称性の自発的破れとして示した。これを統計力学と階層的Price方程式に基づいて説明し、分化のための変異率と分子数の条件を求めた。ついで細胞とその集団の階層に関しては、ホストとパラサイトと間の相互作用により揺らぎを増加させる進化が生じ、それが可塑性をうむことを示した。また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を示した。
(3)進化発生対応の理論:細胞から多細胞組織さらには器官にいたる階層の形態や配置に注目し、幾何学的な性質の揺らぎと拘束を調べた。植物幹細胞の分裂面においては、3次元形状の揺らぎを制御する幾何学的仕組みを見いだしつつある。動物上皮組織においては、細胞の幾何形状の揺らぎが変異細胞と正常細胞の競合に寄与することを解明した。また、ミズクラゲのポリプ期においては、器官配置過程をライブ観察する系を構築し、器官配置順序に個体差を見出しつつある。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

(1)表現型進化の方向性と拘束のシミュレーションとポテンシャル理論:昨年度に進めた、表現型の環境や進化による変化が低次元の状態空間に拘束されるという結果をまとめて出版した。またこれらをまとめた総説をAnnualReview of Biophys.および物理学会誌に発表した。これらの結果として、各形質のノイズによる揺らぎと遺伝子変異による揺らぎが相関していることが導かれたのは進化の方向性と拘束を定量的に表現する結果として本新学術の基本となる結果である。また触媒反応ネットワークモデルに加えて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で低次元拘束の普遍性が見出されつつあるのは今後の基盤となる重要な一歩である。さらに2倍体有性生殖の場合で表現型の安定性とメンデル遺伝の関係が見出されつつあるのは新しい方向の成果である。
(2)階層性進化:細胞内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、その条件を突然変異率と細胞内の分子数との関係で表せたのは、実験的検証に耐える成果であり、今後、その検討を始める。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が見出されており、これは共生が広く生じることの理解につながる。また種間相互作用を含むモデルで揺らぎの増加により可塑性がますことが見出されたのは、揺らぎー可塑性―多様化を結びつけるための一歩として意義がある。
(3)進化発生対応の理論:細胞形状の揺らぎを制御する幾何学的仕組みの解析が植物幹細胞と動物上皮細胞で着実に進んだ。また、クラゲ器官の配置過程の解析系構築が予想以上に進んだ。これにより、形態の揺らぎの制約を、動植物双方において、細胞レベルと器官配置レベルで解析できるようになった。

今後の研究の推進方策

(1)表現型進化の方向性と拘束のシミュレーションとポテンシャル理論:表現型進化の方向性と拘束の理論:タンパクのデータとの対応、またこのような低次元構造の形成の理論を進め進化の方向性を理論的に表現し、これらを表現型のロバストネスと可塑性と結びつける。さらに公募班の実験との比較も進める。大自由度の表現型空間からいかに自由度の削減が生じた時にこれをマクロなポテンシャル地形であらわす理論を定式化する。さらには単なる突然変異だけでなく水平的遺伝子伝播や有性生殖に対して理論を拡張する。
(2)階層進化理論:分子―細胞―細胞集団の階層をまたがる進化の理論を展開する。細胞と細胞集団の階層では有用成分をもらすことで生じる多種共生をまとめて出版する。さらに多様化と可塑性の関係を明らかにする。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、さらには階層的進化による婚姻構造の形成のシミュレーションを進める。
(3)進化発生対応の理論: 発生過程を模した力学系モデルにより発生過程と進化過程の対応関係の研究を続け、入江班が見出している、発生砂時計仮説の生じる条件を求め、遅く変化する遺伝子発現の意義を求める。またエピジェネティック過程を考慮した発生、進化モデルの研究を推進する。藤本グループでは、器官数と配置の対称性に関する進化発生対応の研究を進める。植物では花器官の数と左右対称な配置について、各系統の多様性を生み出す発生の特性を明らかにする。動物では、ライブ観察系を用い、クラゲの器官配置に現れる揺らぎを定量的に解析し、制約の有無を明らかにし、一方で左右対称な器官配置を示すイソギンチャクの計測系を立ち上げる。同時に、花器官配置の数理モデルを改良し、動物の器官配置モデルの構築も始める。さらに、各グループとの共同研究を継続し、進化発生対応の研究を細胞から器官配置に至る様々なレベルで進める。

  • 研究成果

    (59件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (47件) (うち国際学会 19件、 招待講演 11件) 備考 (1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [雑誌論文] Lateral inhibition by a peptide hormone-receptor cascade during Arabidopsis lateral root founder cell formation.2019

    • 著者名/発表者名
      Toyokura K, Goh T, Shinohara H, Shinoda A, Kondo Y, Okamoto Y, Uehara T, Fujimoto K, Okushima Y, Ikeyama Y, Nakajima K, Mimura T, Tasaka M, Matsubayashi Y and Fukaki H.
    • 雑誌名

      Developmental Cell

      巻: 48 ページ: 64-75.e5

    • DOI

      10.1016/j.devcel.2018.11.031

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 適応と進化におけるマクロ現象論――表現型変化の低次元拘束と揺らぎー応答関係2019

    • 著者名/発表者名
      金子邦彦,古澤力
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 74(3) ページ: 137

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Competition for space is controlled by apoptosis-induced change of local epithelial topology.2018

    • 著者名/発表者名
      Tsuboi A, Ohsawa S, Umetsu D, Sando Y, Kuranaga E, Igaki T and Fujimoto K.
    • 雑誌名

      Current Biology

      巻: 28(13) ページ: 2115

    • DOI

      10.1016/j.cub.2018.05.029.

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 前がん細胞が正常細胞の領地へ拡大して占拠するしくみ - 予測と検証.2018

    • 著者名/発表者名
      坪井有寿, 藤本仰一
    • 雑誌名

      実験医学

      巻: 36(19) ページ: 3282-3285

  • [雑誌論文] Plant-inspired pipettes2018

    • 著者名/発表者名
      Nakamura K, Hisanaga T, Fujimoto K, Nakajima K and Wada H.
    • 雑誌名

      J. Royal Society Interface

      巻: 15 ページ: 20170868

    • DOI

      10.1098/rsif.2017.0868

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A quantitative study of the diversity of stripe-forming processes in an arthropod cell-based field undergoing axis formation and growth.2018

    • 著者名/発表者名
      Hemmi N, Akiyama-Oda Y, Fujimoto K and Oda H.
    • 雑誌名

      Developmental Biology

      巻: 437(2) ページ: 84-104

    • DOI

      10.1016/j.ydbio.2018.03.001

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Formation of Dominant Mode by Evolution in Biological Systems2018

    • 著者名/発表者名
      C. Furusawa and K. Kaneko
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 97 ページ: 042410

    • DOI

      10.1101/125278

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Macroscopic Theory for Evolving Biological Systems Akin to Thermodynamics2018

    • 著者名/発表者名
      K. Kaneko and C. Furusawa
    • 雑誌名

      Ann. Rev. Biophys

      巻: 47 ページ: 273-290

    • DOI

      10.1146/annurev-biophys-070317-033155

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Boundary-Induced Pattern Formation from Uniform Temporal Oscillation2018

    • 著者名/発表者名
      T,Kohsokabe and K. Kaneko
    • 雑誌名

      Chaos

      巻: 28 ページ: 045110

    • DOI

      10.1063/1.5013280

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cooperative reliable response from sloppy gene-expression dynamics2018

    • 著者名/発表者名
      M. Inoue, K. Kaneko
    • 雑誌名

      EPL

      巻: 124 ページ: 38002

    • DOI

      10.1209/0295-5075/124/38002

    • 査読あり
  • [学会発表] Microeconomic Metabolism: an exact mapping between q-bio and microeconomics2019

    • 著者名/発表者名
      Jumpei Yamagishi
    • 学会等名
      Winter q-bio
    • 国際学会
  • [学会発表] 婚姻交換による親族構造形成のダイナミクス2019

    • 著者名/発表者名
      板尾健司, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] 平均選好と近縁選好の転移2019

    • 著者名/発表者名
      藤本悠雅, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] Mutational Robustness and Controllability of Proteins2019

    • 著者名/発表者名
      唐乾元, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] ミクロ経済学としての代謝制御の理解:オーバーフロー代謝とギッフェン財を例として2019

    • 著者名/発表者名
      山岸純平, 畠山哲央
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] エピジェネティック制御を含んだ遺伝子ダイナミクス:多重状態の生成と安定化2019

    • 著者名/発表者名
      松下優貴, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] 進化による宿主-共生体間の分業の発生2019

    • 著者名/発表者名
      青木さくら, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] 二倍体遺伝子発現制御系のダイナミクスと集合的メンデル顕性2019

    • 著者名/発表者名
      大窪健児, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] 種間相互作用における多様性進化と種分化2019

    • 著者名/発表者名
      西浦直人, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] 相克的階層進化におけるスケーリング則2019

    • 著者名/発表者名
      竹内信人, 御手洗菜美子, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] 遺伝子制御ネットワークの進化と低次元構造2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤匠哉, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] スピングラス模型における固有モードの進化2019

    • 著者名/発表者名
      坂田綾香, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [学会発表] Multilevel Consistency, Dimension Reduction, and Slow Dynamics in Biology2019

    • 著者名/発表者名
      Kunihiko Kaneko
    • 学会等名
      Evolving life: the evolution with tradeoffs, frustration in selection and growing complexity
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cell competition for space is controlled by apoptosis-induced change of local epithelial topology.2018

    • 著者名/発表者名
      Koichi Fujimoto, Alice Tsuboi
    • 学会等名
      2018 ICTS Workshop on Cellular Dynamics and Microbiome Studies
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Competition for space is controlled by apoptosis-induced change of local epithelial topology2018

    • 著者名/発表者名
      Koichi Fujimoto, Alice Tsuboi
    • 学会等名
      Quantitative Life Science Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Evo-Devoの数理;発展と未来.2018

    • 著者名/発表者名
      藤本仰一
    • 学会等名
      日本進化学会第20会大会(招待講演)
  • [学会発表] Constrained variation in organ arrangements of basal eudicot flowers2018

    • 著者名/発表者名
      Miho S. Kitawaza, Koichi Fujimoto
    • 学会等名
      The 1st AsiaEvo Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 形の空間にみる制約された揺らぎと多様性:花器官配置の数理解析2018

    • 著者名/発表者名
      北沢美帆、藤本仰一
    • 学会等名
      日本植物学会第82回大会 シンポジウム「植物の確率論的ふるまいにもとづく戦略」
    • 招待講演
  • [学会発表] Constrained variation of floral organ arrangement in basal eudicots: a correlation with species diversity of the organ number.2018

    • 著者名/発表者名
      Koichi Fujimoto, Miho S. Kitazawa
    • 学会等名
      Euro Evo Devo
    • 国際学会
  • [学会発表] Phenotypic evolvability2018

    • 著者名/発表者名
      Kuhihiko Kaneko
    • 学会等名
      1st AsiaEvo Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Evolution of intracellular symbiosis: Theoretical approach2018

    • 著者名/発表者名
      S Aoki, K Kaneko
    • 学会等名
      1st AsiaEvo Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Emergence of Low-dimensional Structure in Evolution of Highdimensional Cell Model2018

    • 著者名/発表者名
      T Sato, K Kaneko
    • 学会等名
      1st AsiaEvo Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Is a macroscopic description of biological systems possible?2018

    • 著者名/発表者名
      Kuhihiko Kaneko
    • 学会等名
      Physics of Living Matter
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Reproduction of a Set of Diverse Molecules, Minority Control, and Arrival of Evolvability2018

    • 著者名/発表者名
      金子邦彦
    • 学会等名
      Workshop "Puzzles and Solutions in Astrobiology"
    • 国際学会
  • [学会発表] Evolution and Genetics of Gene Regulatory Network in Diploid Recombination2018

    • 著者名/発表者名
      Kenji Okubo, Kunihiko Kaneko
    • 学会等名
      25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
    • 国際学会
  • [学会発表] The origin of the central dogma of molecularbiology throughconflicting multilevel evolution2018

    • 著者名/発表者名
      Nobuto Takeuchi
    • 学会等名
      Science of Early Life
    • 招待講演
  • [学会発表] Phenotypic robustness, fluctuations and plasticity2018

    • 著者名/発表者名
      Kuhihiko Kaneko
    • 学会等名
      7th Euro Evo Devo
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The origin of the central dogma through conflicting multilevel evolution2018

    • 著者名/発表者名
      Nobuto Takeuchi
    • 学会等名
      Evolution - Genetic Novelty/Genomic Variations by RNA Networks and Viruses
    • 国際学会
  • [学会発表] 遺伝情報の起源、揺らぎ、進化2018

    • 著者名/発表者名
      金子邦彦, 竹内信人
    • 学会等名
      日本進化学会 第20回大会
  • [学会発表] Complex-Systems Approach to an Ecosystem of Interacting Cells: Differentiation, Symbiosis, and Diversification2018

    • 著者名/発表者名
      Kuhihiko Kaneko
    • 学会等名
      Research meeting: Principles of Microbial Ecosystems 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] 二倍体の遺伝子発現制御系進化による集合的メンデル遺伝の形成2018

    • 著者名/発表者名
      大窪健児, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] 重合過程が鋳型高分子の進化に及ぼす影響2018

    • 著者名/発表者名
      松原嘉哉, 竹内信人, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] Epigenetic Spin Glass II:アトラクタの刈り込みのメカニズム2018

    • 著者名/発表者名
      松下優貴, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] Functional Sensitivity and Evolutionary Robustness of Proteins2018

    • 著者名/発表者名
      唐乾元, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] 多環境下における触媒反応ネットワーク進化による次元削減2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤匠哉, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] ホストパラサイト共進化系における遺伝子型-表現型対応の進化2018

    • 著者名/発表者名
      西浦直人, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] 進化による細胞内共生機構の獲得2018

    • 著者名/発表者名
      青木さくら, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] Cellular Potlatch:代謝物の漏出による細胞の成長率増加およびその多種共生への寄与2018

    • 著者名/発表者名
      山岸純平, 斉藤稔, 金子邦彦
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [学会発表] 細胞分化への現象論的アプローチ:エピジェティクスによる安定細胞タイプの形成2018

    • 著者名/発表者名
      松下優貴, 金子邦彦
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 対称性の自発的破れにより生起する分子生物学のセントラルドグマ2018

    • 著者名/発表者名
      竹内信人, 金子邦彦
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Emergence of low-dimensional structure in evolution of high-dimensional cell model and its significance for phenotypic evolution2018

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sato
    • 学会等名
      第46回 内藤コンファレンス「生物進化の仕組みと多様性」
  • [学会発表] Theoretical approach to evolution of intracellular symbiosis2018

    • 著者名/発表者名
      Sakura Aoki
    • 学会等名
      第46回 内藤コンファレンス「生物進化の仕組みと多様性」
  • [学会発表] Evolution and Genetics of Gene Regulatory Network in Diploid Recombination2018

    • 著者名/発表者名
      Kenji Okubo
    • 学会等名
      第46回 内藤コンファレンス「生物進化の仕組みと多様性」
  • [学会発表] Multilevel consistency, dimension reduction, and slow dynamics in biology2018

    • 著者名/発表者名
      Kunihiko Kaneko
    • 学会等名
      Quantitative Life Science Workshop2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dimension Reduction and Relevance of Slow Modes in Biological Dynamical Systems2018

    • 著者名/発表者名
      Kunihiko Kaneko
    • 学会等名
      Dynamics Days Asia Pacific
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Functional Sensitivity and Evolutionary Robustness of Proteins2018

    • 著者名/発表者名
      Qianyuan Tang
    • 学会等名
      APEF 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Emergence of low-dimensional structure in high-dimensional cell model and convergent evolution in phenotypic space2018

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sato
    • 学会等名
      APEF 2018
    • 国際学会
  • [備考] 原著論文のプレスリリース

    • URL

      http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2018/20180615_2

  • [学会・シンポジウム開催] Evolutionary dynamics to shape phenotype and direction in evolution. EuroEvoDevo 2018.2018

URL: 

公開日: 2019-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi