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

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14780559
• 研究機関: 岡崎国立共同研究機構
• 研究代表者: 望月 敦史 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 助教授 (10304726)
• 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。
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。今までに葉脈パターン形成の仮説として反応拡散仮説と運河仮説が知られているが、両仮説とも必ずしも葉脈パターン形成を十分に説明できてはいない。一方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が葉脈形成に関して重要な働きをしていることが知られている。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。運河仮説に基づき、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

• [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)