Koichiro Uriu
(Kyushu University)

10月16日（火）　１３：３０〜　 (理学部3号館6階数理生物学セミナー室)

In vertebrate somitogenesis, a "segmentation clock" gene (her in zebrafish and Hes in mouse) shows oscillation, synchronized over nearby cells. The locations of high gene expression appear with regular intervals and move like a wave from posterior to anterior with the speed slowing down toward anterior end. Neighboring cells interact by Notch-Delta system by which a cell with a higher segmentation clock gene expression tends to suppress the gene expression in its adjacent cells, which might produce spatial heterogeneity, instead of synchronized oscillation. Here we first study the condition for pre-somitic mesoderm cells to show synchronized oscillation of segmentation clock gene expression mathematically. We adopt a model which considers kinetics of mRNA and proteins of segmentation clock gene and cell-cell interaction by Notch-Delta system explicitly. From the stability of the limit cycle, we conclude that synchronization is realized when the rate of segmentation clock gene transcription is faster than the rate of Delta protein synthesis, and the degradation of Delta protein is fast. Second, we analyze traveling wave of gene expression when there is an anterior-posterior gradient of one of the reaction rate in the gene-protein kinetics. The observed spatio-temporal pattern can be explained if mRNA degradation, protein translation, protein transportation to nucleus occurs faster or mRNA transcription, protein degradation in nucleus, Delta protein synthesis occurs slower in posterior than in anterior regions. 脊椎動物の体節形成過程において、未分節中胚葉領域で特定の遺伝子 (マウス ではhes, ゼブラフィッシュではher) の発現に振動が観察される。これらの遺 伝子はモ体節時計遺伝子モと呼ばれ、体節形成の時間的周期性をもたらしている と考えられている。ごく近隣の細胞間では細胞間相互作用によって振動を同調 させていることが知られている。しかし未分節中胚葉全体での体節時計遺伝子 の発現パターンをみると、何らかのメカニズムによって振動の位相にずれが生 じているため、未分節中胚葉後方から前方へと伝わる波が観察される。初めに 近隣細胞間で体節時計遺伝子の発現が同調する条件を調べる。隣接細胞間での 振動の同期にはNotch-Delta シグナルによる相互作用が必要であることが実験 的に示されているが、従来Notch-Deltaシグナルは二つの細胞間に存在する微 少な差を増幅し、まったく別の細胞運命に導くためのメカニズムとして知られ ている。Notch-Deltaシグナルをもちいて振動を同期させるために必要な条件 を求めるために、細胞集団が完全に同調し振動している状態をあらわすリミッ トサイクルを数値計算によってもとめ、その線形安定性解析を行う。振動が同 期するためには体節時計遺伝子の転写率が、Delta タンパク質の合成率よりも 大きい必要があること、Delta タンパク質の分解が速ければリミットサイクル が安定となりやすいことを示す。次に、未分節中胚葉中で観察される遺伝子発 現の波をモデル化する。未分節中胚葉中で反応パラメタの勾配を仮定し、後方 と前方で振動周期に勾配をもたせ、位相をずらす。未分節中胚葉の後方から前 方へと伝わる波を再現するためには後方で振動周期が短く前方に行くほど周期 が長くなる必要がある。このことに基づき、それぞれのパラメタに勾配を仮定 し観察される波を再現するために、満たすべき勾配の向きを明らかにする。

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