多細胞動物の発生過程において、前後軸にそった体の各部位の構造はHox遺伝子の発現パターンによって決定されることが知られている。これはショウジョウバエの突然変異体の研究により明らかとなってきた。Hox遺伝子の発現パターンに異常を生じた突然変異体では、本来の位置とは違った場所に体の構造ができる。すなわち本来触覚のできる位置に足ができたり、平均棍が羽へと変化したりする。Hox遺伝子群は転写因子をコードしており、ゲノム上でクラスターを形成している。Hox遺伝子は遺伝子上に並んでいるのと同じ順番で体軸に沿って発現する。標的遺伝子の発現によって体の各部位の細胞運命が決定される。Hox遺伝子は祖先型の遺伝子が重複によって増加したと考えられる。哺乳類では39のHox遺伝子を含む四つのHox遺伝子クラスターが存在する。進化の過程で起こった体制の大きな変化とHox遺伝子クラスターの増加が関係していることが知られている。例えばナメクジウオはHoxクラスターを一つ持つのに対し、脊椎動物は４つのHoxクラスターを持つ。この結果から頭部の形成にとってHox遺伝子クラスターが増加したことが非常に重要であることが示唆される。Hox遺伝子が増えることによって、Hox遺伝子によって制御される標的遺伝子も増加し、新たな構造物の形成が可能となると考えられるからである。このようにHox遺伝子発現パターンの質的な変化と形態の進化的変化との関係が注目されている。しかしHox遺伝子発現の量的な変化も形態形成にとって非常に重要である。脊椎動物において、胸椎と腰椎は形態が異なっているが、この違いは量的なもので、Hox遺伝子発現の量的な変化を反映していると考えられる。今回の研究では微視的な観点からHoxクラスターの重複について検討してみた。Hox転写因子は単独ではDNA結合親和力が弱いために、DNAと結合する際にヘテロ2量体を形成する必要がある。遺伝子の重複がヘテロ2量体形成に及ぼす影響について数理モデルを用いて検討した。本研究は始めたばかりであるので当日は、モデルの説明と予備的な結果について報告する。
In the process of embryogenesis of the multi cellular organisms, it is known that the structure of each part of the body along the anterior-posterior (AP) axis is decided by the expression pattern of the Hox genes. It is revealed by researches of Drosophila mutants. In the mutant with abnormality in the expression pattern of the Hox genes, the morphological abnormalities is caused in the different body subdomains. The Hox genes encoding the well conserved transcription factor in forms the cluster on the genome. The Hox gene is expressed along the body axis in the same order as lining up on the chromosome. The cell fate of each part of the body is decided by the expression of the target genes of Hox proteins. It is suggested that the number of Hox gene cluster is increased by the duplication. Four Hox gene clusters including 39 Hox genes exist in the mammal. It is thought that the evolutional change in the body plan is related to an increase of the Hox gene cluster. For instance, the vertebrate has four Hox clusters while the amphioxus that is the cephalocordate has one Hox cluster. It is suggested that it may be very important that the number of Hox gene clusters increase for the the head formation. It is thought that the formation of a new structure in the body becomes possible by a new target gene controlled by the Hox gene as Hox gene is increased by the duplication. The relationship between a qualitative change in the Hox gene expression and the morphological change is investigated intensively. However, not only the qualitative but also the quantitative change in the hox gene expression is important for the morphogenesis. For instance, it is thought that the quantitative change of the Hox gene expression cause the difference between thoracic vertebra and lumbar vertebra in the vertebrate. The duplication of the Hox cluster is examined from a microscopic viewpoint in this study. It is necessary for Hox transcription factor to form the hetero-dimer when Hox transcription factor binds to the target gene promoter because the affinity between DNA and Hox is weak. To investigate the influence of the duplication on the dimerization, I construct a mathematical model for the Hox gene dimerization and duplication. The explanation of the model and preliminary results is reported in this seminar.