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分子が作る生命のパターン

柴田 達夫 (広島大学大学院理学研究科)

杉村薫¹, 上村匡¹, 望月敦史²
1: 京都大・院生命 2: 基生研・理論生物

森に生きる樹々の枝ぶりのように、ニューロンが発達させる樹状突起のパターンも多岐に渡る。そして、この形態上の多様性は、ニューロンのタイプ固有の情報処理を支えている。例えば、網膜の神経節細胞やショウジョウバエのclass IV dendritic arborization (da) neuronは受容野を一様に覆う樹状突起を発達させる（領域全面を覆い、かつ同種細胞間で重複の少ない受容野形成をタイリングと呼ぶ）。空間的に広がった感覚情報を受容するニューロンにとって、このようなパターンの樹状突起を発達させて、ある領域を一様にサンプリングすることは、その生理的意義にかなうものだろう。以前我々は、タイリングするda neuron が突起切断に際して、"space-filling" パターンを再生することを明らかにした (1, 2)。 その他の結果と合わせて、実験データは自己組織化機構が"space-filling"型の樹状突起の発生を制御していることを示唆していた。　　今回我々は、細胞構造を含む、二変数（ActivatorとSuppressor）反応拡散モデルを構築した。細胞内のActivatorは樹状突起の成長を制御する。SuppressorはActivatorから合成され、細胞外空間を拡散して突起間の抑制性の相互作用を担う。シミュレーションの結果、我々のモデルは、樹状パターンを自律的に形成した。加えて、空間制御の二つの特徴: タイリングと再生を再現した。さらに我々は、伸長し分岐するパターン形成の条件を、数値計算から求めた。最後に、我々はシミュレーションで得られたパターンは"突起の整列度"という統計量で分類出来ることを見いだした。予備的な解析の結果、この統計量は細胞内部のActivatorの分布を反映していた。従って、この統計量から現実のニューロンの形態を分類すること、そして細胞の外形から、細胞内部のActivatorの分布を予測することが出来るかもしれない。

1. Sugimura et al. Neuron (2004). 2. Sugimura et al. JNS (2003).

三浦 岳 (京都大学大学院医学研究科)

Junction between skull bones is called skull suture, and it consists of thin undifferentiated mesenchyme which allows growth of skull vault. It develops complex interdigitated structure during development, which has noninteger fractal dimension. At later stage of life this tissue disappears intermittently. Although many molecular interactions has been known, how this structure is formed is not understood.

We show that known molecular interactions can be simplified to two-species reaction-diffusion model which can reproduce interdigitation of skull suture. From model predictions we found a novel structure and distribution of specific molecules. Moreover, by introducing time-dependent parameter, formation of fractal structure and disappearance of suture tissue can be reproduced by the same framework.

藤本 仰一 (東京大学)

Morphogenetic evolution in animals and plants produces diversity and convergence. The comparative studies related with molecular network are rapidly developed. On the other hand, mathematical study of morphogenesis is limited in model organisms such as fruit fly, Drosophila melanogaster. Study of the convergence and the diversity in the evolution and the development (evo-devo) combined with morphogenetic dynamics, molecular networks, and mathematical analysis is of interest. We comparatively study a lot of artificial molecular networks with stripe pattern formation of a gene expression. The stripe leads to the segmentation in anterior-posterior direction in arthropod embryogenesis and is one of the hottest topics for molecular and morphogenetic study. We have collected such molecular networks by evolving them to generate the multiple stripes in computers. We classify pattern formation process to several types referred on the segmentation of arthropod, and found a specific network module such feed-forward loop or feed-back loop necessary for each developmental type. We mathematically analyze the function of the network modules relating with robustness of the segmentation, speed of the development, knockout response. We propose a unifying mechanism for the convergence and the diversity in the segmentation process of arthropod.