遺伝子ネットワークにおける確率ダイナミクスと揺動散逸関係の破れ

胚発生における遺伝子発現の時空間的制御の理解は、発生・分化の仕組みを理解するための根本的課題の一つである。本研究では、ショウジョウバエ初期胚における2つの代表的モルフォゲン、Bicoid(Bcd)とHunchback(Hb)の濃度パターンを対象とし、それらの空間的正確さを保証する機構を理論的に解明することに取り組んだ。方法としては、BedとHbの1次元及び3次元の反応拡散モデルを構築し、それらの確率過程をモンテカルロ・シミュレーションによって計算するというものである。ここで、本研究で特徴的なのは、高効率の計算モデルの設計によって、1次元モデルでは多次元のパラメータ空間における網羅的計算を可能にしたこと、また、計算コストの多い3次元モデルについても現実的な時間内での計算を可能にしたことである。解析の結果、これまで実験的に説明が困難であった2つの謎に対して、以下のように理論的な説明を与えることができた。◆謎1.繰り返し核が分裂するシンシチウムにおいて、Bcdの濃度勾配はどのようにして正確に形成されるのか?→部位依存的な調和のとれた拡散によってBcdがコア、表層部、核の各部にバランスよく分布することが、Bcdの正確な濃度勾配の形成に必要な条件であることが分かった。◆謎2.Bcdのランダムな拡散に起因する大きな内因的ゆらぎにも関わらず、Bcdの濃度勾配はどのようにして正確にHbに読みだされているのか?→Hbは拡散による自己平均化機構をもっており、Hbの遅い拡散によってHbの濃度が局所的に平均化されることで、Hbの濃度勾配はシヤープネスを保ちながらもゆらぎが抑制されていることが分かった。

胚発生における遺伝子発現の時空間的制御の理解は、発生・分化の仕組みを理解するための根本的課題の一つである。本研究では、ショウジョウバエ初期胚における2つの代表的モルフォゲン、Bicoid(Bcd)とHunchback(Hb)の濃度パターンを対象とし、それらの空間的正確さを保証する機構を理論的に解明することに取り組んだ。方法としては、BedとHbの1次元及び3次元の反応拡散モデルを構築し、それらの確率過程をモンテカルロ・シミュレーションによって計算するというものである。ここで、本研究で特徴的なのは、高効率の計算モデルの設計によって、1次元モデルでは多次元のパラメータ空間における網羅的計算を可能にしたこと、また、計算コストの多い3次元モデルについても現実的な時間内での計算を可能にしたことである。解析の結果、これまで実験的に説明が困難であった2つの謎に対して、以下のように理論的な説明を与えることができた。◆謎1.繰り返し核が分裂するシンシチウムにおいて、Bcdの濃度勾配はどのようにして正確に形成されるのか?→部位依存的な調和のとれた拡散によってBcdがコア、表層部、核の各部にバランスよく分布することが、Bcdの正確な濃度勾配の形成に必要な条件であることが分かった。◆謎2.Bcdのランダムな拡散に起因する大きな内因的ゆらぎにも関わらず、Bcdの濃度勾配はどのようにして正確にHbに読みだされているのか?→Hbは拡散による自己平均化機構をもっており、Hbの遅い拡散によってHbの濃度が局所的に平均化されることで、Hbの濃度勾配はシヤープネスを保ちながらもゆらぎが抑制されていることが分かった。