Shigeru Kondo, Ph.D. Professor


Laboratory of Pattern Formation
Graduate School of Frontier Biosciences 
Osaka University
1-3 Yamadaoka, Suita, Osaka, 565-0871, Japan
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Mechanism of pigment pattern formation

In this project, we aim to elucidate the principle of skin pattern formation. There are various kinds of skin patterns. But do you know that there is a mathematical expression that automatically generates most of them?

このプロジェクトでは、生物の皮膚模様ができる原理の解明を目指しています。生物の皮膚模様は、様々な種類がありますが、それらのほとんどを発生させる数式があるのをご存知でしょうか?

The theory is called the reaction-diffusion model presented by Turing in 1952. Turing predicted that there is a possibility of generating waves (equally spaced patterns) in the field when the chemical reactions are combined well.

 

The idea of "waves in the skin" is strange. So,  biologists did not believe the hypothesis of Turing for long years. However, with the experiments we have done so far, many researchers are now recognizing that Turing's hypothesis was true.

 

We are proceeding with this research in the following order.

① Find dynamic properties of animal skin patterns that can be predicted by Turing's theory

② Identify cell-cell interactions that create Turing waves

③ Identify the molecular mechanisms underlying the interaction

① and ② have almost ended, and we are currently conducting research on ③.

その理論は、Turingの反応拡散原理と呼ばれています。Turingは、化学反応がうまく組み合わさると、場に波(等間隔のパターン)を発生させる可能性がある、事を予言しました。

 

シミュレーションで、模様と似たパターンが作れても、実際に「波」が皮膚に発生していることを想像するのは、かなり難しいことです。しかし、以下のような、我々がこれまで行った実験により、Turingの予測とほぼ同じことが動物の皮膚で起きていることは確実です。

 

研究は、①模様の動的な性質(動き)を観察して、Turing理論との一致を証明、②Turing波を作る細胞間相互作用の同定、③相互作用の基礎となる分子メカニズムの同定、の順に進めています。①、②はほぼ終了し、現在③の研究を進めています。

A reaction-diffusion wave on the skin of the marine angelfish PomacanthusKondo S, Arai RNature 1995;376, 765 - 768

 

This paper proved for the first time that the striped pattern of fish has a dynamic property (moving) that is identical to the Turing wave. The research of our laboratory began from here.

​縞模様が、Turing波としての動的な性質(動く)ことを初めて発見した論文です。当研究室の研究はここから始まりました。

Pattern regulation in the stripe of zebrafish suggests an underlying dynamic and autonomous mechanism.
Yamaguchi M, Yoshimoto E, Kondo S.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Mar 20;104(12):4790-3. Epub 2007 Mar 12.​

The zebrafish pattern also moves according to the prediction of Turing's simulation. This means that we can elucidate the molecular mechanism of Turing pattern formation using this model animal.

モデル生物のゼブラフィッシュの模様もTuringのシミュレーションの予測のとおりに動きます。この事実は、
ゼブラフィッシュを使って、模様形成がおきる分子メカニズムを解明することができることを意味しています。

Interactions between zebrafish pigment cells responsible for the generation of Turing patterns.
Nakamasu A, Takahashi G, Kanbe A, Kondo S.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 May 26;106(21):8429-34. 

 

The pattern is made by the interaction between two kinds of pigment cells. We can estimate the interaction between pigment cells by eliminating some pigment cells using laser and investigating how surrounding pigment cells affect the regeneration.

模様は、2種類の色素細胞間の相互作用で作られることがわかっています。レーザーを使って一部の色素細胞を消去し、その再生に、周囲の色素細胞がどのような影響を与えるかを調べると、色素細胞間の相互作用を推定することができます。

Pigment pattern in jaguar/obelix zebrafish is caused by a Kir7.1 mutation: implications for the regulation of melanosome movement.
Iwashita M, Watanabe M, Ishii M, Chen T, Johnson SL, Kurachi Y, Okada N, Kondo S.
PLoS Genet. 2006 Nov 24;2(11):e197.

 

Spot pattern of leopard Danio is caused by the mutation in the zebrafish connexin41.8 gene.
Watanabe M, Iwashita M, Ishii M, Kurachi Y, Kawakami A, Kondo S, Okada N.
EMBO Rep. 2006 Sep;7(9):893-7. Epub 2006 Jul 14.

 

I cloned two genes that cause altered pattern. From here, molecular level analysis begins.

模様が変化する遺伝子を2つクローニングしました。いよいよここから、分子レベルの解析が始まります。

Pigment pattern formation by contact-dependent depolarization.
Inaba M, Yamanaka H, Kondo S.
Science. 2012 Feb 10;335(6069):677.

 

we succeeded in the in vitro imaging of the interaction between the pigment cells

ゼブラフィッシュの色素細胞間の相互作用のイメージングに成功しました。

Involvement of Delta/Notch signaling in zebrafish adult pigment stripe patterning.
Hamada H, Watanabe M, Lau HE, Nishida T, Hasegawa T, Parichy DM, Kondo S.
Development. 2014 Jan;141(2):318-24.

 

We discovered that the interaction between pigment cells occurs not by diffusion of molecules but by direct stimulation of cellular processes. There are two types of protrusions, and it turned out that it mimics the diffusion effect of the reaction-diffusion principle.

​色素細胞間の相互作用が、分子の拡散ではなく、細胞突起による直接刺激で起きていることを発見しました。突起には2種類の長さがあり、それが、反応拡散原理の拡散の効果をミミックしていることが解りました。

Changing clothes easily: connexin41.8 regulates skin pattern variation.
Watanabe M, Kondo S.
Pigment Cell Melanoma Res. 2012 Feb 7. doi: 10.1111/j.1755-148X.2012.00984.x.

The CX418 gene that code a gap junction protein is responsible to the leopard mutation. By gradually changing the activity of this gene, every pattern that exists on the animal's skin was formed in zebrafish skin.

​ギャップジャンクションを作るCX418遺伝子は、斑点模様を作るleopard変異の原因遺伝子です。この遺伝子に活性を変化させていくと、動物の皮膚に存在するあらゆる模様ができてしまいます。