How accurately can we predict the expression status of a gene using stochastic noise in expression?

• Project/Area Number: 18H02427
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43060:System genome science-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Tsuru Saburo 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (80594506)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000); Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 遺伝子発現 / ゆらぎ / 大腸菌 / 環境応答

Outline of Final Research Achievements

How accurately can we predict the expression status of a gene using which indicator? Previous studies have suggested a positive correlation between the extent of expression change in response to environmental fluctuations (plasticity) and the magnitude of stochastic expression fluctuations (noise). This study aims to experimentally verify this noise-plasticity coupling. To accomplish this, we cultured an E. coli library labeled with fluorescent markers for each gene's expression levels under various environmental conditions and measured the expression levels at the single cell level using flow cytometry. The results confirmed a positive correlation between plasticity and noise in gene expression level. This finding suggests that noise in gene expression can serve as an indicator for predicting the environmental response of gene expression levels.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、大腸菌を用いて、遺伝子発現量のゆらぎと環境変化が正に相関することが示された。この実証実験の成果は、理論的背景の正当性を支持するものであり、遺伝子発現量の変化しやすさの異なる指標が連動していることを示している。このことは、遺伝子発現量のゆらぎを事前に計測することで、環境変化前後の発現変化量をある程度予測できることを示唆している。これらの成果は、細菌の発現量の予測や設計を図る応用分野に大きな示唆を与えると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Inference of transcriptome signatures of Escherichia coli in long-term stationary phase (2023)
  • Author(s): Takano Sotaro、Takahashi Hiromi、Yama Yoshie、Miyazaki Ryo、Furusawa Chikara、Tsuru Saburo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1038/s41598-023-32525-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Purifying selection enduringly acts on the sequence evolution of highly expressed proteins in <i>Escherichia coli</i> (2022)
  • Author(s): Shibai Atsushi、Kotani Hazuki、Sakata Natsue、Furusawa Chikara、Tsuru Saburo
  • Journal Title: G3 Genes|Genomes|Genetics Volume: 12 Issue: 11 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkac235
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental demonstration of operon formation catalyzed by insertion sequence (2022)
  • Author(s): Kanai Yuki、Tsuru Saburo、Furusawa Chikara
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 50 Issue: 3 Pages: 1673-1686
  • DOI: 10.1093/nar/gkac004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 挿入配列活性によるオペロン構造形成の実証実験 (2023)
  • Author(s): 金井雄樹, 津留三良, 古澤力
  • Organizer: 第17回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] 挿入配列活性によるオペロン構造形成の大腸菌を用いた実証実験 (2022)
  • Author(s): 金井雄樹, 津留三良, 古澤力
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] オペロン構造が組み上がる過程を実験的に再構成する (2022)
  • Author(s): 金井雄樹, 津留三良, 古澤力
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] オペロン構造を基本とする遺伝子発現制御機構の起源に関するIDE 仮説の実証実験 (2022)
  • Author(s): 金井雄樹, 津留三良, 古澤力
  • Organizer: 第46回生命の起原および進化学会学術講演会
• [Presentation] 大腸菌を用いた実験室内進化におけるタンパク質の配列進化速度の制約 (2019)
  • Author(s): Saburo Tsuru, Atsushi Shibai, Chikara Furusawa
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] A ubiquitous law in the rate of divergentevolution of protein sequence (2019)
  • Author(s): Saburo Tsuru, Atsushi Shibai, Chikara Furusawa
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] トランスポゾーム発現大腸菌によるゲノム縮小の進化実験 (2019)
  • Author(s): 金井雄樹, 津留三良, 古澤力
  • Organizer: 定量生物学の会第九年会
• [Presentation] 高変異率条件における細菌の長期実験進化 (2018)
  • Author(s): 芝井厚, 堀之内貴明, 古澤力, 津留三良
  • Organizer: 日本進化学会第 20 回大会