動物活動の定量計測と非線形時系列解析による、老化を支配する力学系システムの解明

• Project/Area Number: 20K20321
• Project/Area Number (Other): 18H05300 (2018-2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2018-2019)
• Review Section: Studies on the Super-Aging Society
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 荒田 幸信 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (40360482)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高木 拓明 奈良県立医科大学, 医学部, 講師 (10444514)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,350,000 (Direct Cost: ¥19,500,000、Indirect Cost: ¥5,850,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2018: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: 線虫 / 老化 / 超長時間撮影 / 時系列解析 / ライフログ / 力学系 / 長時間計測 / 高時間分解計測 / Life-log / 超長時間計測 / 定量 / 寿命 / フラクタル / マイクロ流体デバイス / マイクロデバイス

Outline of Research at the Start

本研究では、顕微定量計測技術、マイクロ流体デバイス技術、画像解析技術を組み合わせ、線虫を個別のマイクロチャンバ内で飼育し、その活動を寿命時間（約一ヶ月間）に渡りビデオ撮影・計測する。さらに、得られた巨大な時系列を、非線形時系列解析及び力学系の理論を基礎に解析することにより、動物の寿命時間を決定するモデル（力学系の方程式）を決定する。この支配方程式を、個体システムの変数を外部から操作により検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、線虫の性成熟から死に至るまでの一生（約一ヶ月間）をビデオ撮影（5fps）し、動画から線虫の行動を計測することで、線虫の一生を支配する力学系システムを解明することである。本年度は、さらに運動軌跡の解析から、線虫の性成熟後の青年期、中年期、老年期を定量的に定義し、線虫の運動が4つの異なる状態で記述できることを明らかにした。さらに、既存のインシュリン受容体の長寿daf-2変異体では若年期がほとんどなく性成熟後すぐに老年期になる早老変異体であること。一方で、インシュリンシグナルの下流で機能するFOXO転写因子の短寿命daf-16変異体では若年期が終わるとすぐに死ぬ文字通り若死変異体であることを見つけた。これらの新しい発見により、インシュリンシグナルが老化ステージの制御のスイッチになっている可能性を見つけた。また、既存のミトコンドリア代謝の長寿clk-1変異体は、若年期、中年期、老年期は野生型とほぼ同じ割合で出現するが、それぞれの期間が長くなっていた。早老長寿daf-2変異体と併せて、線虫の長寿化戦略には少なくとも二つ：早老化により低代謝により長寿化する戦略と、生理的な老化時計の速度を遅くする戦略、があることが明らかになった（投稿準備中）。線虫では全細胞系譜、全ゲノム解読、全神経連絡の解明、など生命現象の基盤となる情報の網羅的な記述により、モデル生物の中で特異的な位置付けで生命科学研究に貢献している。今回の老化ランドスケープの解明により、この網羅的な解析を動物個体の死まで延長できたことの意義は大きい。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画通り、要求性能を満たす録画装置4台を用いて、これまでに4万個体以上の一生計測に成功した。撮影した動画の解析により、線虫の老化が、複数の定常状態を遷移することで進行する状態遷移過程であることを明らかにできた。さらに合計4万個体以上の録画データから、既存の変異体の長寿戦略が少なくとも２つに分類できることを見つけた。これに留まることなく、トランスポゾンによる体細胞ゲノム破壊の可能性に注目し、解析を行うため、バイオインフォマティックス解析を行い、トランスポゾンの移動を仲介する145酵素遺伝子を同定した（論文査読中）。計測装置のスループットが高いことから、1万個体以上を用いて厳密な統計解析を行った結果、145個の遺伝子の内、rtz_LINE-5とtpz-150のRNAiにより寿命が20%程度伸びることを見つけた。トランスポゾンが動物個体の寿命を制御する新しい知見を得ることに成功した（投稿準備中）。

Strategy for Future Research Activity

行動時系列データから、老化過程に少なくとも４つの状態があることが明らかになった。将来的には、トランスクリプトーム解析、エピゲノム解析、メタボローム解析を用いて、老化過程に存在する全状態を同定し、さらに状態遷移の全ての経路を明らかにする準びが整ったといえる。全状態と全遷移経路を明らかにすることで、線虫の老化を支配する力学系の出力の全貌が明らかになることになる。本課題で成功した計測装置を基礎にさらに装置の改良を重ね、老化ランドスケープの全貌を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Comprehensive identification of potentially functional genes for transposon mobility in the C. elegans genome (2023)
  • Author(s): Yukinobu Arata, Peter Jurica, Nicholas Parrish, Yasushi Sako
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 1-1
  • DOI: 10.1101/2023.08.08.552548
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Insulin signaling shapes fractal scaling of C. elegans behavior (2022)
  • Author(s): Arata Yukinobu、Shiga Itsuki、Ikeda Yusaku、Jurica Peter、Kimura Hiroshi、Kiyono Ken、Sako Yasushi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 10481-10481
  • DOI: 10.1038/s41598-022-13022-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Insulin signaling shapes fractal scaling of C. elegans benavior (2022)
  • Author(s): Yukinobu Arata, Itsuki Shiga, Yusaku Ikeda, Peter Jurica, Hiroshi Kimura, Ken Kiyono, Yasushi Sako
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] C. elegans episodic swimming is driven by multifractal kinetics (2020)
  • Author(s): Yusaku Ikeda, Peter Jurica, Hiroshi Kimura, Hiroaki Takagi, Zbigniew R. Struzik, Ken Kiyono, Yukinobu Arata & Yasushi Sako
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70319-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] NEW FINDING OP50, a bacterial strain conventionally used as food for laboratory maintenance of C. elegans, is a biofilm formation defective mutant (2020)
  • Author(s): Yukinobu Arata, Taku Oshima, Yusaku Ikeda, Hiroshi Kimura and Yasushi Sako
  • Journal Title: microPublication Biology Volume: - Pages: 1-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 動物の老化研究における定量的アプローチ (2020)
  • Author(s): 荒田幸信
  • Journal Title: 月刊「細胞」 Volume: 52 Pages: 35-40
• [Journal Article] OP50, a bacterial strain conventionally used as food for laboratory maintenance of C. elegans, is a biofilm formation defective mutant (2020)
  • Author(s): Yukinobu Arata, Taku Oshima, Yusaku Ikeda, Hiroshi Kimura and Yasushi Sako
  • Journal Title: microPublication Biology Volume: 1 Pages: 1-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 自作！線虫の個体解像度・超多個体・寿命時間スケールのmotion tracker, nemaLifelogger (2024)
  • Author(s): 荒田幸信
  • Organizer: 第11回定量生物の会
• [Presentation] Bridging computational modeling and experimental biology: Introducing the new motion tracker for capturing individual C. elegans motions at population scale and at lifespan time-scale (2024)
  • Author(s): Yukinobu Arata
  • Organizer: 7th Nobel Turing Challenge
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1000匹以上の線虫の行動を一生の間ビデオ撮影するnemaLife-loggerにより同定した老化に伴う行動速度の指数減衰とトランスポゾン駆動老化仮説の実験検証 (2022)
  • Author(s): 荒田幸信
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 動物の老化に伴う活動速度の指数減衰とトランスポゾン駆動老化仮説の検証 (2022)
  • Author(s): 荒田幸信
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Scale-free behaviors of C. elegans is shaped by Insulin signaling (2021)
  • Author(s): 荒田幸信
  • Organizer: 生物物理学会年会
• [Presentation] Life-logger, １０００匹の線虫の寿命時間スケールでの行動動態を計測するためのビデオ撮影装置の開発 (2020)
  • Author(s): 荒田幸信
  • Organizer: 生物物理学会年会