Quantification of intracellular signaling efficiency by information thermodynamics

Research Project

Project/Area Number	20K22619
Research Category	Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	0701:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	芦田慶太東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (80870732)
Project Period (FY)	2020-09-11 – 2022-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	ERK / Ras / 情報熱力学 / エントロピー / 細胞内シグナリング
Outline of Research at the Start	生体において, 情報伝達の重要性はいうまでもない. 生物は進化によって, おそらく最適的な情報伝達を獲得していると考えられているが,生体内シグナルがどれくらい効率的なのかは未だ明らかでない.そこで本研究では, 本当に細胞内シグナル伝達が情報熱力学的に効率的かを明らかにする. 細胞内シグナリングの中でも, 増殖や分化, 癌化など様々な現象に関与しているMAPK/ERKパスウェイに着目する. イメージング実験ならびに情報熱力学的解析により, Ras-ERK間の情報伝達の効率を定量化し, 評価することで生物における情報伝達が本当に効率的かどうかを明らかにする.
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は本当に細胞内シグナル伝達が情報熱力学的に効率的かを明らかにすることである。生物は進化によって、おそらく最適的な情報伝達を獲得していると考えられているが、生体内シグナルがどれくらい効率的なのかは未だ明らかでない。そこで本研究では、細胞内シグナリングの中でもMAPK/ERKパスウェイに着目し、イメージング実験ならびに情報熱力学的解析を組み合わせることで、RasーERK間の情報伝達効率を定量化、評価する。それによって、生物における情報伝達が本当に効率的かどうかを明らかにする。本年度は, 昨年度に引き続き主に情報熱力学を利用した解析手法に着目して研究をすすめた。昨年度は定常過程におけるエントロピー推定手法について検討したが、本年度は機械学習手法を利用した非定常過程でのエントロピー生成推定手法について検討した。手法提案論文の著者からプログラムを供与していただき、実際に動作することを確認した。また, 数値シミュレーションを利用してサンプルデータを作成することで、両手法の実験適用可能性を検討した。特に、推定に必要なサンプル数を検討した。また、実験に関しては、RasとERKの活性を同時に測定するために必要な遺伝子を決定した。