| Project/Area Number |
23K03261
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
菊池 誠 大阪大学, サイバーメディアセンター, 教授 (50195210)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 進化シミュレーション / マルチカノニカル・モンテカルロ法 / 変異に対する頑健性 / 表現型選択 / 遺伝子制御ネットワーク / タンパク質 / タンパク質の折れたたみ能力の進化 / タンパク質の機能の進化 / 進化 / モンテカルロ法 |
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| Outline of Research at the Start |
生命システムは進化によって機能を獲得するだけでなく、遺伝子変異に対する頑健性など様々な進化ならではの特性も獲得してきた。進化を研究する理論的手法は主に進化シミュレーションに限られてきたが、それだけでは進化の特殊性はわからない。申請者はマルチカノニカル法を用いて進化の特性を調べる手法を提案している。本研究ではこの手法を遺伝子制御ネットワーク(GRN)とタンパク質のモデルに適用する。特に、変異に対する頑健性の進化と表現型獲得の関係に着目する。具体的にはGRNでの多重安定性の出現と表現型拘束、タンパク質の天然構造と頑健性の関係を明らかにする。これにより生命システムの構築原理を理解することを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
23年度は(1)変異に対する頑健性による表現型選択(2)タンパク質の機能と折れたたみ能力の共進化、のふたつの研究を行った。
(1)では、遺伝子制御ネットワーク(GRN)の抽象的なモデルを設定し、マルチカノニカルモンテカルロ法(McMC)により、適応度の全範囲にわたってGRNをランダムにサンプリングした。用いたモデルでは適応度が高い時に単安定・トグルスイッチ・一方向性スイッチの3種類の安定性を持つGRNが出現する。これらを区別できる三つの表現型とみなし、適応度に対してそれらの出現率を調べた。同じモデルに進化シミュレーションを行い、同じく表現型の出現率を調べて比較したところ、進化では一方向性スイッチの出現が大きく抑えられることが明らかになった。GRNの突然変異に対する頑健性を調べてMcMCと進化を比較すると、McMCでは一方向性スイッチに変異に対して頑健でないものが多く含まれるのに対し、進化ではそのようなGRNの出現が選択されていなかった。この結果は、進化では変異に対する頑健性を強める選択バイアスが働き、そのせいで表現型の出現率が変わることを示している。
(2)では、タンパク質の折れたたみ能力の起源を調べた。タンパク質は細胞内で折れたたんで機能を果たすが、折れたたみ能力は進化の選択圧とはなり得ない。選択圧となるのは機能である。そこで、タンパク質の機能が進化すると自動的に折れたたみ能力を獲得するという仮説を立て、簡単な格子タンパク質モデルを構成して検証した。モデルは疎水性アミノ酸と極性アミノ酸それぞれ二種からなる。特定の部分構造を機能部位と定義し、機能部位の出現率の熱平均を適応度として、McMCによって適応度の全領域にわたってアミノ酸配列をサンプリングしたところ、適応度が高いアミノ酸配列は折れたたみ能力を持つことを見出した。すなわち、機能が高いタンパク質は折れたたみ能力を持つ。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
遺伝子制御ネットワークの進化の研究では変異に対する頑健性による選択バイアスのために表現型が選択されるという新しい表現型選択メカニズムを提案できた。この結果はふたつの国際会議で口頭発表し、プレプリントを公表した。また、タンパク質の進化については、当初計画と幾分違う形ではあるが新しいモデルを提案するとともに、機能と折れたたみが共進化する描像を提案できた。この結果は国内学会で発表した。以上より、本課題で当初計画した研究は順調に進んでおり、すでに計画の半分程度の内容は実現できたと言ってよい。特に、マルチカノニカル・モンテカルロ法と進化しミョレーションを比較するという申請者らが提案した新しい手法をどちらの問題にも適用したことは特筆すべきである。しかしながら、結果はまだ学会発表またはプレプリント刊行段階にあり、論文刊行には至っていないため、評価は「おおむね順調」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、これまでに得られた結果についての論文刊行を急ぐ。遺伝子制御ネットワークの表現型選択についてはすでに論文投稿を済ませている。タンパク質の機能と折れたたみ能力の共進化については、現在プレプリントを執筆中である。
これまでの研究進捗が順調であることから、研究計画の大きな変更は必要なく、このまま進めることとする。まず、遺伝子制御ネットワークについては、進化過程での有効自由度の次元低減を大きな課題とする。次元低減が観測しやすい適応度の設定はすでに検討済みであり、今後具体的な計算を実行する。その際には申請者らが提案しているマルチカノニカル・モンテカルロ法と進化シミュレーションの比較という手法が有効なはずである。
タンパク質については、当初の研究計画と幾分違う形で進化のシナリオを提案できたので、研究計画はそれに合わせて少々変更する。これまでの研究では変異に対する頑健性を検討していないので、特にその問題に焦点を当て、遺伝子制御ネットワークと同様にタンパク質でも変異に対する頑健性による選択バイアスが働いている可能性を調べる予定である。
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