発現量揺らぎー適応系により探るプロテオームの制約条件とその適応ー進化への影響

• Project Area: Evolutionary theory for constrained and directional diversities
• Project/Area Number: 18H04824
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 守屋 央朗 岡山大学, 環境生命科学研究科, 准教授 (60500808)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2019: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2018: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 酵母 / 過剰発現 / ストレス環境 / 制約 / 揺らぎ / プロテオーム / 進化

Outline of Annual Research Achievements

背景と目的 細胞内のタンパク質には、その発現量の変動が適応度に強い影響を与える―強い制約を受けているものと、発現量を多少変動させても適応度に影響を与えない―制約を受けていないものがある。申請者らは、出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）のほぼすべての種類のタンパク質を対象として、それぞれの発現量がどれくらい制約を受けているのかを、独自に開発した発現量揺らぎ－適応系（gTOW法）により調べてきた。その結果、大半のタンパク質の発現量は制約を受けていない一方、2％程度のタンパク質の発現量のみが強い制約を受けている事を明らかにした。本研究では、先行研究で構築されたこの発現量揺らぎ－適応系をハイスループット化することで、課題１：発現量の制約は環境により変わるのか、課題2：発現量揺らぎは適応－進化に寄与するのかを追求する。

研究方法 研究目的の2つの課題を追求するために、従来の発現量揺らぎ－適応系をハイスループット化し、様々な環境における発現量の制約と発現上昇による適応を並列に評価する実験系の構築を行う。実験系は、以下の３つのステップから成る。１）S. cerevisiaeの5,800種類の各遺伝子を2ミクロンプラスミドに連結し、それぞれを酵母に導入する（すべての遺伝子を発現量揺らぎ－適応系に乗せる）、２）この5,800種類の株を混合し様々な環境下で培養する（コピー数適応を一斉に行わせる）、３）混合培養後の細胞集団からプラスミドを回収し、各プラスミドのコピー数を次世代シーケンサーによるインサートの出現頻度により解析する（コピー数の制約と適応的コピー数を測る）。

研究実績 ２年間の研究機関で上記の新規実験系の構築を完了した。この実験系を用いて、高温条件、高塩条件など複数の条件での適応実験を行い、これらの条件で高発現が適応的な遺伝子を複数同定した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] トロント大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] ハイデルベルグ大学(ドイツ)
• [Journal Article] Development of an experimental method of systematically estimating protein expression limits in HEK293 cells (2020)
  • Author(s): Mori Yoshihiro、Yoshida Yuki、Satoh Ayano、Moriya Hisao
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-020-61646-3
  • NAID: 120006883502
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The expression level and cytotoxicity of green fluorescent protein are modulated by an additional N-terminal sequence (2020)
  • Author(s): Moriya Hisao、Graduate School of Environmental and Life Sciences, Research Core for Interdisciplinary Sciences, Okayama University
  • Journal Title: AIMS Biophysics Volume: 7 Issue: 2 Pages: 121-132
  • DOI: 10.3934/biophy.2020010
  • NAID: 120006860108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Yeast screening system reveals the inhibitory mechanism of cancer cell proliferation by benzyl isothiocyanate through down-regulation of Mis12 (2019)
  • Author(s): Abe-Kanoh Naomi、Kunisue Narumi、Myojin Takumi、Chino Ayako、Munemasa Shintaro、Murata Yoshiyuki、Satoh Ayano、Moriya Hisao、Nakamura Yoshimasa
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 8866-8866
  • DOI: 10.1038/s41598-019-45248-2
  • NAID: 120006648600
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genetic Analysis of Signal Generation by the Rgt2 Glucose Sensor of Saccharomyces cerevisiae (2018)
  • Author(s): Scharff-Poulsen Peter、Moriya Hisao、Johnston Mark
  • Journal Title: G3 Volume: 8 Issue: 8 Pages: 2685-2696
  • DOI: 10.1534/g3.118.200338
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Estimating the Protein Burden Limit of Yeast Cells by Measuring Expression Limits of Glycolytic Proteins. (2018)
  • Author(s): Eguchi, Y., Makanae, K., Hasunuma, T., Ishibashi, Y., Kito, K., Moriya, H.
  • Journal Title: Elife Volume: 7
  • DOI: 10.7554/elife.34595
  • NAID: 120006501235
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 過剰発現が適応的に働く遺伝子の体系的同定 (2019)
  • Author(s): 守屋央朗
  • Organizer: 日本進化学会第21回大会
  • Invited
• [Presentation] Genetic profiling of protein burden and nuclear export overload (2019)
  • Author(s): 金高令子、Charlie Boone、守屋央朗
  • Organizer: ICYGMB 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Systematic Identification of Genes whose Overexpression Positively Affect Fitness in Various Environments (2019)
  • Author(s): 佐伯望、守屋央朗
  • Organizer: ICYGMB 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 過剰発現実験により探るプロテオームの拘束条件 (2019)
  • Author(s): 守屋央朗
  • Organizer: 日本遺伝学会第91回大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Systematic Identification of Genes Whose Overexpression Works Adaptively Using the ADOPT System (2019)
  • Author(s): 佐伯望、守屋央朗
  • Organizer: The 20th International Conference on Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Defining harmful yeast oroteins by mesuring overexpression limits (2018)
  • Author(s): 江口優一、守屋央朗
  • Organizer: 2018 Yeast Genetics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] タンパク質の発現限界を測る遺伝学的手法TOW-Fu (2018)
  • Author(s): 江口優一、守屋央朗
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 哺乳類細胞においてタンパク質発現量の限界を測定する実験系の確立と改善 (2018)
  • Author(s): 森吉弘、佐藤あやの、守屋央朗
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 過剰発現の限界から探る細胞の処理能力 (2018)
  • Author(s): 守屋央朗、江口優一、蒔苗浩司、加藤有香
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 多コピー化が増殖に有利に働く酵母遺伝子のハイスループットスクリーニング (2018)
  • Author(s): 佐伯望、江口優一、堀内智司、Herbst Konrad、Kirrmaier Daniel、Knop Michael 、守屋央朗
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 岡山大学異分野融合先端研究コア・システム細胞学研究室
  • URL: https://tenure5.vbl.okayama-u.ac.jp/HMlab/
• [Remarks] 酵母とシステムバイオロジー（ブログ）
  • URL: https://tenure5.vbl.okayama-u.ac.jp/HM_blog/