細胞増殖に伴う集団秩序の維持

• Project Area: Cross-talk between moving cells and microenvironment as a basis of emerging order in multicellular systems
• Project/Area Number: 25111715
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: イン ベイウェン 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (90422401)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2014: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2013: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: ゆらぎ / 確率性 / 細胞分化 / 遺伝子発現 / 細胞間相互作用

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、細胞内タンパク質濃度ゆらぎ（遺伝子発現の確率性）と細胞間相互作用を利用し、単細胞大腸菌において、真核生物の細胞分化の現象を作り出すことが目的であった。昨年度では、ゲノム工学的検討が行われ、細胞分化の現象を起こす大腸菌細胞を作製した。今年度は、細胞集団や遺伝子発現など多階層レベルでの解析により、細胞の秩序に関わる普遍的規則を探索した。
まず、人工的遺伝子回路を設計し、大腸菌ゲノム上に導入したことで、遺伝子発現量の確率的変化（ゆらぎによる集団内ばらつき）を可視化した。つぎに、アミノ酸栄養素による細胞間相互作用を作り出したことにより、異なる表現型の大腸菌（分化した細胞）の定常的集団変化を可能にした。以上から、大腸菌の確率的細胞分化に成功した。分化する大腸菌の集団秩序の安定性には時間的制限があったため、普遍的規則を抽出に至らなかったが、4000次元の遺伝子発現変動においては、2次元まで抽出し、細胞内全遺伝子発現の最適化の共通的パス（遺伝子発現変動の秩序）を見出した。つまり、細胞レベルの計測による数理集団モデルから遺伝子レベルの高次元から低次元への情報抽出への方向転換に成功した。これにより、細胞種に問わない普遍的な規則があることが示唆された。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Nutrient-dependent growth defects and mutability of mutators in Escherichia coli. (2015)
  • Author(s): Y Ishizawa, BW Ying, S Tsuru & T Yomo
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 20 Issue: 1 Pages: 68-76
  • DOI: 10.1111/gtc.12199
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Global coordination in adaptation to gene rewiring. (2015)
  • Author(s): Y Murakami, Y Matsumoto, S Tsuru, BW Ying & T Yomo
  • Journal Title: Nucleic Acids Res Volume: 43 Issue: 2 Pages: 1304-1316
  • DOI: 10.1093/nar/gku1366
  • NAID: 120007130352
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A reduced genome decreases the host carrying capacity for foreign DNA. (2014)
  • Author(s): Y Akeno, BW Ying, S Tsuru & T Yomo
  • Journal Title: Microbiol Cell Factories Volume: 13 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/1475-2859-13-49
  • NAID: 120007136730
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mutation accumulation in bacteria exposed to UV radiation. (2014)
  • Author(s): A Shibai, S Tsuru, BW Ying, D Motooka, K Gotoh, S Nakamura & T Yomo
  • Journal Title: Artificial Life Volume: 14
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Directed evolution of cell size in Escherichia coli. (2014)
  • Author(s): M Yoshida, S Tsuru, N Hirata, S Seno, H Matsuda, BW Ying & T Yomo
  • Journal Title: BMC Evol Biol Volume: 14
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gene expression scaled by distance to the genome replication site. (2014)
  • Author(s): Bei-Wen Ying, Saburo Tsuru, Shigeto Seno, Hideo Matsudab, Tetsuya Yomo.
  • Journal Title: Mol. BioSyst., 2014 Volume: 10 Issue: 3 Pages: 375-379
  • DOI: 10.1039/c3mb70254e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth rate-coordinated transcriptome reorganization in bacteria (2013)
  • Author(s): Matsumoto, Y., Murakami, Y., Tsuru, S., Ying, B., Yomo, T
  • Journal Title: BMC Genomics 2013 Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1186/1471-2164-14-808
  • NAID: 120007130585
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Construction of synthetic gene circuits in the Escherichia coli. (2013)
  • Author(s): BW Ying, Y Akeno, T Yomo
  • Journal Title: Methods Mol Biol Volume: 1073 Pages: 157-168
  • DOI: 10.1007/978-1-62703-625-2_13
  • ISBN: 9781627036245, 9781627036252
  • Peer Reviewed