人工的遺伝子回路の発現レベルの予測モデルの構築

• Project Area: Synthetic biology for the comprehension of biomolecular networks
• Project/Area Number: 26119702
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• 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): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2015: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2014: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 遺伝子発現 / 人工回路 / 大腸菌 / ゲノム

Outline of Annual Research Achievements

遺伝子回路の正確な制御は、生物工学の中心的課題の一つである。遺伝子発現レベルの予測に必要な情報と方法論がまだ完全でない。工学的応用においては、天然な遺伝子回路が複雑で予測不可能であるため、既知の分子機構による人工的遺伝子回路の構築が一般的に採用されている。しかし、これらの遺伝子回路は生きた細胞のなかで働くので、遺伝子発現の制御機構以外にいくつかの制約が依然として存在している。そのうちの1つは、ゲノムの位相構造である。遺伝子発現量がプロモーター強度だけではなく、ゲノム構造にも部分的に影響されている。つまり、転写因子といった遺伝子発現に関わる制御因子が染色体へのアクセシビリティがその遺伝子の染色体上の位置と関係する。そのため、大腸菌ベースに、ゲノム位置のみに依存し、遺伝子発現レベルが複製開始点までの距離との単純化した定量的関係に焦点を当てた実験を実施した。その結果、遺伝子の染色体位置からゲノム複製開始点までの距離で規格化された遺伝子発現の単純な計算方式を決定した。この評価は遺伝子発現能力のゲノム位置の効果を表す一般的な式となり、指数期のゲノム複製モデルを支持するものである。それに関連して、2つ目に考えられる要素は遺伝子発現ノイズの影響である。同じ実験系を用いて、遺伝子発現のノイズを評価したところ、全体的に天然な遺伝子回路より人工回路の発現ノイズが小さい傾向にある。これらの成果が理論的なシミュレーションと遺伝子工学的構築に指針を与えることを期待できる。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] The Escherichia coli transcriptome linked to growth fitness (2016)
  • Author(s): BW Ying, K Yama, K Kitahara, T Yomo
  • Journal Title: Genomics Data Volume: 7 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1016/j.gdata.2015.11.011
  • NAID: 120007135353
  • 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] Molecular Clock of Neutral Mutations in a Fitness-Increasing Evolutionary Process (2015)
  • Author(s): Kishimoto T, Ying BW, Tsuru S, Iijima L, Suzuki S, Hashimoto T, Oyake A, Kobayashi H, Someya Y, Narisawa D, Yomo T
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 11(7) Issue: 7 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1005392
  • NAID: 120007136182
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evolutionary Consequence of a Trade-Off between Growth and Maintenance along with Ribosomal Damages (2015)
  • Author(s): Ying BW, Honda T, Tsuru S, Seno S, Matsuda H, Kazuta Y, Yomo T
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 10(8) Issue: 8 Pages: e0135639-e0135639
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0135639
  • NAID: 120007136183
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional specialization in regulation and quality control in thermal adaptive evolution (2015)
  • Author(s): K Yama, Y Matsumoto, Y Murakami, S Seno, H Matsuda, K Gotoh, D Motooka, S Nakamura, BW Ying, T Yomo
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 20 Issue: 11 Pages: 943-955
  • DOI: 10.1111/gtc.12298
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bacterial transcriptome reorganization in thermal adaptive evolution (2015)
  • Author(s): B-W. Ying, Y. Matsumoto, K. Kitahara, S. Suzuki, N. Ono, C. Furusawa, T. Kishimoto, T. Yomo
  • Journal Title: BMC Genomics Volume: 16 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1186/s12864-015-1999-x
  • NAID: 120007136181
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 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] 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 Pages: 757-758
  • Peer Reviewed
• [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
• [Presentation] Connecting bacterial growth with genome and transcriptome (2016)
  • Author(s): BW Ying
  • Organizer: International workshop on Synthetic Biology and Systems Biology of Microbes"
  • Place of Presentation: 奈良先端技術大学院大学（奈良県生駒市）
  • Year and Date: 2016-03-17
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] An evolutionary trade-off between growth and sustainability accompaniedby ribosomal damages (2016)
  • Author(s): Ying BW, Honda T, Tsuru S, Seno S, Matsuda H, Kazuta Y, Yomo T
  • Organizer: 日本ゲノム微生物学会第10回大会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] 大腸菌広域欠失株の増殖に対する数理的評価 (2016)
  • Author(s): 黒川真臣、瀬尾茂人、松田秀雄、イン ベイウェン
  • Organizer: 日本ゲノム微生物学会第10回大会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] Survival strategies learned from bacterial cells in laboratory (2015)
  • Author(s): BW Ying
  • Organizer: 2015 JSBi SIG Bio-Systems Theory Workshop
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学（東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-11-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 実験進化による極少栄養下で生きる大腸菌の創出 (2015)
  • Author(s): イン ベイウェン、本田朋也、四方哲也
  • Organizer: 日本宇宙生物科学会第29回大会
  • Place of Presentation: 帝京大学（東京都板橋区）
  • Year and Date: 2015-09-26