2017 Fiscal Year Annual Research Report
多様な選択圧下での大腸菌進化実験による揺らぎ－応答関係の定量解析
| Project Area | Evolutionary theory for constrained and directional diversities |
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| Project/Area Number |
17H06389
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
古澤 力 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (00372631)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
若本 祐一 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30517884)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 進化実験 / 大腸菌 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
進化の過程における表現型変化は任意の方向に起こるのではなく、そこには明確な制約と方向性が存在する。この進化過程における制約と方向性の問題に関し、物理学を背景とした理論構築が試みられ、同一遺伝子型個体の間の表現型の揺らぎの大きさと、その進化速度に比例関係があることが予測されてきた。そこで本研究では、大腸菌進化実験と理論解析を用いることにより、表現型変化の制約と方向性の存在を定量的に明らかにすることを目的としている。
これまでに、申請者が開発したラボオートメーションを用いた全自動の進化実験システムを用いて得られた、酸・アルカリ・界面活性剤・抗生物質などのストレスに対する耐性大腸菌について、マイクロアレイを用いたトランスクリプトーム解析と、超並列シーケンサを用いたゲノム変異解析が完了している。また蛍光顕微鏡を用いて、ハイスループットに遺伝子発現量の揺らぎを解析する系を立ち上げた。さらに、大腸菌の1遺伝子破壊株ライブラリを用い、さまざまに異なる遺伝子型から開始した系統的な進化実験系を立ち上げ、適応度地形が持つ統計的な性質を解析した。
こうした実験研究に加えて、細胞モデルの進化シミュレーションにより、進化後の細胞では、表現型が変化できる領域が低次元に拘束されることを確認した。この現象は、遺伝子発現制御などの細胞内のダイナミクスにおいて、進化による選択の結果として、遅く緩和する少数のモードが生成されることで説明される。さらに、この低次元に拘束をされた表現型変化において、揺らぎ応答関係が広い範囲で成り立つことが見出された。この結果は、表現型進化における制約が出現するメカニズムを理論的に明らかにしたもので、同時に揺らぎ応答進化理論が成り立つ条件を示している。
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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
本研究の目的は、理論研究によって予測された、進化の方向性と表現型揺らぎの相関を明らかにすることにある。この問題に対して、様々なストレス耐性株において交差耐性・交差感受性が多くの組み合わせで見出され、表現型変化が比較的低次元の状態空間に拘束されていることが示唆された。この結果は、大腸菌の進化実化によって、進化過程がどのように拘束されているかを定量的に解析可能であることを示しているとともに、今後の表現型揺らぎとの相関を解析する上で、その基礎となる知見である。すでに立ち上げを完了している遺伝子発現揺らぎの解析系と統合し、進化過程の拘束と揺らぎの相関を探索する基盤が構築できている。大腸菌の1遺伝子破壊株ライブラリを用いた進化実験系において、機器トラブルにより予定していた実験が完了できなかったが、全体として研究は順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、大腸菌進化実験の解析を進展させるとともに、遺伝子発現揺らぎの系統的な定量を行う。進化実験での表現型変化の大きさと、遺伝子発現揺らぎの関係を解析し、その背後にある性質を明らかにする。また、進化実験によって同定された突然変異を親株ゲノムに導入し、その表現型変化を定量することにより、進化過程の拘束がどのような遺伝的背景を持つか明らかにする。
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