2019 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)
津留 三良 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (80594506)
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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 / ラボオートメーション / 揺らぎ |
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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。それらの大規模データを解析することにより、様々に異なる選択圧の下で得られた大腸菌進化株であるにもかかわらず、遺伝子発現プロファイルや耐性プロファイルといった表現型は少数のパターンに拘束されていることが見出された。さらに、そのデータに基づいて、遺伝子発現プロファイルを低次元に次元圧縮した表現型空間上での適応度地形の推定を行い、この手法により適応度の定量予測が可能であることを確認した。加えて、昨年度までに立ち上げた、蛍光顕微鏡とフローサイトメトリーを用いた遺伝子発現量の揺らぎの解析系を用い、遺伝子発現の揺らぎの大きさと環境変化に対する応答を定量したところ、理論から予測されるように両者の間に正の相関があることを見出した。
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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。これまでに、多様なストレス環境下での進化実験で得られた大腸菌耐性株について、それらの表現型が少数のパターンに拘束されていることが見出されている。さらに、適応度地形の推定に成功し、その情報に基づいた進化軌跡の予測に手が届く段階まで到達している。また、それぞれの遺伝子について、様々な環境変化を与えた場合の短い時間スケールでの変動の大きさと、様々な選択圧の下での表現型進化過程での変動の大きさに、有意な正の相関が見出されている。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し、さらなる理論構築に必要なデータ取得のための基盤が構築できている。予定した研究が進行しているため、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 |
2020年度は、動的に変動する環境での進化実験を用い、進化軌跡の予測を試みる。それを通じて、表現型進化がどのように拘束されているかを定量的に解析し、その拘束を表現するための理論構築を行う。加えて、遺伝子発現揺らぎの系統的な定量を進展させ、揺らぎと拘束の関係について、さらに詳細に解析する。
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