Temporal coding of single cell signal transduction

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03979
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 黒田 真也 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50273850)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 眞鍋 康子 東京都立大学, 人間健康科学研究科, 准教授 (60467412)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 1細胞 / 情報理論 / 細胞間変動 / 細胞内変動

Outline of Annual Research Achievements

基盤A実績報告書18H03979

さまざまな細胞機能や疾患発症に関わるシグナル伝達は、細胞機能の情報を一過性や持続性、周期性などの時間パターンにコードすること（時間情報コード）により多彩な生理機能を制御する。本研究では、生体内において1細胞レベルでのシグナル伝達の時間情報コードを解析する。
生物は、細胞応答の不均一性が大きくても、環境に頑健に適応することができる。細胞ごとのばらつきは、従来正確な情報伝達を妨げるノイズと見なされてきた。本研究では、1細胞ごとに刺激に対する応答を情報理論解析することにより、細胞ごとの応答のばらつきが存在することによって、細胞の集まりである組織の応答をより正確に制御することが可能となるということを明らかにした。具体的には、マウス骨格筋系培養細胞C2C12や単離筋線維に対して反復して刺激を加えることにより細胞内変動と細胞間変動を分けて計測することに成功した。そして、多細胞の応答を足し合わせて組織としての応答を考えた場合に、細胞間変動によって刺激強度の違いを細かく区別できるようになるために却ってかえって正確な応答制御が可能になっていることが明らかにした。これは、細胞ごとのばらつきが多細胞の用量反応の緩やかさを増し（応答多様性効果）、情報伝達の精度を向上させることnによるものであることを見出した。この「応答多様性効果」は、多細胞生物が細胞間変動をノイズではなく情報として活用するための新しいメカニズムである。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Optogenetic decoding of Akt2-regulated metabolic signaling pathways in skeletal muscle cells using transomics analysis (2023)
  • Author(s): Kawamura Genki、Kokaji Toshiya、Kawata Kentaro、Sekine Yuka、Suzuki Yutaka、Soga Tomoyoshi、Ueda Yoshibumi、Endo Mizuki、Kuroda Shinya、Ozawa Takeaki
  • Journal Title: Science Signaling Volume: 16 Pages: 773
  • DOI: 10.1126/scisignal.abn0782
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Features extracted using tensor decomposition reflect the biological features of the temporal patterns of human blood multimodal metabolome (2023)
  • Author(s): Fujita Suguru、Karasawa Yasuaki、Hironaka Ken-ichi、Taguchi Y.-h.、Kuroda Shinya
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Pages: e0281594
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0281594
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vivo transomic analyses of glucose-responsive metabolism in skeletal muscle reveal core differences between the healthy and obese states (2022)
  • Author(s): Kokaji, T., Eto, M., Hatano, A., Yugi, K., Morita, K., Ohno, S., Fujii, M., Hironaka, K., Ito, Y., Egami, R., Uematsu, S., Terakawa, A., Pan, Y., Maehara, H., Li, D., Bai, Y., Tsuchiya, T., Ozaki, H., Inoue, H., Kubota, H., Suzuki, Y., Hirayama, A., Soga, T., Kuroda, S.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: 13719
  • DOI: 10.1038/s41598-022-17964-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Trans-omics analysis of insulin action reveals a cell growth subnetwork which co-regulates anabolic processes (2022)
  • Author(s): Terakawa Akira、Hu Yanhui、Kokaji Toshiya、Yugi Katsuyuki、Morita Keigo、Ohno Satoshi、Pan Yifei、Bai Yunfan、Parkhitko Andrey A.、Ni Xiaochun、Asara John M.、Bulyk Martha L.、Perrimon Norbert、Kuroda Shinya
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Pages: 104231
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104231
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantitative metabolic fluxes regulated by trans-omic networks (2022)
  • Author(s): Ohno Satoshi、Uematsu Saori、Kuroda Shinya
  • Journal Title: Biochemical Journal Volume: 479 Pages: 787～804
  • DOI: 10.1042/BCJ20210596
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multi-omics-based label-free metabolic flux inference reveals obesity-associated dysregulatory mechanisms in liver glucose metabolism (2022)
  • Author(s): Uematsu Saori、Ohno Satoshi、Tanaka Kaori Y.、Hatano Atsushi、Kokaji Toshiya、Ito Yuki、Kubota Hiroyuki、Hironaka Ken-ichi、Suzuki Yutaka、Matsumoto Masaki、Nakayama Keiichi I.、Hirayama Akiyoshi、Soga Tomoyoshi、Kuroda Shinya
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Pages: 103787
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.103787
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Four features of temporal patterns characterize similarity among individuals and molecules by glucose ingestion in humans (2022)
  • Author(s): Fujita Suguru、Karasawa Yasuaki、Fujii Masashi、Hironaka Ken-ichi、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Inoue Hiroshi、Sumitomo Yohei、Hirayama Akiyoshi、Soga Tomoyoshi、Kuroda Shinya
  • Journal Title: npj Systems Biology and Applications Volume: 8(6) Pages: 1-16
  • DOI: 10.1038/s41540-022-00213-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fat Induces Glucose Metabolism in Nontransformed Liver Cells and Promotes Liver Tumorigenesis (2021)
  • Author(s): Broadfield Lindsay A.、Duarte Joao Andre Goncalves、Schmieder Roberta、Broekaert Dorien、Veys Koen、Planque Melanie、Vriens Kim、Karasawa Yasuaki、Napolitano Francesco、Fujita Suguru、Fujii Masashi、Eto Miki、et al.
  • Journal Title: Cancer Research Volume: 81 Pages: 1988～2001
  • DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-20-1954
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Trans-omic analysis reveals obesity-associated dysregulation of inter-organ metabolic cycles between the liver and skeletal muscle (2021)
  • Author(s): Egami, R., Kokaji, T., Hatano, A., Yugi, K., Eto, M., Morita, K., Ohno, S., Fujii, M., Hironaka, K., Uematsu, S., Terakawa, A., Bai, Y., Pan, Y., Tsuchiya, T., Ozaki, H., Inoue, H., Uda, S., Kubota, H., Suzuki, Y., Matsumoto, M., Nakayama, K., Hirayama, A., Soga, T., Kuroda, S.
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Pages: 102217
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102217
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Transomic network analysis of glucose metabolism and its dysfunction associated with obesity (2022)
  • Author(s): Shinya Kuroda
  • Organizer: The 21th International Conference on Systems Biology (ICSB) 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The roles of inter- and intra-cellular variations in cellular information transfer (2022)
  • Author(s): Shinya Kuroda
  • Organizer: Workshop on Non-equilibrium Phenomena in Physics and Biology (NE-PB2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Systems Biology of Insulin Action (2022)
  • Author(s): Shinya Kuroda
  • Organizer: Biomedical Mathematics Online Colloquium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 骨格筋のシステムバイオロジー：代謝トランスオミクスと情報誌論解析 (2022)
  • Author(s): 黒田 真也
  • Organizer: 第9回骨格筋生物学研究会
  • Invited
• [Presentation] インスリン作用のトランスオミクスネットワーク (2021)
  • Author(s): 黒田 真也
  • Organizer: 第64回日本糖尿病学会年次学術集会The 64th Annual Meeting of the Japan Diabetes Society
• [Presentation] トランスオミクスによる肝臓での糖応答システムの解析 (2021)
  • Author(s): 黒田 真也
  • Organizer: 第94回日本内分泌学会学術集会The 94th Annual Congress of the Japan Endocrine Society