Comprehensive understanding of the micro- and macroscopic relation of cells by Raman spectroscopy

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J22448
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 亀井 健一郎 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: 連動性・量比 / homeostatic core / 増殖・応答 / 低次元 / オミクス / ラマン分光 / グラフ理論 / 線形

Outline of Annual Research Achievements

本年度は（１）構成要素の連動性ないし量比保存の観点から細胞システムを捉えることの生物学的重要性、そして（２）複雑なラマンスペクトルが観察対象の構成要素の連動性を反映する形で変動しているという分光学的知見の二点を主に明らかにした。さらにこれらが生物種や摂動の種類を超えて見られることを明らかにし、一般性があることを確認した。

具体的には、細胞ラマンスペクトルとプロテオームの定量的対応を注意深く観察することで、まず、ラマンスペクトルの低次元空間内配置が構成要素の連動性の観点から捉えられるプロテオームの低次元構造と対応していることを明らかにし、さらにその数理的背景を議論した。つまり上記二点は一つの研究の両輪として同時に明らかになった。プロテオーム低次元構造の中央には（昨年度明らかにし命名した）homeostatic coreがあり、「増殖法則」として知られる経験則と直接関連していた。また周縁部ほど摂動条件依存的な発現パターンを示すタンパク質が位置していた。すなわち、連動性の観点から捉えられたこのプロテオーム粗視描像は、自己複製サイクルを回し続けながらも様々な摂動に応答する細胞システムの振る舞いと相性が良い。

本研究は、ラマン―オミクス対応がなぜ成立するのかという問題に対して、細胞ラマンスペクトルの新規の生物学的解釈を明らかにする形で一定の解答を与えるとともに、細胞構成要素の連動性という概念が細胞にとって本質的である可能性を示すものとなった。ラマンスペクトルが従来とは全く違う形で細胞システムの理解に対して本質的に貢献した事例と位置づけることもできるだろう。本研究で得られた知見が今後細胞システムを支える背景原理に迫るための有効なアプローチとなることを期待している。また、生細胞を対象とした「ライブセルオミクス」等、分光を用いた今後の細胞研究を支える一つの基盤ともなるだろう。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。