細胞に学ぶ環境の違いを感知する応答ネットワークの網羅的解析

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K20382
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 藤井 雅史 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 助教 (30725750)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 生命システムの情報伝達 / シミュレーション / ネットワーク / 進化

Outline of Annual Research Achievements

2021年度は、自発的なネットワーク構造を形成するシステムの情報伝達について研究した。
各要素の状態に応じて要素間の結合が変化する多素子離散力学系について、ネットワークの動的な構造変化と階層構造の形成に着目した研究においては、各要素のダイナミクスと結合の変化規則が非常に単純にも関わらず、ペースメーカーを含む多階層構造や部分的なサブネットワークからなる構造、時間的にペースメーカーが切り替わる構造など、多様なネットワーク構造を示すことを明らかにした（Ohara et al. J. Phys. Soc. Jpn (2020)）。
また、電気刺激に対する1細胞レベルでのカルシウム応答の情報伝達の定量評価に成功し、1細胞レベルでのノイズと集団レベルでの個体差との切り分けを定量的に示すことができた（Wada et al. Cell Rep. (2020)）
一方で、生体内における生化学反応ネットワークの解析にも着手し、外部刺激に対する生体内分子の動的かつ網羅的な応答データから、実効的なネットワークや疾患特異的なネットワークなどにおける応答性の分類についても明らかにした（Hoshino et al. iScience (2020), Kokaji et al. Sci. Signal. (2020), Egami et al. iScience (2020)）。
また、これらの研究成果がベースとなり、他の数値計算手法のブラッシュアップにもつながっており、成果が多分野に波及している(Aoki et al. J. Mol. Biol. (2020), Broadfield et al. Cancer Research (2020), Matsuda et al. Qunatitative Biol. (2020)など)。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要でも示したとおり、動的な構造変化に伴う自発的なネットワーク形成の多様性および生体内での情報伝達・ネットワーク構造の両面から、本研究の目的である様々な生化学反応ネットワークの情報伝達特性の解明に向けて順調に進んでいると考える。

Strategy for Future Research Activity

自発的なネットワーク構造形成と情報伝達特性の関連においては順調に進んでおり、また、実際の生命システムにおける実効的なネットワーク特性についても成果が出始めている。今後は進化という観点で情報伝達特性を最適化するネットワーク構造と実際の生命システムにおけるネットワークの比較検討を行なっていきたい。また、得られた成果は随時学会や論文誌において発表し、議論しながら進めていく。

Causes of Carryover

ソフトウェア契約が令和3年度にズレ込んだため。令和3年度に使用予定。

Research Products

• [Journal Article] Trans-omic analysis reveals obesity-associated dysregulation of inter-organ metabolic cycles between the liver and skeletal muscle (2021)
  • Author(s): R. Egami, T. Kokaji, A. Hatano, K. Yugi, M. Eto, K. Morita, S. Ohno, M. Fujii, K. Hironaka, S. Uematsu, A. Terakawa, Y. Bai, Y. Pan, T. Tsuchiya, H. Ozaki, H. Inoue, S. Uda, H. Kubota, Y. Suzuki, M. Matsumoto, K.I. Nakayama, A. Hirayama, T. Soga, S. Kuroda
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Pages: 102217～102217
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102217
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fat Induces Glucose Metabolism in Nontransformed Liver Cells and Promotes Liver Tumorigenesis (2021)
  • Author(s): L. A. Broadfield, J. A. G. Duarte, R. Schmieder, D. Broekaert, K. Veys, M. Planque, K. Vriens, Y. Karasawa, F. Napolitano, S. Fujita, M. Fujii, M. Eto, B. Holvoet, R. Vangoitsenhoven, J. Fernandez-Garcia, J. van Elsen, J. Dehairs, J. Zeng, J. Dooley, R. Alba Rubio, J. van Pelt et al.
  • Journal Title: Cancer Research Volume: 81 Pages: 1988～2001
  • DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-20-1954
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrasensitive Change in Nucleosome Binding by Multiple Phosphorylations to the Intrinsically Disordered Region of the Histone Chaperone FACT (2020)
  • Author(s): D. Aoki, A. Awazu, M. Fujii, J. Uewaki, M. Hashimoto, N. Tochio, T. Umehara, S. Tate
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology Volume: 432 Pages: 4637～4657
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2020.06.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monitoring and mathematical modeling of mitochondrial ATP in myotubes at single-cell level reveals two distinct population with different kinetics (2020)
  • Author(s): N. Matsuda, K. Hironaka, M. Fujii, T. Wada, K. Kunida, H. Inoue, M. Eto, D. Hoshino, Y. Furuichi, Y. Manabe, N. L. Fujii, H. Noji, H. Imamura, S. Kuroda
  • Journal Title: Quantitative Biology Volume: 8 Pages: 228～237
  • DOI: 10.1007/s40484-020-0211-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-Cell Information Analysis Reveals That Skeletal Muscles Incorporate Cell-to-Cell Variability as Information Not Noise (2020)
  • Author(s): T. Wada, K. Hironaka, M. Wataya, M. Fujii, M. Eto, S. Uda, D. Hoshino, K. Kunida, H. Inoue, H. Kubota, T. Takizawa, Y. Karasawa, H. Nakatomi, N. Saito, H. Hamaguchi, Y. Furuichi, Y. Manabe, N. L. Fujii, S. Kuroda
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 32 Pages: 108051～108051
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.108051
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Trans-omic Analysis Reveals ROS-Dependent Pentose Phosphate Pathway Activation after High-Frequency Electrical Stimulation in C2C12 Myotubes (2020)
  • Author(s): D. Hoshino, K. Kawata, K. Kunida, A. Hatano, K. Yugi, T. Wada, M. Fujii, T. Sano, Y. Furuichi, Y. Manabe, Y. Suzuki, N. L. Fujii, T. Soga, S. Kuroda
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Pages: 101558～101558
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101558
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spontaneous Organizations of Diverse Network Structures in Coupled Logistic Maps with a Delayed Connection Change (2020)
  • Author(s): A. Ohara, M. Fujii, A. Awazu
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 114801～114801
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.114801
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transomics analysis reveals allosteric and gene regulation axes for altered hepatic glucose-responsive metabolism in obesity (2020)
  • Author(s): T. Kokaji, A. Hatano, Y. Ito, K. Yugi, M. Eto, S. Ohno, M. Fujii, K. Hironaka, R. Egami, H. Inoue, S. Uda, H. Kubota, Y. Suzuki, K. Ikeda, M. Arita, M. Matsumoto, K. I. Nakayama, A. Hirayama, T. Soga, S. Kuroda
  • Journal Title: Science Signaling Volume: 13 Pages: eaaz1236
  • DOI: 10.1126/scisignal.aaz1236
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 植物のストレス応答を担う植物ホルモン時空間動態の数理モデル (2020)
  • Author(s): 有本真理子, 藤井雅史, 粟津暁紀
  • Organizer: 日本生物物理学会2020年年会
• [Presentation] 基準振動解析を用いたロドプシンの動態予測と機能の連関 (2020)
  • Author(s): 金重先人, 藤井雅史, 林文夫, 森垣憲一, 山下隼人, 粟津暁紀
  • Organizer: 日本生物物理学会2020年年会
• [Presentation] ArsInsC 及びDNA 反復配列の物理的特性・機能性解析 (2020)
  • Author(s): 小田竜平, 粟津暁紀, 藤井雅史
  • Organizer: 日本生物物理学会2020年年会
• [Presentation] 脳神経系の可塑的結合力学モデルにおける自己組織的ネットワーク (2020)
  • Author(s): 小原有水佳, 藤井雅史, 坂本尚昭, 粟津暁紀
  • Organizer: 日本生物物理学会2020年年会
• [Presentation] ES細胞分化初期における染色体動態 (2020)
  • Author(s): 小本哲史, 藤井雅史, 粟津暁紀
  • Organizer: 日本生物物理学会2020年年会
• [Presentation] 出芽酵母のDNA二本鎖切断時における染色体動態の数理モデル (2020)
  • Author(s): 中畑伸児郎, 藤井雅史, 粟津暁紀
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ArsInsC 及びDNA 反復配列の物理的特性・機能性解析 (2020)
  • Author(s): 小田竜平, 藤井雅史, 坂本尚昭, 粟津暁紀
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 動的・可塑的結合logistic写像系におけるネットワーク構造の自己組織化 (2020)
  • Author(s): 小原有水佳, 藤井雅史, 粟津暁紀
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] マウスES細胞のドメイン変化による染色体動態制御のモデル (2020)
  • Author(s): 小本哲史, 藤井雅史, 粟津暁紀
  • Organizer: 第38回染色体ワークショップ
• [Presentation] 出芽酵母DNA二本鎖切断時における染色体動態数理モデル (2020)
  • Author(s): 中畑伸児郎, 藤井雅史, 粟津暁紀
  • Organizer: 第38回染色体ワークショップ
• [Remarks] 所属研究機関の研究者総覧
  • URL: http://seeds.office.hiroshima-u.ac.jp/profile/ja.97d67139c50ee1b6520e17560c007669.html
• [Remarks] 研究代表者の個人ホームページ
  • URL: https://home.hiroshima-u.ac.jp/~mafujii/publications/