Understanding of cell signaling with information physics
| Project Area | Information physics of living matters |
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| Project/Area Number |
19H05798
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences |
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Principal Investigator |
青木 一洋 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 教授 (80511427)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松岡 里実 大阪大学, 生命機能研究科, 助教 (00569733)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥161,720,000 (Direct Cost: ¥124,400,000、Indirect Cost: ¥37,320,000)
Fiscal Year 2021: ¥29,510,000 (Direct Cost: ¥22,700,000、Indirect Cost: ¥6,810,000)
Fiscal Year 2020: ¥32,760,000 (Direct Cost: ¥25,200,000、Indirect Cost: ¥7,560,000)
Fiscal Year 2019: ¥36,010,000 (Direct Cost: ¥27,700,000、Indirect Cost: ¥8,310,000)
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| Keywords | 情報理論 / 細胞内情報伝達 / FRETイメージング / １分子イメージング / EGF / EGFR / ERK / 情報量 / 1分子イメージング / FRET |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は「真核生物の細胞内情報伝達系の情報処理特性を明らかにする」ことを目的とする。「リガンド-受容体-細胞内情報伝達系における情報の流れの特徴化と定量化」、「多様なリガンドの細胞内情報伝達系による符号化原理」、「細胞内情報伝達系の不均一性と細胞機能の情報の物理学」の３つの具体的な課題を通じて、分子から細胞までの階層における「細胞内情報伝達系の情報の物理学」の展開を目指す。情報処理のコストと限界を明らかにし、細胞内情報伝達系の設計原理といった既存の研究を超える根源的かつ生物学的にも重要な問いに挑戦する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究のテーマは真核生物の細胞内情報伝達系の情報処理特性である。真核生物の細胞内情報伝達系について、情報伝達分子や反応のネットワークの全体像が明らかになりつつある。一方で、既存の研究のフレームワークでは理解できない細胞内情報伝達系の問題も数多く残されており、情報・通信の分野で研究されてきた情報理論を用いたアプローチによる解決が期待されてきた。しかし、従来の情報理論からの帰結と細胞・分子生物学の知見との間にはいまだに大きなギャップが存在しており、生物学者の直観とは乖離していることが多い。本研究では、分子から細胞にわたる情報処理特性を情報という視点から解析することで、既存の生物学にはない情報量という物理量を定量化する。このような独自のアプローチにより、情報伝達系の設計原理を明らかにする。
本年度は、(1)リガンド-受容体-細胞内情報伝達系における情報の流れの特徴化と定量化と、(2)多様なリガンドの細胞内情報伝達系による符号化原理、の２つのテーマに関しては解析を進めた。(1)に関しては、リガンドとしてEGF、受容体としてEGFRの間に流れる情報量の定量化を1分子イメージングで行うための実験系の構築を行った。内在性EGFRを発現しないCHO細胞に、薬剤誘導的にEGFR-HaloTagを発現する細胞株を樹立した。さらに、ERKのFRETバイオセンサーを発現する株を樹立し、EGF刺激によるERKへの情報量の伝達を定量化した。(2)に関しては、GPCRの下流シグナルであるcAMP, Ca, ERK, RhoAの時系列を効率よく定量化する実験系を樹立した。現在、40種類ものGPCRをリガンド刺激したときの下流シグナルを定量化し、解析を行っている。
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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
(1)リガンド-受容体-細胞内情報伝達系における情報の流れの特徴化と定量化と、(2)多様なリガンドの細胞内情報伝達系による符号化原理、の２つのテーマを本年度は進めたが、いずれも予定通り進捗している。また同じ伊藤創祐さんとの共同研究も順調に進んでいる。これらの結果を鑑み、本年度はおおむね順調に進展したと結論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は引き続き、(1)リガンド-受容体-細胞内情報伝達系における情報の流れの特徴化と定量化と、(2)多様なリガンドの細胞内情報伝達系による符号化原理、の２つのテーマを中心に進める。(1)に関しては、分担研究者の松岡が1分子イメージングの顕微鏡系を構築中であり、来年度中に画像の取得と定量化を行う。(2)に関しては、GPCRの下流の時系列情報から、細胞がどれくらいのリガンドの種類や濃度といった情報を取得できているのかを情報量により見積もることを検討する。
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
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[Journal Article] Engineering orthogonal, plasma membrane-specific SLIPT systems for multiplexed chemical control of signaling pathways in living single cells2020
Author(s)
Akinobu Nakamura, Choji Oki, Kenya Kato, Satoko Fujinuma, Gembu Maryu, Keiko Kuwata, Tatsuyuki Yoshii, Michiyuki Matsuda, Kazuhiro Aoki, Shinya Tsukiji
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Journal Title
ACS Chemical Biology
Volume: 15
Pages: 1004-1015
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Improved secretion of glycoproteins using an N-glycan-restricted passport sequence tag recognized by cargo receptor2020
Author(s)
Yagi H., Yagi-Utsumi M., Honda R., Ohta Y., Saito T., Nishio M., Ninagawa S., Suzuki K., Anzai T., Kamiya Y., Aoki K., Nakanishi M., Satoh T., Kato K.
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 11
Pages: 1368-1368
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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