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Understanding of cell signaling with information physics

Planned

Project AreaInformation physics of living matters
Project/Area Number 19H05798
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionCenter for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences

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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松岡 里実  大阪大学, 生命機能研究科, 助教 (00569733)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥161,720,000 (Direct Cost: ¥124,400,000、Indirect Cost: ¥37,320,000)
Fiscal Year 2022: ¥32,500,000 (Direct Cost: ¥25,000,000、Indirect Cost: ¥7,500,000)
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)
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 / 1分子イメージング / EGF / EGFR / ERK / 情報量 / FRET
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。

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。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。また、確率的なERK活性化ダイナミクスにおける情報幾何解析を行い、ERK活性化の熱力学的な考察を行った。(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。さらに、ドーパミンとノルアドレナリンのシグナル伝達を情報理論を用いて解析した。

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。また共同研究も順調に進んでおり、すでに論文を投稿している。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。

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理論により見積もることを検討する。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report

Research Products

(21 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 8 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 9 results)

  • [Journal Article] Visualization and Manipulation of Intracellular Signaling2021

    • Author(s)
      Goto Yuhei、Kondo Yohei、Aoki Kazuhiro
    • Journal Title

      Adv Exp Med Biol.

      Volume: 1 Pages: 225-234

    • DOI

      10.1007/978-981-15-8763-4_13

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] A microtubule‐LUZP1 association around tight junction promotes epithelial cell apical constriction2021

    • Author(s)
      Yano Tomoki、Tsukita Kazuto、Kanoh Hatsuho、Nakayama Shogo、Kashihara Hiroka、Mizuno Tomoaki、Tanaka Hiroo、Matsui Takeshi、Goto Yuhei、Komatsubara Akira、Aoki Kazuhiro、Takahashi Ryosuke、Tamura Atsushi、Tsukita Sachiko
    • Journal Title

      The EMBO Journal

      Volume: 40

    • DOI

      10.15252/embj.2020104712

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] CDCP1 promotes compensatory renal growth by integrating Src and Met signaling2021

    • Author(s)
      Kajiwara Kentaro、Yamano Shotaro、Aoki Kazuhiro、Okuzaki Daisuke、Matsumoto Kunio、Okada Masato
    • Journal Title

      Life Sci Alliance

      Volume: 4 Pages: 202000832-202000832

    • DOI

      10.26508/lsa.202000832

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hierarchical modeling of mechano-chemical dynamics of epithelial sheets across cells and tissue2021

    • Author(s)
      Asakura Yoshifumi、Kondo Yohei、Aoki Kazuhiro、Naoki Honda
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 1-15

    • DOI

      10.1038/s41598-021-83396-6

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Signaling, Deconstructed: Using Optogenetics to Dissect and Direct Information Flow in Biological Systems2021

    • Author(s)
      Farahani Payam E.、Reed Ellen H.、Underhill Evan J.、Aoki Kazuhiro、Toettcher Jared E.
    • Journal Title

      Annual Review of Biomedical Engineering

      Volume: 23

    • DOI

      10.1146/annurev-bioeng-083120-111648

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 3DeeCellTracker, a deep learning-based pipeline for segmenting and tracking cells in 3D time lapse images2021

    • Author(s)
      Wen Chentao、Miura Takuya、Voleti Venkatakaushik、Yamaguchi Kazushi、Tsutsumi Motosuke、Yamamoto Kei、Otomo Kohei、Fujie Yukako、Teramoto Takayuki、Ishihara Takeshi、Aoki Kazuhiro、Nemoto Tomomi、Hillman Elizabeth MC、Kimura Koutarou D
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 10

    • DOI

      10.7554/elife.59187

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Improvement of Phycocyanobilin Synthesis for Genetically Encoded Phytochrome-Based Optogenetics2020

    • Author(s)
      Uda Youichi、Miura Haruko、Goto Yuhei、Yamamoto Kei、Mii Yusuke、Kondo Yohei、Takada Shinji、Aoki Kazuhiro
    • Journal Title

      ACS Chemical Biology

      Volume: 15 Pages: 2896-2906

    • DOI

      10.1021/acschembio.0c00477

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ERK-mediated mechanochemical waves direct collective cell polarization.2020

    • Author(s)
      Hino N, Rossetti L, Marin-Llaurad A, Aoki K, Trepat X, Matsuda M, Hirashima T.
    • Journal Title

      Developmental Cell

      Volume: 53 Pages: 646-660

    • DOI

      10.1016/j.devcel.2020.05.011

    • NAID

      120006876575

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Talin B regulates collective cell migration via PI3K signaling in Dictyostelium discoideum mounds2020

    • Author(s)
      Shin-Ichi Yamazaki, Hidenori Hashimura, Yusuke V. Morimoto, Yukihiro Miyanaga, Satomi Matsuoka, Yoichiro Kamimura, Masahiro Ueda
    • Journal Title

      BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS

      Volume: 525 Pages: 372-377

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2020.02.060

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [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
    • Journal Title

      ACS Chem Biol

      Volume: 15 Pages: 1004-1015

    • DOI

      10.1021/acschembio.0c00024

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [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.
    • Journal Title

      NATURE COMMUNICATIONS

      Volume: 11 Pages: 1368-1368

    • DOI

      10.1038/s41467-020-15192-1

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Single-cell quantification of the concentrations and dissociation constants of endogenous proteins2019

    • Author(s)
      Akira T Komatsubara, Yuhei Goto, Yohei Kondo, Michiyuki Matsuda, Kazuhiro Aoki
    • Journal Title

      THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY

      Volume: 294 Pages: 6062-6072

    • DOI

      10.1074/jbc.ra119.007685

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Visualization and manipulation of cell signaling and cell fates.2020

    • Author(s)
      Kazuhiro Aoki
    • Organizer
      Virtual Workshop: Cell State Transitions: Approaches, Experimental Systems and Models
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 蛍光イメージングを用いた細胞内シグナル伝達系の可視化・定量化・操作2020

    • Author(s)
      青木 一洋
    • Organizer
      NCU Life Science Seminar
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 細胞内シグナル伝達系の可視化、定量化、光操作2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      大阪大学蛋白質研究所セミナー がん研究の新機軸
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Live-cell quantification of the concentration and dissociation constant of endogenous proteins by a combination of CRISPR/Cas9 genome editing and FCS/FCCS.2019

    • Author(s)
      Kazuhiro Aoki
    • Organizer
      Interface between Immunology & Quantitative Biology
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 生細胞イメージングによる細胞内シグナル伝達系の可視化、定量化、操作2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第9回光科学異分野横断萌芽研究会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 生細胞イメージングによるJNK活性の細胞間不均一性と確率的な細胞死の可視化2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第92回日本生化学会大会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 遺伝子技術と生細胞イメージングによる内在性分子濃度と解離定数の定量化2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第60回日本組織細胞化学会総会・学術集会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Visualization and manipulation of cell signaling2019

    • Author(s)
      Kazuhiro Aoki
    • Organizer
      The 2nd NIBB-Princeton Joint Symposium Imaging and Quantitative Biology
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] イメージングによる細胞内シグナル伝達の定量化と操作2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2022-07-01  

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