遺伝子発現量のゆらぎとストレス環境下における細胞の生存の関係

• Project/Area Number: 14J01376
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 野添 嵩 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 1細胞計測 / 細胞系譜 / 適応度 / 大腸菌 / １細胞計測

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続き、合成生物学的に構築した大腸菌を用いて、生存関連因子の発現状態のゆらぎがストレス環境下での長期的な生存とどのように関わっているか、に関する研究を行った。
（１）抗生物質耐性遺伝子発現株の生存に与える分解タグの影響の評価
生存関連因子のゆらぐ速さを変える目的で作製したタンパク質の分解を促進するペプチドタグをC末端に付加して発現するような蛍光標識ストレプトマイシン耐性遺伝子 (smR) 発現株について、分解タグの有無が集団の生存に与える影響を評価する実験を行った。SmRの分解速度及び合成速度は異なるが、その細胞内濃度の分布が同程度になるような大腸菌株のペアに対して、同じ濃度の抗生物質ストレプトマイシンを投与すると、分解タグが無いものについては生菌数が増えるようなストレプトマイシン濃度であっても、分解タグがある場合は生菌数が減少する、ということが確認され、抗生物質に対する細胞の応答が単に抗生物質耐性を与える酵素の濃度だけで決まっているのではないことが示唆された。
（２）細胞系譜解析による遺伝子発現の意義の評価
1細胞計測によって得られる細胞系譜から、遺伝子発現レベルといった「表現型」と細胞の増えやすさ、生き残りやすさを表す「適応度」の関係を定量する手法を前年度に開発した。この手法の実験における重要性を評価するため、smR発現株のタイムラプス計測結果に適用した。今年度は対照実験としてsmRを発現しない細胞株について、ストレプトマイシンの有無で表現型と適応度の関係はどのように変化するのかも調べた。蛍光蛋白質の時間平均生成率の適応度地形の比較から、smRを持たせない場合は 同じ時間平均生成率であっても適応度の値が落ちたことから、 smRを持たせることの役割が蛍光蛋白質の生成率の適応度地形を維持するという形で現れた可能性が示唆された。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Noise-driven growth rate gain in clonal cellular populations (2016)
  • Author(s): Hashimoto, M., Nozoe, T., Nakaoka, H., Okura, R., Akiyoshi, S., Kaneko, K., Kussell, E., Wakamoto, Y.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 113 Issue: 12 Pages: 3251-3256
  • DOI: 10.1073/pnas.1519412113
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 細胞集団の適応ダイナミクスと細胞状態のゆらぎ (2014)
  • Author(s): 野添嵩、若本祐一
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 65 Pages: 464-465
• [Presentation] Evaluating significance of phenotypic heterogeneity as the effect on selection for individual histories (2016)
  • Author(s): Takashi Nozoe
  • Organizer: Forth Annual Winter Q-bio Meeting
  • Place of Presentation: ホノルル（アメリカ）
  • Year and Date: 2016-02-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-cell statistics to evaluate the significance of cellular state in growing population (2015)
  • Author(s): Takashi Nozoe
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] Single-cell level significance of gene expression level in growing population (2015)
  • Author(s): Takashi Nozoe
  • Organizer: 理研QBiCシンポジウム2015
  • Place of Presentation: 理化学研究所生命システム研究センター (大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-08-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MEASURING FITNESS AND SELECTION STRENGTH IN GROWING BACTERIAL POPULATIONS (2015)
  • Author(s): Nozoe, T., Wakamoto, Y.
  • Organizer: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Baltimore, USA
  • Year and Date: 2015-02-10
• [Presentation] Detecting the selection acting on heterogeneous cell phenotypes without environmental perturbation (2014)
  • Author(s): Nozoe, T., Wakamoto, Y.
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（ 北海道札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-26
• [Presentation] Quantitative evaluation of fitness differences and the strength of selection for coarse-grained historical phenotypes by using lineage trees (2014)
  • Author(s): Nozoe, T., Wakamoto, Y.
  • Organizer: JSMB/SMB 2014
  • Place of Presentation: 大阪国際会議場（ 大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2014-07-29