少数分子世界の細胞情報伝達理論

• Project Area: Spying minority in biological phenomena -Toward bridging dynamics between individual and ensemble processes-
• Project/Area Number: 24115503
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石原 秀至 東京大学, 総合文化研究科, 助教 (10401217)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2013: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2012: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: シグナル伝達系 / 確率過程 / 数理解析 / 情報理論 / 統計学

Research Abstract

細胞の情報処理を理解すべく、シグナル伝達系に対して以下の二つの研究を行った。
①分子間のバラツキ、分子個性がどのような利点を持ちうるかを理論的に考察した。例えばレセプター分子のリガンドへの親和性にバラツキがある場合、ない場合と比べてダイナミックレンジが広がる事、SN比が高くれる事を示した。これらを、異なる情報コーディングの状況、すなわちレセプターへの結合個数による濃度検知方式と、結合と乖離の繰り返しを数える時間的なコーディング(Berg-Percell方式)の二つの状況で調べ、いずれの場合もバラツキがある方が、外界との相互情報量を高めること、つまりノイズ揺らぎを押さえることに寄与することを示した。この結果は、分子のバラツキが実際に役に立ちうる事、バラツキがあるだけで、単純にN倍されない分子の協同的な効果がありうることを意味している。
②細胞性粘菌は集合時にcAMPのスパイラル状の波を生成し、そのシグナルを登って行くが、この動的なシグナル場の検知機構についてはほとんどわかっていなかった。実際、単純な勾配検知型だと細胞は波を登って行く事ができない。中島昭彦博士、澤井哲博士(東京大学総合文化研究科)との共同研究のもと、マイクロフルイディクスによって波のプロファイルを人工的に生成し、周期を変えた実験を行った。このとき、細胞内のRasの応答を同時に観測し、実験結果を説明する数理モデルを与え、解析した。細胞が、シグナルの時間変化への応答と空間勾配への応答をどのように使い分け、統合しているのかを表す表式を得て、これを用いて細胞が周期的シグナルを登れる特長的時間がどのように決定しているかを明らかにした。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Evolution of Genetic Redundancy : The Relevance of Complexity in Genotype-Phenotype Mapping (2014)
  • Author(s): N. Saito, S. Ishihara, and K. Kaneko
  • Journal Title: New J. Physics Volume: accepted
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Baldwin effect under multi-peaked fitness landscapes : Phenotypic fluctuation acceleratesevolutionary rate (2013)
  • Author(s): N. Saito, S. Ishihara, and K. Kaneko
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 87 Issue: 5 Pages: 52701-52701
  • DOI: 10.1103/physreve.87.052701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 1細胞イメージングから見る細胞内シグナルの自己組織化現象 (2013)
  • Author(s): 澤井哲, 石原秀至, 中島昭彦
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 31 Pages: 1217-1223
• [Journal Article] Identifying dynamical systems with bifurcations from noisy partial observation (2013)
  • Author(s): Y. Kondo, K. Kaneko and S. Ishihara
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 87 Issue: 4 Pages: 42716-42716
  • DOI: 10.1103/physreve.87.042716
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase geometries of two-dimensional excitable waves govern self-organized morphodynamics of amoeboid cells (2013)
  • Author(s): D. Taniguchi, S. Ishihara, T. Oonuki, M. Honda-Kitahara, K. Kaneko and S. Sawai
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: Vol. 110, No. 13 Issue: 13 Pages: 5016-5021
  • DOI: 10.1073/pnas.1218025110
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Morphodynamics of migrating cells (2014)
  • Author(s): Shuji Ishihara
  • Organizer: International Workshop on Spatiotemporal Pattern Formation in Biological and Active Matters
  • Place of Presentation: Ochanomizu University (東京都文京区)
  • Invited
• [Presentation] Model of Cell migration with multiple compass variables (2013)
  • Author(s): 石原秀至
  • Organizer: 東大理学部佐野研セミナー
  • Place of Presentation: 東大理学部(東京都文京区)
  • Invited
• [Presentation] Construction of inner-cell dynamics from spatio-temporal data (2013)
  • Author(s): Shuji Ishihara
  • Organizer: NOLTA 2013
  • Place of Presentation: Santa Fe Community Convention Center (New Mexico, USA)
  • Invited
• [Presentation] Estimating inner-cell dynamics from spatio-temporal data (2013)
  • Author(s): 石原秀至
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年かい
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館 (京都市左京区)
  • Invited
• [Presentation] Identifying dynamical systems with bifurcations from single-cell time series (2013)
  • Author(s): 近藤洋平
  • Organizer: The First Annual Winter q-bio Meeting
  • Place of Presentation: Hilton Hawaiian Village in Waikiki, Hawaii, USA
• [Presentation] 変形する細胞の運動とコンパスモデル (2013)
  • Author(s): 石原秀至
  • Organizer: 非線形現象の数値シミュレーションと解析2013
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌、北海道)
• [Presentation] Estimating reaction diffusion equations for signaling dynamics in Dictyostelium (2012)
  • Author(s): 石原秀至
  • Organizer: 次世代情報処理における揺らぎと確率２
  • Place of Presentation: 理化学研究所 和光キャンパス 大河内記念ホール 埼玉県和光市
  • Invited
• [Presentation] Estimating the reaction diffusion equations for phosphatidylinositide waves in Dictyostelium from live cell imaging data (2012)
  • Author(s): S. Ishihara
  • Organizer: BayesComp2012
  • Place of Presentation: 統計数理研究所 (立川市、東京都)