骨格筋におけるインスリンシグナル伝達経路の選択的制御機構の解明

• 研究課題/領域番号: 16K19028
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 医化学一般
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学 (2017-2018); 東京大学 (2016)
• 研究代表者: 国田 勝行 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (40709888)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2017年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2016年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: 骨格筋 / インスリンシグナル伝達 / システム生物学 / 情報工学 / ライブセルイメージング / 画像解析 / シグナル伝達 / バイオテクノロジー

研究成果の概要

本研究では、蛍光バイオセンサーが安定発現した骨格筋を用いたライブセルイメージングデータから分化骨格筋領域を自動的に抽出・定量化を行う画像解析システムの開発を行った。複数インスリン濃度で刺激した際のシングルチューブごとのS6K活性（タンパク質合成の制御分子）の応答多様性の定量化を行った（Inoue et al, Cell Struct Funct, 2018）。また応答多様性を定量的に評価する指標として、インスリンからS6K活性間の通信路容量（最大相互情報量）を計算し、情報工学の観点からのインスリンシグナル伝達経路の情報伝送効率の評価を行った（学会発表多数、論文準備中）。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で開発を行った分化骨格筋領域を自動的に抽出・定量化する画像解析システムは、骨格筋を用いた様々なライブセルイメージングデータに適用可能であり、手法としての汎用性は非常に高い。また情報工学の解析方法を用いたシグナル分子の応答多様性の定量化は、新規の細胞間変動のシステム特性の知見であり、システム生物学の研究成果としての学術的意義は高い。本研究対象のインスリンシグナル伝達経路は、糖尿病などの生活習慣病と深い関わりがあり、その動作原理の解明は新薬開発の加速や生活習慣病の予防・治療ヘの貢献が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Automatic Quantitative Segmentation of Myotubes Reveals Single-cell Dynamics of S6 Kinase Activation (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue Haruki、Kunida Katsuyuki、Matsuda Naoki、Hoshino Daisuke、Wada Takumi、Imamura Hiromi、Noji Hiroyuki、Kuroda Shinya
  • 雑誌名: Cell Structure and Function 巻: 43 号: 2 ページ: 153-169
  • DOI: 10.1247/csf.18012
  • NAID: 130007472951
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] System identification of signaling dependent gene expression with different time-scale data (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Takaho、Fujii Masashi、Matsuda Naoki、Kunida Katsuyuki、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Konishi Katsumi、Kuroda Shinya
  • 雑誌名: PLoS Computational Biology 巻: 13 号: 12 ページ: e1005913-e1005913
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005913
  • NAID: 120006555357
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] システム同定に基づく細胞内シグナル伝達機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小西 克巳、藤井 雅史、国田 勝行、宇田 新介、黒田 真也
  • 雑誌名: システム／制御／情報 巻: 61 号: 7 ページ: 259-264
  • DOI: 10.11509/isciesci.61.7_259
  • NAID: 130006309065
  • ISSN: 0916-1600, 2424-1806
• [雑誌論文] 細胞応答計測のためのマイクロ流体制御技術と細胞培養 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木下 晴之、前川 敏郎、国田 勝行、黒田 真也、藤井 輝夫
  • 雑誌名: システム／制御／情報 巻: 61 号: 7 ページ: 253-258
  • DOI: 10.11509/isciesci.61.7_253
  • NAID: 130006309064
  • ISSN: 0916-1600, 2424-1806
• [雑誌論文] Selective control of up-regulated and down-regulated genes by temporal patterns and doses of insulin (2016)
  • 著者名/発表者名: Takanori Sano,* Kentaro Kawata, * Satoshi Ohno,* Katsuyuki Yugi, Hiroaki Kakuda, Hiroyuki Kubota, Shinsuke Uda, Masashi Fujii, Katsuyuki Kunida, Daisuke Hoshino, Atsushi Hatano, Yuki Ito,1 Miharu Sato, Yutaka Suzuki, Shinya Kuroda†
  • 雑誌名: Science Signaling 巻: 9 号: 455
  • DOI: 10.1126/scisignal.aaf3739
  • 査読あり
• [雑誌論文] Robustness of MEK-ERK Dynamics and Origins of Cell-to-Cell Variability in MAPK Signaling (2016)
  • 著者名/発表者名: Filippi, S., Barnes, C. P., Kirk, P. D. W., Kudo, T., Kunida, K., McMahon, S. S., Tsuchiya, T., Wada, T., Kuroda, S., and Stumpf, M. P. H.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 15 号: 11 ページ: 2524-2535
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.05.024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Information transmission of insulin signal transduction based on live-cell sensing and information theoretic approach (2019)
  • 著者名/発表者名: 国田 勝行
  • 学会等名: 定量生物学の会第9回年会
• [学会発表] Frequency Response of Intracellular Signal Transduction Based on Live-Cell Active Sensing and Nonlinear System Identification (2019)
  • 著者名/発表者名: Katsuyuki Kunida
  • 学会等名: BDR symposium 2019
• [学会発表] Information transmission of insulin signal transduction based on live-cell sensing and information theoretic approach (2018)
  • 著者名/発表者名: 国田 勝行
  • 学会等名: 第70回日本細胞生物学会年会
• [学会発表] Frequency Response of Intracellular Signal Transduction Based on Live-Cell Active Sensing and Nonlinear System Identification (2018)
  • 著者名/発表者名: Katsuyuki Kunida
  • 学会等名: SICE Annual Conference 2018
  • 国際学会
• [学会発表] システム制御工学からみた定量生物学への期待と展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行
  • 学会等名: 定量生物学の発展と展開
• [学会発表] ライブセル能動計測と情報理論に基づく骨格筋インスリンシグナル伝達経路の情報伝送 (2017)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行, 宇田新介, 藤井雅史、星野太佑, 和田卓巳, 前川敏郎, 木下晴之, 藤井輝夫, 黒田真也
  • 学会等名: 第5回骨格筋研究会
  • 発表場所: 東京大学駒場キャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2017-03-03
• [学会発表] ライブセル能動計測と情報理論に基づくインスリンシグナル伝達経路の情報伝送 (2017)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行, 宇田新介, 藤井雅史, 星野太佑, 和田卓巳, 黒田真也
  • 学会等名: 定量生物学の会
  • 発表場所: 基礎生物学研究所（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2017-01-07
• [学会発表] 骨格筋におけるインスリン代謝・シグナル伝達経路のシステム生物学 (2017)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行
  • 学会等名: DM(Diabetes Mellitus)フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ流体デバイス入力制御系によるカルシウムシグナリングのシングルセル解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行
  • 学会等名: 第60回自動制御連合講演会
• [学会発表] 電気刺激時C2C12筋管細胞における ミトコンドリアATPのダイナミクスとその応答特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松田直樹
  • 学会等名: 第69回日本細胞生物学会大会
• [学会発表] データ同化とライブセル能動計測による細胞システムのオンライン制御に向けての試み (2016)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行, 黒田真也
  • 学会等名: 第39回日本分子生物学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-11-30
• [学会発表] データ同化とライブセル能動計測による細胞システムのオンライン制御に向けての試み (2016)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行, 黒田真也
  • 学会等名: 第59回自動制御連合講演会
  • 発表場所: 北九州国際会議場（福岡県北九州市）
  • 年月日: 2016-11-09
• [学会発表] 定量的ライブセルイメージングと情報理論に基づくインスリンシグナル伝達経路の情報伝送 (2016)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行, 宇田新介, 藤井雅史, 和田卓巳, 黒田真也
  • 学会等名: 理論と実験2016
  • 発表場所: 広島大学（広島県東広島市）
  • 年月日: 2016-10-06
• [学会発表] 骨格筋におけるインスリン代謝・シグナル伝達経路のオンライン制御に向けての試み (2016)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行
  • 学会等名: 第8回分子骨格筋代謝研究会
  • 発表場所: 京都大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-07-30
  • 招待講演
• [学会発表] データ同化とライブセル能動計測による細胞システムのオンライン制御に向けての試み (2016)
  • 著者名/発表者名: 国田勝行, 黒田真也
  • 学会等名: CREST「生命動態の理解のための基盤技術の創出」研究領域主催 第6回数理デザイン道場
  • 発表場所: 東レ（株）総合研修センター（静岡県三島市）
  • 年月日: 2016-06-13
• [産業財産権] 画像処理装置、画像処理方法、及びプログラム (2017)
  • 発明者名: 黒田真也 井上晴幾 国田勝行
  • 権利者名: 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017