シグナル伝達ダイナミクスの一細胞計測と数理解析による細胞応答決定メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 19J11040
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分44010:細胞生物学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉澤 亮 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 2020年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 細胞内シグナル伝達 / 一細胞計測 / 一分子計測 / 受容体 / MAPKキナーゼ / アダプタータンパク質 / RAS/MAPK / 1細胞計測 / 1分子計測 / MAP キナーゼ / システム生物学 / シグナル伝達

研究開始時の研究の概要

本研究ではMAPK/ERK, PI3K/AKT経路の上流タンパク質(p52Shc(SHC), Grb2, PI3K)と下流タンパク質 ( ERK, AKT)に着目し、同一細胞内において刺激後の反応の時間変化を同時計測する。そして同一細胞内で得られたそれぞれの反応の時間変化の相関性、上流から下流に伝達される情報量を解析する。これらによりMAPK/ERK, PI3K/AKTの二つの経路が、伝達されたシグナルをどのように調節制御し応答を決定しているのかを明らかにする。なお、顕微鏡を用いた実験は理化学研究所・佐甲細胞情報研究室にて行い、すべての実験を申請者自身が実施する。

研究実績の概要

本研究は、細胞内におけるERRB/HERシグナル伝達ネットワークを時空間的に解析することで、ネットワーク内のシグナル伝達タンパク質の関係性を明らかにすることを目的とした。その中でも主要な経路であるRAS/MAPK、PI3K/AKT経路に着目して、それぞれの上流タンパク質(SHC、GRB2、PI3K)、下流タンパク質 (ERK、AKT)を細胞内で時空間的に計測して関係性を調べた。
本年度はMAPK/ERK経路とPI3K/AKT経路のタンパク質の経時計測を行い得られたシグナル伝達の時系列データを用いて、どのようにこれらのタンパク質がそれぞれのシグナル伝達ダイナミクスになるのかについて調べ、さらにそれらが細胞応答に与える影響について明らかにした。様々な条件におけるダイナミクスの計測実験から、SHCとERKのダイナミクスには相関関係が見られたが、GRB2とERKのダイナミクスの間には見られなかった。よってSHCの持続的な膜局在化はGRB2シグナル非依存的にERKの持続的な活性化に影響を与えていること考えられた。さらにSHCはPI3Kの活性化にも影響を与えており、そのPI3Kのキナーゼ活性がERKの持続的な活性化に重要な役割を果たしていることが明らかになった。
以上のことから、分化シグナル中におけるRAS/MAPK、PI3K/AKT経路ではそれぞれのタンパク質が固有のシグナル伝達ダイナミクスを示し、細胞に非冗長的な機能をもたらすことが明らかになった。また上流タンパク質間(SHC-GRB2、SHC-PI3K)の相互作用によって下流シグナルの応答量、持続性に影響を与えることが明らかになった。さらにはこれらの反応は細胞応答決定に影響を与え得るものであり、特にSHCのダイナミクス変化は細胞応答決定のバイアスに影響を与え得る重要な役割を持つことが示唆された。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Biphasic spatiotemporal regulation of GRB2 dynamics by p52SHC for transient RAS activation (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshizawa R., Umeki N., Yamamoto A., Murata M., Sako Y.
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 18 号: 0 ページ: 1-12
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.001
  • NAID: 130007981384
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] p52SHC in the cytoplasm negatively regulates GRB2 translocation to the plasma membrane. (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉澤亮、 梅木伸久 、村田昌之 、 佐甲靖志
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] p52ShcはGrb2非依存的にERKの持続的な応答を制御する (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤亮、 梅木伸久、村田昌之、佐甲靖志
  • 学会等名: 第9回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] p52Shc mediates sustained ERK signaling dynamics in a Grb2-independent pathway (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤亮、 梅木伸久、柳川正隆、村田昌之、 佐甲靖志
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」
• [学会発表] p52Shc regulates Grb2 signaling dynamics in a time dependent manner after cell stimulation (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤亮、 梅木伸久、柳川正隆、村田昌之、 佐甲靖志
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会