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シグナル伝達系におけるゆらぎの生成と伝搬の少数性生物学

公募研究

研究領域少数性生物学―個と多数の狭間が織りなす生命現象の探求―
研究課題/領域番号 26115722
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 生物系
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

柴田 達夫  国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, チームリーダー (10359888)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
2015年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2014年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
キーワード少数性 / ゆらぎ / ノイズ
研究実績の概要

本研究では、シグナル伝達系におけるノイズの生成・伝搬の解明を目指して、以下の2課題を並行して進めた。
1. 適応現象のノイズと応答の関係に取り組んだ。適応は、環境の刺激に応答を示した後に、元の状態に戻ろうとする現象で、大腸菌の走化性や酵母の浸透圧応答などに見られる。完全な適応は、incoherent feedforward loop (iFFL)とnegative feedback loop (nFBL)の2種類のネットワーク回路によって実現されうることが知られている。数理モデルにおいて、これらの回路に刺激を与え、それに対する応答と適応に内在するノイズを定量した。理論的および数値的な解析から、次のことが分かった。a) iFFLとnFBLの両方について、また適応が完全な場合と不完全な場合のいずれでも、応答の大きさは内在ノイズの大きさに制限される。b) 多くのパラメータ条件に対して、nFBLの方が一般に大きな応答を示す。一方、完全な適応を実現する上では、iFFLの方がよりロバストである。c) 適応に内在するノイズ(intrinsic noise)に比べて、環境刺激に含まれるノイズ(extrinsic noise)の影響は小さい。今回得た結果は、適応現象を示す実際の細胞のシグナル回路にiFFLよりもnFBLが多いことの1つの説明になるかもしれない。
2. 細胞性粘菌を用いて、走化性に重要な役割を果たすイノシトールリン脂質シグナルのノイズの可視化に取り組んだ。このために、2重レポータイメージングという新しいノイズの可視化手法を開発した。これをPTENの反応にともなうintrinsic noiseと、PTENの上流のシグナルで生成し伝搬するノイズ(extrinsic noise)を精密に分けて定量することができた。現在さらにその動態の解析を進めている。2重レポータイメージングは、PTEN以外にも様々なシグナル伝達に応用可能なノイズ可視化手法であると考えられ、今後の発展が期待される。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2016 2015 2014

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 謝辞記載あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Bifurcation analysis of a self-organizing signaling system for eukaryotic chemotaxis2015

    • 著者名/発表者名
      Naotoshi Nakamura, Tatsuo Shibata
    • 雑誌名

      Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics

      巻: 32 号: 3 ページ: 807-828

    • DOI

      10.1007/s13160-015-0185-5

    • NAID

      210000170229

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Cell Chirality Induces Collective Cell Migration in Epithelial Sheets2015

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiko Sato, Tetsuya Hiraiwa, and Tatsuo Shibata
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 115 号: 18 ページ: 188102-188102

    • DOI

      10.1103/physrevlett.115.188102

    • NAID

      120005674074

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Adaptive Responses Limited by Intrinsic Noise2015

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Shankar, Masatoshi Nishikawa, Tatsuo Shibata
    • 雑誌名

      PLoS One

      巻: 10 号: 8 ページ: e0136095-e0136095

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0136095

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] ゆらぎの伴うシグナル伝達系による走化性細胞のロバストな勾配センシング2014

    • 著者名/発表者名
      柴田達夫, 西川正俊, 上田昌宏
    • 雑誌名

      細胞工学

      巻: 33 ページ: 592-597

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Numerical bifurcation analysis of a self-organizing signaling system for chemotaxi2016

    • 著者名/発表者名
      中村直俊
    • 学会等名
      理研シンポジウム「細胞システムの動態と理論Ⅶ」
    • 発表場所
      理化学研究所本所・埼玉県・和光
    • 年月日
      2016-04-02
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Bifurcation analysis of a self-organizing signaling system for eukaryotic chemotaxi2015

    • 著者名/発表者名
      中村直俊
    • 学会等名
      International Conference on Mathematical Modeling and Applications 2015
    • 発表場所
      明治大学中野キャンパス・東京都・中野
    • 年月日
      2015-10-26
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Bifurcation analysis of spontaneous cell asymmetry formation for eukaryotic chemotaxis2015

    • 著者名/発表者名
      柴田達夫
    • 学会等名
      International Conference on Mathematical Modeling and Applications 2015
    • 発表場所
      明治大学中野キャンパス・東京都・中野
    • 年月日
      2015-10-26
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Gain is limited by Noise in Adaptation Networks2015

    • 著者名/発表者名
      Shankar Prabhat
    • 学会等名
      QBiC Symposium 2015
    • 発表場所
      理化学研究所 生命システム研究センター (QBiC)・大阪府・吹田市
    • 年月日
      2015-08-24
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Gain is limited by Noise in Adaptation Networks2015

    • 著者名/発表者名
      Shankar Prabhat
    • 学会等名
      RIKEN- NCBS joint meeting for theoretical biology
    • 発表場所
      理化学研究所本所・埼玉県・和光
    • 年月日
      2015-04-07
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Spatiotemporal dynamics of intracellular signaling process for eukaryotic chemotaxis2014

    • 著者名/発表者名
      Tatsuo Shibata
    • 学会等名
      The Joint Annual Meeting of the Japanese Society for Mathematical Biology and the Society for Mathematical Biology
    • 発表場所
      大阪国際会議場・大阪府・大阪市
    • 年月日
      2014-07-28
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Numerical bifurcation analysis of a self-organizing signaling system for chemotaxis2014

    • 著者名/発表者名
      中村直俊
    • 学会等名
      理研シンポジウム「細胞システムの動態と論理 Ⅶ」
    • 発表場所
      理化学研究所 本所 埼玉県・和光市
    • 年月日
      2014-04-02
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2014-04-04   更新日: 2018-03-28  

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