nins colloquium ゆらぎと生命機能3 第2回nins colloquium 「ゆらぎと生命機能：...

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　第２回NINS Colloquium 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　「ゆらぎと生命機能： Organized randomness」

ゆらぎと生命機能

大阪大学大学院・理学研究科・１分子生物学研究室理化学研究所・生命システム研究センター QBiC

上田昌宏

大阪大學

- Organized randomness -

Self-organization of PIP3/PTEN waves on the membraneof living Dictyostelium cells


生命科学の新しい潮流：生命動態システム科学

要素分析を中心とした生命科学

遺伝子を自在に操る技術体系を実現した。

生化学・分子生物学・構造生物学・遺伝子工学等を用いて、生命を構成する要素分子の分離・同定・機能解析

システムのダイナミクス（動態）の再現と操作を中心とした　　　　　　　　　　　生命科学

超複雑・動的・多次元・超低消費エネル

ギーといった特徴を持つ生命システム

の機能発現ダイナミクスを統合的に理

解し、操作する新しい生命科学

細胞・細胞集団の動態を自在に操る技術体系・概念を創出する。

細胞細胞

分子ネットワーク分子ネットワーク

分子機械分子機械

細胞ネットワーク細胞ネットワーク

Component 1Component 2

Component 3

Growth state

Starved state Differentiated

state

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数万の要素が時空間変動を伴い化学的・力学的に相互作用する超複雑システム

細胞細胞


生体分子生体分子


原子原子

超複雑な生命システム

生命科学の新しい潮流：生命動態システム科学

生命動態システム推進のための駆

動力

超複雑なシステムの時空間動態解析手法の開発・大規模解析手法の開発

定量生物学

時空間情報定量計測

数理モデル構築・ネットワーク解析手法の開発計算機シミュレーション

計算生物学物理生物学

理論・シミュレーション

細胞の操作

細胞動態の予測

化学生物学・合成生物学

構成論的手法による理論の検証

細胞操作技術・細胞合成基盤技術の

開発合成・再構成


分子運動・分子反応の確率性

Complex molecular network (high degrees of freedom)

個々の分子の活性のOn-off

シグナル伝達、遺伝子発現、細胞運動などの機能に影響

Noise-robust organization is required

PTENの細胞内１分子イメージング（生きた粘菌細胞）分子の確率性：　細胞の多様性、柔軟性の源？

生体分子の基本特性　大きさ: 　 ~１０ nm　動作時間: msec ~ sec　エネルギー : kBTオーダー　熱ゆらぎの強い影響下で動作　運動・反応: ランダム・確率的

分子数ゆらぎ (molecular noise )

Complex molecular network (high degrees of freedom)

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遺伝的に均一でも分子数ノイズによる多様性が生まれる


生体分子を素子として階層化されたシステム

確率的にはたらく分子を素子として自律的に組織化・階層化されたシステム『ゆらぎを内包したシステム』

分子

分子ネットワーク

細胞

細胞ネットワーク

多細胞体

（細胞性粘菌Dictyostelium discoideumの階層構造）

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確率的分子情報処理システムのゆらぎ解析

イメージング技術を用いて生命

現象のダイナミックな振る舞いを

計測し、その時間的空間的な動

態変化の解析から、システムの

『決定論的なダイナミクス（平均

的挙動）と確率論的なダイナミク

ス（ゆらぎ）』を明らかにする。

数理モデル

-2000-1500-1000

-5000

500100015002000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

!X

Time (sec)

細胞：確率的にはたらく分子を要素として自律的に組織化・

階層化されたシステム

ゆらぎを内包したシステム

細胞細胞


イメージング

ゆらぎを内包した確率的分子情報処理システムの構築原理と演算原理の解明

分子機械分子機械 ( (１分子１分子))


ゆらぎを考慮したモデル・理論

細胞の自発ゆらぎと応答性細胞の自発ゆらぎと応答性

分子ネットワークの自己組織化分子ネットワークの自己組織化

ノイズ生成・伝搬・処理ノイズ生成・伝搬・処理!

"[PIP3]"t

= R1(PTEN,PIP3,PIP2) + D#2[PIP3]

"[PIP2]"t

= R2(PTEN,PIP3,PIP2) + D#2[PIP2]

"[PTEN]"t

= R2(PTEN,PIP2)

!

dr v (t)dt

= "#r v (t)( )

r v (t) +$r V (t) +%

r v (t)( )&(t)ランジュバン方程式

反応拡散方程式

!

" 2

X 2= g 1

X+ g2 #R

#X + #R

"R2

R2Gain Fluctuation Relation

ゆらぎ探索

選択


細胞性粘菌の生活環

単細胞期

多細胞期Polysphondylium（井上敬さん提供）

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Chemotaxis of Dictyostelium discoideum cells

chemoattractant　： cAMPcell size ：　10 ~ 20 µm

Dictyostelium discoideumの走化性シグナル伝達系

細胞性粘菌の走化性経路 (多形核白血球も同等の経路)

分子数ノイズ（molecular noise）に対してロバスト


input

Ueda et al. Science (2001); Miyanaga et al., (2007)

Cy3-cAMP

Parent & Devreotes, Science (1999)

Crac-GFP

ノイジーな入力とデジタル（ I/O ）的出力

output

(adapted from Kimmel and Parent (2003))

Robustness against molecular noise

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signal processing

(noise-robust mechanisms)

noisy signal inputsinput

digitized output

in a I/O manner

細胞内に濃度勾配情報が生成される

output

イノシトールリン脂質代謝系による濃度勾配情報の生成

Phosphatidylinositol lipids signaling network

(adapted from Kimmel and Parent (2003))

Robustness against molecular noise


イノシトールリン脂質代謝系は PIP3/PTENの局在を制御するPtdIns(3,4,5)P3PtdIns(4,5)P2

membrane

cytosol

PIP3 probe: PHAkt/PKB-EGFPPTEN probe: PTEN-Halo-TMR

Polarity under spontaneous random migration in the absence of chemoattractant

Inhibition ofF-actin poly-merization

Polarity in the absence of chemoattractant and actin cytoskeleton

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イノシトールリン脂質代謝系ダイナミクスの解析

緑: PHAkt/PKB-EGFP (PIP3)赤: PTEN-Halo-TMR (PIP2)


振動的ふるまい

0分0° 360°

Time trajectories of fluorescenceintensities of PH-damain and PTENat the local region on the membrane

autocorrealtion

Cross-correlation

Kymograph

PIP3 probe: PHAkt/PKB-EGFPPTEN probe: PTEN-Halo-TMR

Periodic transition between PH-domain-and PTEN-enriched states.

oscillatory and exclusive

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自己組織化パターンの主たる２つのタイプ

Spatiotemporal auto-correlation and cross-correlation analyses

Traveling wave Standing wave


Kymograph and time trajectories offluorescence intensities of PHD and PTEN

…..

自己組織化ダイナミクスの平均的挙動とゆらぎの抽出

主成分解析により基本軌道とゆらぎを抽出

Extracted average dynamics ofPHAKT/PKB and PTEN

PTEN

(a.u

.)

PHAKT/PKB (a.u.)

三日月型のダイナミクス　relaxation oscillator（緩和振動子）の特徴を持つ。

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多様なパターンに共通するダイナミクス

見かけのパターンは様々。どの細胞でも、三日月型の軌道を右回りで回るダイナミクスを示す。


理論

数理モデルによる実験結果の再現

0分0° 360°

実験

ノイズの影響を考慮することにより実験データーを再現、パラメーターの違いでパターンの違いも再現。Arai et al. PNAS (2010)

experiment model

Stochastic simulation

0° 360°


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理論

数理モデルによる実験結果の再現

0分0° 360°

実験

ノイズの影響を考慮することにより実験データーを再現、パラメーターの違いでパターンの違いも再現。Arai et al. PNAS (2010)

experiment model

Stochastic simulation

0° 360°




Typical two patterns: traveling waves and standing waves

ノイズロバストな自己組織化と多様な表現型

Core dynamics withcharacteristics ofrelaxation oscillator

Noise-robust self-organizationof polarity

Noise-induced phenotypic variability

molecular noise

reversal, fusion, separation, …

parameter changes

Arai, Shibata et al. PNAS (2010)

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0分0° 360°

no gradients + cyclic AMP gradients

experiments

cAMP

with chemical gradientred: cAMP (by Pablo A. Iglesius)

Orientation of self-organized wavestoward external guidance cues

走化性シグナル入力によるPIP3/PTEN waveバイアス


走性：自発運動のバイアス

(AX2, n=157; directedness = 0.01 + 0.06)

Sato et al., PNAS (2009)

(AX2, n=119; directedness = 0.88 + 0.02)

刺激なし　　　　　　　　　　　　刺激あり

自発運動（ランダム）走性運動（方向性）

randomness

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自発運動・走性運動の一般化ランジュバンモデル

自発運動

細胞は自分自身でゆらぎを発生させることで、行動を確率的にしている。　環境からの刺激に応じて自発運動をバイアスさせることで走性運動を実現。

Takagi et al. (2008) PLoS ONE

走性運動

数理モデル構築

統計解析

細胞運動の一般化ランジュバン方程式

決定論的ダイナミクス確率論的ダイナミクス(自発ゆらぎ)

decay rate memory noise


適度にゆらぐときに環境変化にうまく適応できる。

Takagi, Sato and Ueda. In prep.

計算機実験

V

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Life finds a way

Fluctuation-based search strategyin complex environments with obstacles

goal

Cell

obstacles

obstacles

Simulation of directed cell migration in complex environments

Nishimura et al., PLoS Comp. Biol. (2009)

Nishimura et al., Phys. Rev. E (2012)


ゆらぎの階層化による柔軟なシステム構築

分子反応の確率性に起因して生じる不安定性を細胞レベルでもある程度残すことによって、環境変動に対してうまく適応できるのではないか？　環境変動が前提となるような実世界では、ゆらぎを内包したシステムを構築することにより、適応性を高めているのではないか？

Robustness against noise, Benefits of noise, Symmetry breaking, Resting-state dynamics, …

Spontaneous signal generationby self-organization of PtdIns lipids system

Stochastic molecular events

ゆらぎの階層化

Reaction-diffusion

Fluctuation-based path findingin complex environments

noise-based search strategy

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基本コンセプト

“Organized randomness”

“構造化された確率性”

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