Research

Toward a quantitative understanding of cell fate decision-making

　We are interested in how cells make fate decisions. For example, cells maintain homeostasis by sensing stimuli from outside the cell, processing information through a system called the "intracellular signal transduction," and outputting a phenotype. With the advent of molecular biology over the past few decades, the genes and pathways that comprise intracellular signal transduction have been clarified, and we have obtained the overall view of the network. However, there are still many questions to be answered, such as how cells properly obtain information from a fluctuating environment, how much ligand information (type, concentration, combination, etc.) they can recognize, how and when cell fate (cell division, differentiation, cell death, etc.) is determined, and how do the physical constraints of cells (viscosity, rigidity, force, etc.) affect cell function?

　We aim to quantitatively elucidate the principles of intracellular signaling pathways involved in the cell fate decision-making using cultured cells, fission yeast, and nematodes. To this end, we also attempt to develop new technologies such as fluorescence imaging and optogenetics. Our research focuses on the following three topics. 

　私たちは、細胞や細胞集団、組織や個体がどのようにして運命決定をしているのかということに興味を持っています。例えば、細胞は、細胞外からの刺激を感知し、「細胞内シグナル伝達系」と呼ばれるシステムによって情報処理し、表現型を出力することで恒常性を維持しています。この数十年の分子生物学の発展により、細胞内シグナル伝達系を構成する遺伝子や経路が明らかにされ、ネットワークの全体像が見えてきました。しかしながら、細胞がどうやって揺らいでいる環境から適切に情報を取り出すのか、細胞はどれくらいのリガンドの情報（種類や濃度、組み合わせなど）を認識することができるのか、細胞の運命（細胞分裂や分化、細胞死など）はいつどのようにして決定するのか、細胞のもつ物理的な制約（粘性や硬さ、力など）が細胞機能にどのような影響を及ぼすのか、といったことには十分には答えられていません。

　そこで、私たちは、培養細胞や分裂酵母、線虫などを用いて、細胞機能の創発に関わる細胞内シグナル伝達系の動作原理を定量的に明らかにすることを目指しており、そのために必要な蛍光イメージングや光遺伝学といった技術開発も行っています。私たちは以下の３つのトピックに焦点を絞り研究を進めています。研究テーマを決める際には、これらのトピックのいくつかにオーバーラップするように相談して決定します。

1. Cell fate decision-making 細胞運命決定

By using the genetically encoded biosensors, we visualize the dynamics of the signal transduction in a living cell during the course of the cell cycle, cell differentiation, or cell death. With these approaches, we would like to reveal the mechanism of how continuous and analogous signaling systems generate irreversible and digital phenomena such as cell cycle progression and apoptosis.

細胞増殖や細胞分化、細胞死といった細部運命決定とそれに関わる細胞内シグナル伝達を生細胞イメージングによって同時に可視化します。こういったアプローチにより、連続的でアナログ的なシグナル伝達系がどのようにして細胞周期や細胞分化、細胞死といった不可逆でデジタル的な現象を生み出す機構を明らかにしたいと考えています。

Topics: Dynamics of ERK and Akt and the role in cell cycle progression; Dynamics of CDK activity through the cell cycle progression; Sporulation and germination of fission yeast; 

具体的なテーマ：ERKとAktの活性動態と細胞周期制御、細胞周期におけるCDK活性動態の可視化、分裂酵母の胞子形成と発芽過程の理解、

Reference: Miura H, Cell Rep, 2018; Aoki K, Dev Cell, 2017; Aoki K, Mol Cell, 2013

2. Signaling Dynamics シグナル伝達動態

We are interested in clarifying how much information cells receive from outside the cell, how this information is encoded into cell signaling, and how the encoded information is decoded into gene expression and phenotype. For this purpose, we employ multiplexed living cell imaging, optogenetics, and information theory.

細胞は細胞外からどれくらいの情報を得ているのか、その情報をどのようにして符号化するのか、符号化された情報がどのようにして遺伝子発現や表現型へと複合化されるのか、ということを明らかにしたいと考えています。そのために、多重生細胞イメージングや光遺伝学、情報理論などを駆使して、動的なシグナル伝達に埋め込まれた情報を読み解きたいと考えています。

Topics: Quantification of cell signaling dynamics evoked by GPCR stimulation; p53 dynamics induced by stress stimuli; Evolutional meanings of cell signaling dynamics

具体的なテーマ：GPCRシグナル伝達系の定量解析、ストレスに対するp53動態、シグナル伝達動態の進化的意義

Reference: Tany R, Biochem J, 2022; Maryu G, CSF, 2016;

3. Technology 技術開発

We develop genetically encoded fluorescent biosensors and optogenetic tools to visualize and manipulate intracellular signal transduction, respectively. As for optogenetics, we are focusing on the blue light-responsive CRY2-CIB system and the red/far-red light-responsive PhyB-PIF system. The causal relationship between that signal transduction pathway and cell function can be more directly verified by these manipulation techniques. 

遺伝子にコードされた蛍光バイオセンサーや、光による細胞内シグナル伝達系の摂動法を開発しています。光遺伝学については、青色光に応答するCRY2-CIB系や赤色光/近赤外光に応答するPhyB-PIF系の技術開発を行っています。光によってある特定の細胞内シグナル伝達系を操作することで、その経路と細胞機能の因果関係をより直接的に検証することができます。

Topics: Optical manipulation of cell cycle checkpoints; Optical manipulation of p53; Development of novel fluorescent biosensors; Application of the PhyB-PIF system to C. elegans

具体的なテーマ：細胞周期チェックポイントの光操作、p53の光操作、新規蛍光バイオセンサーの開発、PhyB-PIF系の線虫への応用

Refence: Yamamoto K, Nat Comm, 2021; Sakai K, JCS, 2021; Nakamoto and Goto, Mol Brain, 2021; Uda Y, ACS Chem Biol, 2020; Uda Y, PNAS, 2017; Aoki K, Dev Cell, 2017