Research

研究内容

1. 細胞の定量生物学

   細胞は、さまざまな環境から「入力」となる刺激を感知し、その情報を細胞内の「システム」によって処理し、最終的に細胞の増殖や分化といった表現型を「出力」して機能を発揮しています。細胞のまわりの環境は一定ではなく常に変化しています。例えば、生体内では、細胞のまわりの環境が不均一だったり、時間的に揺らいでいたりすることもあるでしょう。そういったときにも、細胞は環境の変化に適応し、そのときどきで最適な表現型を出力することで、細胞として、もしくは個体として生存しています。


それでは細胞はどのようにして入力シグナルを情報処理しているのでしょうか。私たちは、細胞の中で起こっている化学反応の連鎖、つまり反応ネットワークがその情報処理「システム」の実態考えています。この細胞内で起こってる化学反応のネットワークは「細胞内シグナル伝達系」と呼ばれています。細胞内シグナル伝達系は、シグナル伝達タンパク質の相互作用(結合や解離)や触媒反応(リン酸化やユビキチン化など)といった化学反応で構成されています。ひとつひとつの反応はシンプルですが、それが組み合わさることで入力信号を効率よく伝達したり遮断したり、時には増幅したり分岐させたりといったように多様なふるまいを示します。


 細胞内シグナル伝達系は一見すると電気回路ととてもよく似ています。電気回路は入力となるスイッチを入れると目的の出力が得られるように設計されています。電気回路を人間の思った通りに設計できるのは、その要素(抵抗やコンデンサーなど)の情報がわかっており、システムとしての振る舞いが予測・検証可能だからです。細胞内シグナル伝達系はこの数十年の研究でその構成要素はかなりわかってきましたが、それぞれの素反応の情報(電気回路でいう抵抗値や電気容量など)が正確に測定されていないために、細胞内の反応をシミュレートすることが困難です。


 そこで私たちは、細胞内シグナル伝達系を構成する反応を定量的に測定する技術を開発し、細胞のなかで起こっている反応とその動作原理を定量的に理解しようと考えています。また動作原理を理解し、それを光や化合物で制御することで細胞のふるまいを操作することにも興味を持っています。将来的には、細胞のふるまいをコンピューターで予測し、癌といった疾患の制御を目指します。


 具体的には、細胞周期や細胞死、細胞分化の制御にかかわる細胞内シグナル伝達系の定量解析を行っています。主に培養細胞をつかっていましたが、最近は分裂酵母をつかった解析も始めました。手法は、ライブセルイメージングにこだわります。蛍光プローブの開発や細胞内反応パラメーターの定量化技術の開発も行います。最近は光遺伝学やケミカルバイオロジーの手法を用いて、細胞を操作するにもトライしています。もちろん、一般的な分子遺伝学(DNAワークなど)、生化学(ウェスタンブロッティングなど)、細胞生物学(免疫染色など)などの手法も利用します。


最近の成果

Aoki, K., et al., Molecular Cell, 2013

   
確率的なERKの活性化と隣の細胞へのERK活性化の伝搬

ラット正常腎臓細胞NRK-52E細胞にERKのFRETバイオセンサーEKAREV-nlsを発現させ、サイトグラフ上で培養し、長時間FRETイメージングした動画。

ERKが確率的に活性化し、たまに隣の細胞に伝搬することが見て取れる。



Kunida, K., et al., Journal of Cell Science, 2012

 
自発的に運動する細胞とCdc42活性
ヒト線維肉腫由来HT-1080細胞にCdc42のFRETバイオセンサーRaichu-Rac1を発現させ、トリプシンではがしてガラス底ディッシュに播種し、1時間後にFRETイメージングした動画。

Cdc42が細胞が伸びるところでCdc42が活性化し、逆に縮むところでCdc42活性が下がる。



過去の研究成果

上皮細胞増殖因子EGF-Ras-ERK MAPキナーゼシグナル伝達系の定量的シミュレーションモデルの構築
  1. Ras-ERK cascadeの定量モデル (Fujioka, A., et al., JBC, 2006)
  2. 足場タンパク質Shoc2のRas-Raf活性化促進モデル (Matsunaga-Udagawa, R., Fujita, Y., et al., JBC, 2010)
  3. ERKによるSosへの負の多段フィードバックモデル (Kamioka, Y., et al., JBC, 2010)
  4. 定量モデルによるERKのプロセッシブリン酸化モデルの発見 (Aoki., K., et al., PNAS, 2011)
  5. EGFRシグナル伝達系におけるフィードフォワードとフィードバック制御、および分子標的薬感受性についての定量解析 (Fujita, Y., et al., FEBS J., 2014)

シグナル伝達系と細胞の表現型(細胞の形の変化や細胞増殖など)の定量的なリンク

  1. イノシトールリン脂質とRac1のフィードバックシステムによる神経突起の本数決めモデル (Aoki, K., et al., JCB, 2007)
  2. FRETイメージングと信号処理による細胞遊走時のフィードバックモデル (Kunida, K., et al., JCS, 2012)
  3. 確率的なERK活性化と細胞増殖制御 (Aoki, K., et al., Molecular Cell, 2013)

シグナル伝達系を構成する反応パラメーターの測定技術の開発

  1. 高感度FRETバイオセンサーの効率的な作製技術の開発 (Komatsu, K., et al., MBoC, 2011)
  2. Akt特異的なFRETバイオセンサーの開発 (Miura, H., et al., Cell Structure and Function, 2013)
  3. 蛍光相互相関分光法(FCCS)による細胞内解離定数(Kd)測定法の開発 (Sadaie, W., et al., MCB, 2014)