From Japanese society for quantitative biology

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Contents

会議趣旨

第二回「定量生物学の会(仮)」会議参加者の皆様

本日第二回「定量生物学の会(仮)」を神戸理化学研究所発生・再生総合科学研究センターにて、クローズドミーティングとして開催させていただきます。皆様には,お忙しい中参加をお引きうけいただき,誠にありがとうございます。

 現在分子生物学・発生生物学・生物物理学・そして数理生物学など生命科学研究を担う多数の領域において、「定量的な方法論で生命現象を明らかにしてゆく」という活動が今後の各領域を担う大きな方向性として同時多発的・相互依存的に浮上しつつあると思います。

 この会合はこのような背景を受け、各領域において自ら手を動かして定量的な方向性を模索している若手研究者を集めて、今後の定量的な生命科学の方向性、未来、意義、問題点などをブレインストーミング的に議論し、領域横断的な方向性や連携関係をトップダウン的にではなくボトムアップ的に模索できないか、という目的でスタートし、幸い、様々な関係者のご協力のもと、今回の開催が可能になりました。

今回はなるべく領域横断的な議論が可能になるように、参加者の人数を限ったクローズドミーティングとし、発生生物・細胞生物・分子生物・生物物理・1分子生物・数理生物・バイオインフォマティクス・バイオイメージング・生命工学などの、各分野を牽引してゆくポテンシャルと熱意を秘めていると思われる関東近辺の若手研究者に、分野の偏りがなるべく少なくなるように声をかけさせていただきました。

 現在定量的な方向性は様々な領域で、特に志のある若手によって研究が進められていると思いますが、おそらくほとんどの領域内でそのような試みはいまだマイノリティーであり、自分たちが所属している領域内の既存の会議だけでは具体的な情報交換だけでなく定量的な研究を行っている研究者間での密な議論すらも、不足している、というのが現状ではないかと思います。

 このような状況に対し、今後の定量的な生命科学の方向性や解決すべき問題点について、おそらく参加者の皆様それぞれが、具体的な意見をお持ちであると推察します。本研究会はそのような現状を踏まえ、若手研究者が情報を交換したり、外部へ情報を発信したり、そして生命科学の各領域をまたいだ今後の定量的な生命科学の方向性などの個々では解決できない問題を議論し、そして主体的に解決してゆく一つのきっかけになればよいと思っています。

 ですので、あくまで今回の会は、皆さんが集まる機会、そして考え議論するためのたたき台として位置づけられていると、世話人一同考えております。今回参加していただく発表者・参加者間での自発的かつ積極的な議論の中で、参加する人それぞれに意味がある会の方向性、そして定量的な生命科学の可能性というのが見えてくれば良い、と考えております。そのために、発表者による発表後、参加者全員での総合討論の時間を長めにとらせていただきました。

ぜひ発表者だけでなく、参加者の方々も積極的に参加していただき、有意義な時間を共有できたらと思っております。

世話人:黒澤元、小林徹也、杉村薫、舟橋啓、前多裕介

日程・会場・発表形式

  • 会議日程: 平成20年3月28日(金)10:30 ~ 18:30
  • 会議会場: 神戸理化学研究所発生・再生総合科学研究センター(CDB)
  • 発表形式:講演時間は1人 15~20分、質疑応答を含めて25分以内でお願いいたします。

スケジュール

  • 趣旨説明:杉村薫、黒澤元、舟橋啓(10:30~10:40)
  • 午前中の講演(10:40~11:55)
    • 大阪大学 中村哲也(発生生物学)
    • 京都大学 藤森俊彦(発生生物学)
    • 理研 鈴木誉保(進化形態学・複雑系生物学)
  • 昼食 & 発表者・参加者の自己紹介(11:55~13:00)
  • 午後の講演Ⅰ(13:00~14:15)
    • 福井大学 原田崇広(生物物理・細胞生物学)
    • 京都大学 笠井倫志(1分子生物学)
    • EMBL-EBI 広井賀子(システムバイオロジー、生化学・分子生物学)
  • 休憩
  • 午後の講演Ⅱ(14:30~16:10)
    • 奈良医科大学 高木拓明(生物物理学)
    • 大阪大学 佐藤雅之(細胞生物学・生物物理学)
    • 奈良先端 塚田祐基(画像解析・数理生物学)
    • 京都大学 青木一洋(細胞生物学・バイオイメージング)
  • 休憩
  • 全体討論(16:30~18:30)


発表要旨

左右決定機構とそのrobustness

発哺乳動物の体は外見からは左右対称に見えるが、その内部構造は左右非対称である。例えば、心臓は体の頭尾軸から左に傾いており、肺、肝臓は左右でその分葉数が異なっている。マウスでは左右軸形成は初期体節期に行われる事がわかっており、その分子メカニズムも詳細に解析されている。マウス胚における左右非対称性は最初にノードに見られる。ノード腹側層の個々の細胞が持つ1本の繊毛が、全て時計方向に回転運動をすることでノード内部に右から左への水流が生じるのである。同時期に、ノードの左右両脇では分泌因子でありTransforming Growth Factor(TGF-β) スーパーファミリーに属するNodalが左右非対称に発現する。その後、左側板中胚葉ではNodalの発現が開始し,Lefty2(Nodalと同様TGF-βスーパーファミリーに属し、Nodalシグナルのインヒビター)も同部位で発現する。私達は現在までに、実験と数理モデルを用いた解析から、ノード脇における僅かな左右差をSelf-Enhancement and Lateral-Inhibitionsystemが大きく増幅し、左側板中胚葉のみで安定にNodalとLeftyの発現が起こるという結論を得た。(T.Nakamura et al. Dev.Cell 2006) しかしながら詳細に観察を進めると、ノード脇における左右非対称な遺伝子発現量は個体間によっておおきくばらつく事がわかってきた。左側板中胚葉におけるNodalの発現は、全ての個体で3体節期で始まり右側にその発現が確立しない事から、ノード脇におけるNodal等の遺伝子発現量のぶれは何らかの機構で厳密に制御されていると考えられる。上記の理由から、定量的手法を用いて左右軸形成における遺伝子発現量の制御またシグナル量の制御の解析を進めているところである。
  • 氏名 中村 哲也
  • 所属 大阪大学 生命機能研究科 発生遺伝学グループ (濱田研究室)
  • 専門 発生生物学

マウス初期胚のイメージングとデータ抽出

我々の興味は、マウス初期胚における軸形成機構である。個々の遺伝子産物の挙動を調べる限りでは、将来の体軸に関わる情報が胚の中にいつセットされるかが明らかでない。そこで、この目標へのアプローチの為に、ライブイメージングを駆使して、細胞の挙動(分裂、配置様式)と胚の形との関連を明らかにしたいと考えている。線虫に代表される細胞の分裂、配置が個体間で保存されている動物に関しては、初期の胚発生の理解が進んでいる。一方で、人間の目で見ただけでは、明確な法則性を見いだすことが難しい動物で、この時期の解析を進めるには、数多くの胚を解析する必要がある。得られる情報の量は膨大であるため、定量的な手法による記述、比較が必須となる。取得できる画像の質の向上も必要であるが、解析法を開発する必要を強く感じる。そこで様々な系で同じような悩みを持つ人々と情報交換、相互に知恵を出し合うことが役立つと考える。単純に汎用性のある技術の開発を目指して、本当に研究に役立つ結果が得られるとはあまり期待していない。むしろ定量生物学の会においては、自分の得意とする、あるいは強い興味のあることをそれぞれの人が推進する姿勢を通して、参加している人の発想で新しい方向へ大きく発展するのではないかと期待している。

  • 氏名 藤森 俊彦
  • 所属 京都大学医学研究科
  • 専門 発生生物学

枯葉に擬態した蛾の翅模様にみられる揺らぎと相関構造の定量的な解析

蝶や蛾は、18万種にもおよぶ種数をほこり、多様な翅模様を持っています。模様のそれぞれは、隠蔽擬態や警告模様といったような生態的戦略(Ecological Strategy)を可能にする一方で、その多く(全体の80%ほど)が基本的なパターンの組み合わせにより構成されていることが比較形態学から提案されています。私達は、隠蔽擬態をしている蛾の翅模様に注目し、その斑紋がどのような構造をもっているかを調べました。そこで、翅全体にわたって色や模様などを解析するために画像解析システムを構築し、その形態情報を定量的に取得しました。そうして、翅の模様がどのように作られているのか?、について統合的に得られた結果を解説します。また、とりもなおさずシステムの構成要素をピックアップするミクロからのアプローチだけでなく、システムを“理解する”ためにはマクロからのアプローチも併せて必要であることの意義なども議論できれば、と考えております。

  • 氏名 鈴木 誉保
  • 所属 理研・CDB・形態進化(倉谷研)
  • 専門 発生生物学、進化発生学(Evo-Devo)、比較形態学、進化生態学、生物物理、非線形システム

培養心筋細胞の拍動に見られる遅い揺らぎの性質

分子生物学や生物物理学の進展に伴って、細胞内で起こっている様々な現象について、分子レベルでの知見が蓄積されてきています。しかしながらその一方で、多種多数の分子が相互作用するシステムとしての細胞が、個々の詳細から離れたところで持ち得る普遍的な性質は何か、という(物理学的な)問題については、まだまだ理解が進んでいません。こうした問題は様々な形で古くから問われてきたものですが、細胞内部についての分子的な知見が蓄積されるのに伴って多くの研究者の目がその詳細に向きがちになり、後回しにされてしまう傾向があります。しかしながら、非常に速いペースで分子的な知見が蓄積され、解析手法も多彩になりつつある現状でこそ、改めて問われるべき問題ではないでしょうか。そこでそのような性質(もしあるとすれば)を見つけるための足がかりとして、私は心筋細胞の自発的拍動のタイミングの統計的性質を単一細胞レベルで調べています。言うまでもなく心臓は全身に血液を送るための器官であり、それを構成する心筋細胞は個体の誕生以後殆ど分裂することなく、ひたすら拍動のリズムを刻み続けます。分化した細胞の中でも機能の最もはっきりとした細胞の一つではないでしょうか。このような分化した細胞は、特定の機能に特化しているためにその挙動が解析しやすく、そうした解析の中から細胞がシステムとして持っている普遍的な性質が見えてくるのではないかと期待できます。特に私が注目しているのは、膜電位の動態の長時間スケールでの性質です。既に培養心筋細胞系の先行研究において、拍動タイミングの揺らぎがべき的な相関を持っているということが報告されています。また同種の揺らぎは別種の細胞(神経細胞や繊維芽細胞など)でも存在することも報告されています。従って、膜電位に存在する長時間スケールの揺らぎは、多くの細胞種に共通する普遍的な性質ではないかと予想されますが、このような揺らぎの性質やメカニズムはまだ殆ど明らかにされていません。そこで我々は、ラット新生児由来の心筋細胞を顕微鏡上で培養し、自発的な拍動のタイミングを数時間にわたって計測しました。その結果、周囲と相互作用していない単一の細胞において、いくつかの特徴的な拍動パターンが見られ、場合によってはその間をゆっくりと遷移する過程が見られます。時系列をパターンごとに切り出して、その統計的な性質を調べたところ、いずれのパターンにおいても、長い時間スケールにおいてべき的な長時間相関をもった揺らぎが存在することが分かりました。現在その揺らぎの性質とメカニズムを明らかにするために、時系列の統計的性質を更に詳しく調べ、薬理学的な実験を行っているところです。発表ではこれまでに分かってきたことを紹介し、揺らぎを生み出すメカニズムに関する仮説を述べる予定です。

  • 氏名 原田 崇広
  • 所属 福井大学大学院工学研究科 知能システム工学専攻
  • 専門 生物物理学、非平衡統計力学

GPCRモノマー・ダイマーの動的平衡: 1分子蛍光追跡法による直接観察

Gタンパク質共役型受容体はGPCRとも呼ばれ、大きな受容体グループを形成してお り、その機能が多岐に渡ることなどから創薬分野での主要なターゲットになってい る。近年、少なくない数のGPCRについて、ダイマー、もしくはオリゴマー形成がFRET(蛍光共鳴エネルギー移動)、もしくは、BRET(生物発光共鳴エネルギー移動)をもちいて報告されている。しかし、これらの報告は定量性に乏しく、何割の受容体がダイマーを形成しているか、それらの寿命はどれくらいかと言った、ダイマーの性質を表す動的なパラメータは全く分かっていない。そこで私は、GPCRの一つであり、また、走化性因子受容体としても知られている、Formyl Peptide Receptor(FPR)をモデルとして用いて研究を行うことにした。蛍光リガンドを取り込みの起こらないミュータントFPRに結合させることで、生細胞膜上でFPRを一分子ずつ可視化し、これらの輝点を観察することにより、会合体の割合を具体的に求めた。この際、光学分解能以下に2つの輝点が入ることによる、見かけのダイマーを除く事で、定量的にFPRのダイマーの割合を求めた。その結果、1)リガンドの解離定数を求めることができ、さらに、2)FPRの発現量が~9000分子/細胞という、従来のFRET/BRET実験の条件と比べてきわめて少ない発現量(ただし、生体内での発現量と同等レベル)の時に、約30%の受容体がダイマーを形成しているらしいことが分かった。このように、GPCRダイマーの平衡パラメータを実際の生態膜上で具体的に決定する事で、GPCRダイマーの機能を解明する端緒になると考えている。

  • 氏名 笠井 倫志
  • 所属 京都大学 再生医科学研究所 ナノバイオプロセス研究領域/楠見膜機構プロジェクト, ICORP,JST
  • 専門 一分子生物物理学

in vivo oriented simulation

細胞内の環境は、試験管内の希薄溶液中と異なり、様々な細胞内コンポーネントにより混雑した、不均一な状態となっている。このような環境で進む生化学反応は、理想的な希薄溶液で進む生化学反応では考えに含める必要のない条件の影響を受けることが予想される。私達は細胞内環境で進行する生化学反応を正確にモデル化する方法を実験、シミュレーション(in vivo oriented simulation)を通して模索して来た。今回は、これまでの私達のin vivo oriented simulationに関する研究概要と、その過程で実際に使用して来たデータの性質について、またここに別の定量的なデータが加わることによって新たに解くことが出来るようになる課題とは何なのか、など、アイデアや将来の希望などを交えてお話ししたいと思います。

  • 氏名 広井 賀子
  • 所属 EMBL-EBI
  • 専門 システムバイオロジー、生化学・分子生物学

細胞の自発運動から探る走性情報処理

細胞の走性応答は、自発運動を適切にバイアスすることによって実現されると考えられる。そこで細胞性粘菌を用いて、自発運動の詳細な計測実験を行い、その振舞いを定量的に記述する現象論モデルを同定した。さらに、入力を定量的に制御可能である電場印可実験系を用いて、粘菌の走電性応答を同様に詳細に計測し、その応答特性を同定した。その上で、自発運動のモデルを拡張することにより、その定量的な記述が可能であることを明らかにした。その結果、粘菌の走電性応答は、自発運動を適度にバイアスすることによって実現されており、そのバイアス強度は電場強度と比較的広い領域にわたって線形の関係にあることが確認された。

  • 氏名 高木 拓明
  • 所属 奈良県立医科大学医学部物理学教室
  • 専門 生物物理、非線形・複雑系

細胞内情報伝達経路の変調手法の開発

細胞運動、増殖や分化といった細胞機能を担う細胞内情報伝達経路は多くの分子から構成される複雑なネットワークによって構成されている。このネットワークによる情報処理メカニズムを調べるためには入出力関係を定量的に調べるだけでなく、その構成要素である分子に変調を加えたときに出力にどのような影響を及ぼすのかを検討することが重要である。細胞内情報伝達経路の分子に変調を加える手段として、これまで目的分子のノックアウやRNAiなどの手法が用いられてきた。これらの手法は分子の活性を阻害することで細胞機能における分子の役割を同定してきた。次の段階として、分子の活性の変化がネットワークにどのような影響を与え、最終的に細胞機能にどのような変化をもたらすのかといった動的な側面に関する定量的な情報を得ることが重要である。本研究は電位感受性部位と酵素活性部位を併せ持つ新規膜タンパク質であるVSP (Voltage sensitive protein)を用いて、任意のタイミングで生細胞内において情報伝達経路分子の活性をスイッチできるようになったことを報告する。通常、細胞性粘菌は誘引物質の存在下において走化性応答を示すが、PTEN(Phosphatase and Tensin homolog)と呼ばれる分子を欠損した細胞は著しく効率の低い走化性応答を示す。このPTEN欠損細胞にVSPを発現させた細胞は、外部からの電気刺激印加後に運動性を変化させて、効率のよい走化性応答を示すようになった。この技術は生細胞内において情報伝達経路分子の活性を外部操作することを可能にするものであり、細胞内分子ネットワークの動的な性質に関する定量的な理解を深めるために有用であると考えられる。また、電気シグナルを用いて細胞の行動を制御するという工学的応用の可能性をも開くものである。

  • 氏名 佐藤 雅之
  • 所属 大阪大学大学院生命機能研究科
  • 専門 生物物理、細胞運動、シグナル伝達

動的な細胞現象の定量化と時系列画像処理

ライブセルイメージングの発展により、細胞が生きた状態での形の変化や動き、タンパク質や分子の局在変化、動態が分かるようになってきた。この技術は動的な細胞機能を理解するために重要であるが、新たな問題を生物学に持ち込んでいる。つまり、複雑で大量なデータである動画を、生物学的な問題意識に基づいて解析する技術の必要性である。この問題の重要性と難しさはあまり認識されていないように思われるため、問題を概観し、FRET画像の解析という例をとって、具体的な研究方向性を示す。また、この様なアプローチと今後さらに関わりが深くなるであろう、統計や数理モデルとの接点についても触れたいと思います。

  • 氏名 塚田 祐基
  • 所属 奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科
  • 専門 画像解析、数理生物学

細胞内シグナル伝達の定量的な解析

細胞内シグナル伝達は、極論すると、生体物質の物理化学的な法則に従った拡散や化学反応の連鎖である。従って、要素間の反応や拡散等のパラメーターを指定することで、細胞内シグナル伝達をコンピューター上でシミュレートすることができる。これまでにも、細胞内シグナル伝達に関するモデル化・シミュレーションの理論的な研究は試みられてきた。また、近年のシステムズバイオロジーの機運の高まりに応じて、細胞内シグナル伝達研究においても実験と理論が融合した研究が報告され始めている。しかし現状では実験と理論の間に大きな隔たりが存在し、そのどちらもがリアルな細胞を描像しているとは言い難い状況である。例えば、EGF-Ras-MAPKシグナル伝達経路1つを取ってみても、数多くのモデルが存在し、そのどれもが別々の主張をしているのである。では、どのようにしたらよりリアルな細胞をモデル化できるのか?現状のように数多くのモデルが存在する限り、おそらくEGF-Ras-MAPKシグナル伝達経路のモデル研究は収束することはないだろう。このような細胞内シグナル伝達のモデリング研究の現状を鑑みて、私は、①泥臭くても定量的なパラメーターを自分の手で取得し、②それを用いてモデル化・シミュレーションし、③さらに必要なパラメーターの取得、モデルの改善を行う、このような過程を繰り返すことがより生き生きとした細胞モデルに近づくために必要であると考えるに至った。本発表では、その一例について紹介させていただく。

  • 氏名 青木 一洋
  • 所属 京都大学大学院生命科学研究科生体制御学
  • 専門 細胞生物学

全体討論のたたき台

  1. 定量的な生物学におけるBiological Question
    1. どんな問題に定量的アプローチが不可欠か?逆に定量では解けない問題はなにか?(分子生物学の範疇の問題は何か?)
    2. そのような問題はどれくらいあるのか?
    3. 旧来のバイオロジー・バイオロジストもそれを共有できるのか?
    4. 定量的な生命科学があつかう問題は、物理的・数理的な素養が無いと面白いとは思わないのか?
  2. 定量的なアプローチや技術
    1. 必要としている人、期待している人はどれくらいいるか?
    2. どうしたらそういう人たちを動かせるのか?
    3. 今定量的な方法論のコアになりつつある技術は?
    4. 今はないけれど必要な技術は?
  3. 定量に関わる人々・連携体制
    1. 各領域どれくらいの人が定量的な方向性に実際すでに関わっているのか?その割合は
    2. 各領域どれくらいの人が定量的な方向性に期待を持っているのか?その割合は
    3. すでに関わっている人々はどうやって目の前の定量特有の問題を解決しているのか?
    4. 定量的な方向性は1つの研究室だけで解決できるのか?
    5. 領域間の連携は必要か?具体的にどういった連携が必要か?
    6. どうやって領域間の相互理解を深めてゆくか?
    7. そのための具体的な仕掛けはなにか?
  4. 会について
    1. 会について何を求めるのか?
    2. 会に何ができるか?
    3. 具体的に会をとおして行いたいことは無いか?(研究会企画など)
    4. 会の名称は会を表すのに適切か?
  5. そのほか積極的に議題を募集します

参加者名簿

敬称略/アイウエオ順

  • 青木一洋(京都大学)
  • 荒田幸信(理研・CDB)
  • 笠井倫志(京都大学)
  • 黒澤元(東京大学・ERATO 複雑数理プロジェクト)
  • 小林妙子(京都大学・影山研)
  • 小林徹也(理研・CDB/学振)
  • 佐藤雅之(大阪大学)
  • 杉村薫(理研・和光・宮脇研)
  • 鈴木誉保(理研・CDB)
  • 高木拓明(奈良医科大学)
  • 塚田祐基(奈良先端)
  • 中村哲也(大阪大学)
  • 二階堂愛(理研・CDB)
  • 原田崇広(福井大学)
  • 広井賀子 (EMBL-EBI)
  • 藤森俊彦(京都大学)
  • 舟橋啓 (慶應義塾大学)
  • 前多裕介(東京大学・佐野研)