粘菌の細胞集団の確率的遺伝子発現と閾値ダイナミクスの解析

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細胞が環境を感知する際には、膜上の受容体とリガンドの、分子ゆらぎに由来する物理的拘束が避けられない。その際、物理的な検出限界において生物系が動作している可能性が、1977年にBergとPurcellによって理論的に予想されている。細胞性粘菌Dictyostelium discoideumの初期発生ダイナミクスを例にとり、細胞の飢餓後の分化と細胞間サイクリックAMPシグナリングの関係性を、顕微鏡下、細胞レベルで可視化し定量化することを目的とした。また、これが細胞集団密度によってどのように変化するかを解析し、細胞が集まったことで出現する環境応答への鋭敏性を特徴づけることで、多細胞化が時空間的な動力学の不安定性によって出現せざるを得ないからくりを浮かび上がらせたい。平成19年度は主に、細胞内サイクリックAMPの変動について細胞外の刺激との関係を解析した。細胞集団を顕微鏡下で長時間にわたって追跡するためのプログラムの作成を行った。また還流系を構築し、応答の刺激濃度依存性や、周期性への依存性を解析した。その結果、cAMPにたいする閾値的なダイナミクスによって集団的な振動が引き起こされている様子が明らかになった。平成20年度は、細胞外のサイクリックAMPが細胞集団でのサブnM程度まで蓄積され、そのようにノイズが支配する環境の中から、細胞内に固有の周期的フィルターを用いて共鳴的な現象を介して、集団レベルの振動と波の現象が発生することを明らかにした。一分子レベルの高い感度と周波数帯の選択性を巧みに利用することで、マクロレベルの秩序形成が出現し、これが遺伝子発現の調節のタイミングを決定していると考えられる。このように階層をまたいで展開するマルチスケールの動力学的な構造は、他の生命系のマクロ秩序の形成においても期待される。