生命システムのアドホックな進化

生物は概日リズムと呼ばれる約24時間周期の活動リズムを示す。システム内外に変動がある場合にも機能を維持できる性質はロバストネスと呼ばれる。細胞内には様々な変動があるにも関わらず、概日リズムは安定して維持される。つまり、概日リズムはロバストである。我々は、生物の概日リズム発振機構がロバストネスを最大化する構造ではないことを明らかにし、概日リズム発振機構がアドホックな進化を通して獲得された局所解であるという仮説を立てた。本研究の目的はこの仮説を証明することである。我々は、これまでに生化学システムのダイナミックモデルのロバストネスを定量化するために、疑似マルチパラメータ感度(QMPS: Quasi-MultiParameter Sensitivity)解析を開発している。これを概日リズムのシンプルモデルに適用し、そのシステム構造の違いが振動のロバストネスに与える影響を調べた。その結果、デュアルフィードバックとリダンダントフィードバックは2つの同一のフィードバックを持つ場合にロバストな振動を生み出すことが明らかになった。次に、概日リズムのシンプルモデルに周期的な光刺激を与えたときに同調が起きるか調べた。その結果、デュアルフィードバック構造は、明暗サイクルの周期が24時間から離れている場合や光が強い場合にも正常に同調することができた。ショウジョウバエと哺乳類の概日リズムに見られるインターロックフィードバック構造はデュアルフィードバックとセミデュアルフィードバックが組み合わされた構造である。セミデュアルフィードバック構造から出発し、そのロバストネスや光応答性を補うためにデュアルフィードバックが獲得された結果、インターロックフィードバック構造が得られたと予想される。

生物は概日リズムと呼ばれる約24時間周期の活動リズムを示す。システム内外に変動がある場合にも機能を維持できる性質はロバストネスと呼ばれる。細胞内には様々な変動があるにも関わらず、概日リズムは安定して維持される。つまり、概日リズムはロバストである。我々は、生物の概日リズム発振機構がロバストネスを最大化する構造ではないことを明らかにし、概日リズム発振機構がアドホックな進化を通して獲得された局所解であるという仮説を立てた。本研究の目的はこの仮説を証明することである。我々は、これまでに生化学システムのダイナミックモデルのロバストネスを定量化するために、疑似マルチパラメータ感度(QMPS: Quasi-MultiParameter Sensitivity)解析を開発している。これを概日リズムのシンプルモデルに適用し、そのシステム構造の違いが振動のロバストネスに与える影響を調べた。その結果、デュアルフィードバックとリダンダントフィードバックは2つの同一のフィードバックを持つ場合にロバストな振動を生み出すことが明らかになった。次に、概日リズムのシンプルモデルに周期的な光刺激を与えたときに同調が起きるか調べた。その結果、デュアルフィードバック構造は、明暗サイクルの周期が24時間から離れている場合や光が強い場合にも正常に同調することができた。ショウジョウバエと哺乳類の概日リズムに見られるインターロックフィードバック構造はデュアルフィードバックとセミデュアルフィードバックが組み合わされた構造である。セミデュアルフィードバック構造から出発し、そのロバストネスや光応答性を補うためにデュアルフィードバックが獲得された結果、インターロックフィードバック構造が得られたと予想される。