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ゲノム情報ビッグバンから読み解く生命圏

細胞は頑健かつ補償的に情報を伝達している

宇田 新介 理学系研究科生物化学専攻 特任助教

 細胞は生化学反応を介して成長因子の情報を細胞内部へと伝達して細胞の分化などを制御しているが、細胞ごとには生化学反応にばらつきがある中で、具体的にどれぐらいの情報量がどのように伝達されているかについては、ほとんど不明であった。しかし、シャノンの情報理論の枠組みを用いて情報量を具体的に定め、細胞が伝達する情報量を定量的に解析することで、細胞の情報伝達が頑健であることがわかった。細胞の情報伝達が頑健である要因のひとつに経路による補償があることがわかった。
 本研究チームは、これまでに細胞の信号を一細胞レベルで定量的かつ大規模に測定する手法を開発しており、今回この手法を用いて細胞が伝達している情報量をシャノンの情報理論に基づき計算したところ、成長因子から遺伝子発現へと細胞内部に伝達される情報量が約1ビットであることがわかった。1ビットは2つの状態を区別できる情報量であり、例えば細胞が分化する・しないという情報量は1ビットに相当する。さらに、細胞にさまざまな分子の阻害剤を加えたところ、信号強度は下がるものの情報量は保たれることがわかり、細胞が阻害剤による摂動に対して情報を頑健に伝える仕組みを持っていることが示された。情報を頑健に伝達する仕組みのひとつとして、ひとつの経路が阻害されても阻害されていない別の経路が補償して合計の情報量を保つことがわかった。さらに、情報伝達は遺伝子発現までだけでなく、神経細胞への分化の表現型である突起伸長に対しても頑健であることが示された。これらの結果から、細胞は外乱に対して、補償により頑健に一定の情報量を伝達できる仕組みを持っていることがわかった。この頑健性と補償性は、細胞が持つしなやかな情報伝達の仕組みとしてはじめて明らかになったことである。

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人工通信システムと細胞内シグナル伝達の類比

Notes

S.Uda, T.H. Saito, T. Kudo, T. Kokaji, T. Tsuchiya, H. Kubota,Y. Komori, Y. Ozaki, S. Kuroda, Robustness and Compensation of Information Transmission of Signaling Pathways, Science 341, 558-5614 (2013)


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