2016.03.08

【研究発表】1細胞レベルの成長ゆらぎがクローン集団をより速く成長させる

１．発表者：

若本 祐一（東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻 准教授）

橋本 幹弘（東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻 博士課程）

２．発表のポイント：

◆均一な遺伝情報をもつクローン細胞集団内に1細胞レベルでの成長ゆらぎ（注1）があることで、集団がより速く成長できることを明らかにした。

◆細胞表現型ゆらぎが明確な生物的役割をもつことを示すとともに、異なる環境条件での成長ゆらぎを定量的につなぐ新たな法則を明らかにした。

◆同定された表現型ゆらぎの法則の解析により、今後さまざまな生物種において、成長率の原理的上限などの基本性質の解明につながる可能性がある。

３．発表概要：

同じ遺伝情報をもつクローン細胞を同じ環境に置いたとしても、個々の細胞のさまざまな性質（表現型）には、しばしば大きなばらつきが観察されます。このような「表現型ゆらぎ」は遺伝情報と異なり子孫細胞に安定に継承されないため、これまであまり重要視されてきませんでした。今回、東京大学大学院総合文化研究科の若本祐一准教授らの研究グループは、大腸菌のクローン細胞集団を1細胞レベルの精度で100世代以上の長期にわたって連続観察可能な計測システムを開発し、これを用いることで、細胞レベルの成長ゆらぎが大きいほど、それら細胞によって構成される細胞集団がより速く成長できることを明らかにしました。さらに研究グループは、異なる環境条件下での成長ゆらぎを定量的につなぐ新たな法則を発見し、この法則に基づいて、成長ゆらぎの情報から各生物種の成長率の原理的上限を知ることができる可能性を示しました。本研究により、表現型ゆらぎの明確な生物的意義が明らかになるとともに、今後、さまざまな生物種の成長率上限などの基本性質の解明につながることが期待されます。

４．発表内容：

同一遺伝情報をもつクローン細胞集団を、たとえ同一の環境条件下に置いたとしても、個々の細胞の遺伝子発現状態や成長能などの性質（表現型）には、しばしば大きなばらつきが観察されます。このような「表現型ゆらぎ」は原核生物、真核生物を問わず一般的に見られる普遍的な現象である一方、そのようなゆらぎは生物にとって単なるノイズなのか、もしくは何らかの役割を担っているのか、未だ明確には理解されていません。

従来の細胞を対象とした研究では、基本的に細胞集団を対象として計測が行われ、その結果が集団内部の細胞の典型的性質を反映しているという仮定の下で実験結果が解釈されてきました。しかし、表現型ゆらぎの研究では、その集団の中に、どのような細胞状態のばらつきがあり、それがどのように集団の性質を決めているかを正面から考える必要があります。そのためには、細胞集団を対象とした計測だけでなく、集団内の個々の細胞の性質を精度よく計測することが必須です。また、個々の細胞の状態は時間的に変動するため、細胞の状態変化の情報も併せて取得する必要があります。しかし、このような計測は技術的に難しく、これまで研究があまり進んでいませんでした。

今回、東京大学大学院総合文化研究科の若本祐一准教授、橋本幹弘大学院生らを中心とした研究グループは、大腸菌を対象として、細胞の状態変化を厳密な環境制御下で100世代以上の長期にわたって連続観測可能な新たな計測システム「ダイナミクスサイトメーター」を開発し、このシステムを用いることで、細胞レベルで見られる成長ゆらぎの性質と、それらの細胞によって構成される細胞集団の性質を詳細に調べました（図1）。その結果、一定の環境下に置かれたクローン細胞集団は、その集団を構成する内部の細胞の平均的成長率よりも高い成長率で増殖ができるという、一見直感に反する事実を明らかにしました。さらに本研究グループは、細胞の成長ゆらぎが大きいほど、集団レベルの成長率と細胞レベルの平均的成長率の相対的な差が大きくなることを明らかにしました。本結果は、表現型ゆらぎが大きくなれば細胞集団が速く増殖できるという、表現型ゆらぎの明確な役割を示すとともに、細胞集団の成長能が細胞の平均的な成長能と必ずしも一致しないことを示しており、細胞集団を対象とした計測結果が細胞の典型的性質を反映するという従来の解釈には注意が必要であることを示唆しています。

さらに本研究グループは数理解析を行い、観察された細胞レベルの成長性質と細胞集団レベルのさまざまな成長性質が、シンプルな数理モデルで定量的に関係付けられることを明らかにしました。またこの数理解析を通じて、実験で観察された集団と細胞の成長率の差は、細胞が時間的に辿るいわば「歴史」の統計量と結びつけられるという新たな視点を示しました。増殖する細胞集団では、細胞が増殖するというまさにその性質により、集団を過去から未来に向かって見たときと、未来から過去に向かってみたときで、観察される典型的な歴史が異なるという重要な性質があります。理論解析により、異なる2つの典型的な歴史上での統計量の差が、観察される集団と細胞の成長率差を直接与えることが示され、細胞動態の解析において歴史に着目することの重要性が明らかにされました。実際に本研究グループは、そのような歴史の差を実験的に検出することにも成功しています。

本研究グループはさらに、さまざまな環境条件下での成長ゆらぎの関係を調べ、その結果、細胞の世代時間（分裂から次の分裂までにかかる時間）の平均と分散のあいだに線形的な関係があるという新たな成長ゆらぎの法則性を見出しました。この法則は、大腸菌の成長率には原理的な上限があることを示唆しており、逆にいえば、いくつかの環境で成長ゆらぎを計測すれば、あらゆる環境でとりうる成長率の上限を知ることができることを示唆しています。

本研究により、細胞レベルで観察される遺伝情報に依存しない表現型ゆらぎの新たな重要性が明らかになっただけでなく、表現型ゆらぎの法則も明らかになりました。本研究で開発された計測システムは、大腸菌以外の細菌種や、ヒトの細胞も含む真核細胞の解析にも原理的に応用可能であり、今後の細胞研究における強力な研究ツールとなることが期待されます。

本研究の一部は日本医療研究開発機構および文部科学省の生命動態システム科学推進拠点事業の支援を受けて実施されました。

５．発表雑誌：

雑誌名：「Proceedings of the National Academy of Sciences」（オンライン版の場合：3月8日予定）

論文タイトル：Noise-driven growth rate gain in clonal cellular populations

著者：Mikihiro Hashimoto, Takashi Nozoe, Hidenori Nakaoka, Reiko Okura, Sayo Akiyoshi, Kunihiko Kaneko,

Edo Kussell, Yuichi Wakamoto*

DOI番号：10.1073/pnas.1519412113

アブストラクトURL：http://www.pnas.org/content/early/2016/03/04/1519412113.abstract

６．問い合わせ先：

東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 相関基礎科学系

准教授 若本 祐一

Email： cwaka“AT”mail.ecc.u-tokyo.ac.jp



（AMEDの事業に関すること）

国立研究開発法人日本医療研究開発機構

戦略推進部 医薬品研究課

生命動態システム科学推進拠点事業担当

〒100-0004 東京都千代田区大手町1-7-1

Email： ddlsg“AT”amed.go.jp

※E-mailは上記アドレス“AT”の部分を@に変えてください。

７．用語解説：

（注1）成長ゆらぎ：同じ遺伝情報を持ち、同じ環境中に置かれているにも関わらず観察される１細胞レベルでの成長性質のばらつきや時間的な変動のこと。特に細胞の成長性質として、分裂から分裂までの時間（世代時間）、分裂までの細胞サイズの増加率、分裂直前や直後の細胞サイズなどが指標とされる場合が多い。

８．添付資料：

図. 1細胞計測システム「ダイナミクスサイトメーター」によって観察される大腸菌の顕微鏡写真（上段）、観察画像の解析によって得られる個々の細胞内での遺伝子発現量の表現型ゆらぎ（中段）、細胞サイズの表現型ゆらぎ（下段）。