【研究成果】中间层がくびれた分子ネットワーク构造の自発的な出现机构の解明

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【研究成果】中间层がくびれた分子ネットワーク构造の自発的な出现机构の解明

【研究成果】中间层がくびれた分子ネットワーク构造の自発的な出现机构の解明

本研究成果のポイント

中间层がくびれた多层ネットワーク构造である叠辞飞-迟颈别构造※は、ガン化関连経路をはじめとする分子ネットワークに多く见られ、その进化原理が议论されてきた。
叠辞飞-迟颈别构造は进化初期段阶の相互作用が小さければ自発的に出现することを示し、叠辞飞-迟颈别构造出现机构を解明した。
生命の情报処理システムの起源や、ガン化関连経路の成り立ちに迫る重要な手掛かりに。

概要

　细胞内の情报伝达ネットワーク(遗伝子ネットワーク、シグナル伝达系)には一般的に、入力层、中间层、出力层、という阶层性があります。特に中间层がくびれたネットワークは叠辞飞-迟颈别构造として知られ、様々な生物や伝达系で报告されています。叠辞飞-迟颈别构造の偏在性の説明として、构造の机能的な有利性が今までに考えられてきました。しかし、私たちは网罗的な设定で进化シミュレーションを行い、叠辞飞-迟颈别构造の出现に寄与しているのは机能の最适化ではなく、适応初期段阶の相互作用の大きさであることを発见しました。常微分方程式を用いた进化ダイナミクスの解析からも叠辞飞-迟颈别构造の出现条件は初期相互作用の大きさが重要であることを示しました。
　自発的に生じた叠辞飞-迟颈别构造は适応目标によってはやがて崩壊してしまいますが、环境揺らぎを考虑すると、叠辞飞-迟颈别构造は长い间维持されることがわかりました。さらに、进化の初期段阶で分子间相互作用が大きい场合でも、入出力数の増大などを考虑することで叠辞飞-迟颈别构造が出现することを示しました。このことから、叠辞飞-迟颈别构造は机能的に有利だから进化したのではなく、进化の过程で出现しやすい构造であったと本研究では主张しています。
　本研究成果は、2024年6月29日に学术誌「npj Systems Biology and Applications」でオンライン公开されました。

论文情报

題目: Revisiting the evolution of bow-tie architecture in signaling networks.
著者: 伊藤冬馬^{1, 2, 3}, 近藤洋平^{1, 2, 3}, 青木一洋^{1, 2, 3}, 斉藤稔^3,4,*
１ )総合研究大学院大学
２) 基礎生物学研究所
３) 生命創成探究センター
４) 広島大学大学院统合生命科学研究科
＊) 責任著者
近藤洋平助教(現：京都大学特定准教授)、青木一洋教授(現：京都大学教授)に関しては研究遂行時の所属
掲载誌: npj Systems Biology and Applications
DOI:

背景

　细胞は、环境状态に反応し分子ネットワークを通して内部状态を変化させる情报処理装置とみなすことができます。この情报処理を担う分子ネットワークには、しばしば特徴的な构造が见られることが知られています。ネットワーク构造は机能と密接に関わると考えられ、构造の设计原理を机能の最适性から説明する试みがシステム生物分野で多く行われてきました。しかし近年は、机能の最适性によらず自発的に出现するネットワーク构造も知られており、设计原理を自発性から説明する试みが注目されています。本研究はそのような研究の一つと位置付けられます。
　本研究で着目した叠辞飞-迟颈别构造は、素朴な构造ながらも、细胞内の情报処理の中枢において多く见られる构造です。しかしながら、叠辞飞-迟颈别构造は中间层への摂动に弱く、実际に叠辞飞-迟颈别构造の中间层への変异がガン化の要因となる场合も知られています。このような脆弱性を持つ构造が、どうして细胞内の情报処理の中枢に多くあるのか、その理由は果たして最适化の结果なのか、という疑问を抱き、本研究を着想しました。

研究成果の内容

　细胞内ネットワーク、特に遗伝子调节ネットワークやシグナル伝达ネットワークには、特有の阶层构造である「叠辞飞-迟颈别构造」が见られます。この构造は、复数の入力と出力、そして狭い中间层から成り立っています。これまで、叠辞飞-迟颈别构造の普遍性は、この构造が持つ适応上の利点(高い进化の可能性や入力を分类する能力など)によって説明されてきました。しかし我々は、进化の初期条件で分子间相互作用が弱い场合、机能的な利点がなくても叠辞飞-迟颈别构造が必然的に出现することを示しました。また、初期条件に强い分子间相互作用を持っていても、适応の途中段阶で入力(つまり受容体)と出力(つまり下流の遗伝子)の数が増加すると、中间层の幅が减少し、より狭い中间层を持った叠辞飞-迟颈别构造が出现することを示しました。多くの先行研究は叠辞飞-迟颈别构造の适応特性について议论してきましたが、我々の発见は、叠辞飞-迟颈别构造が自発的に进化したものである可能性を示唆しています。

今后の展开

　本研究は、细胞内ネットワークに多く见られる叠辞飞-迟颈别构造に焦点を当て、この构造がどのようにして进化してきたのかを明らかにしました。その结果、叠辞飞-迟颈别构造は必ずしも机能的适応性を理由に进化するわけではないことを示しました。さらに生物情报学的な解析などへと発展させることにより、生命の情报処理システムの起源に迫ることなどが期待されます。