研究室・教員

計算生物学 (作村研究室)

作村准教授の顔写真
准教授
作村 諭一
助教
国田 勝行
Email
{ saku, kkunida }@bs.naist.jp
研究室HP
https://sakulab.naist.jp

研究・教育の概要

本研究室では、実験観測データを数理的に解析することで、分子と表現型の間にある法則を導き出すことを目的としています。情報・数理解析を通して、分子と表現型を定量的に関連付けることで、様々な物理量間の相互作用として生命機能を解明します。こうした研究を通し、データの分析方法の習得と自主的な思考の訓練をしていきます。

主な研究テーマ

細胞の変形と移動のシステムバイオロジー

神経細胞が生み出す活動電位は、膜タンパクと膜電位からなるシステムの一側面です。同様に、細胞の変形や移動は、分子・力・形態からなるシステムの一側面と見ることができます(図1)。こうした異なる物理単位のシグナルによるシステムを解明するためには、分子・力・形態に関する実験データを解析し、これらシグナル間の数理的関係を導き出すことが重要です。本研究室では、以下のテーマについて取り組んでいます。

  • 細胞骨格形成および力を制御する分子と細胞変形のシステム解明
  • 基質の硬さ依存性の細胞走性
  • 膜電位依存性の神経軸索誘導の原理解明

生体組織形成のシステムバイオロジー

数十個程度の細胞からなる生体組織は、細胞間のコミュニケーションが必要です。細胞どうしによるシグナル交換、各細胞によるシグナル変換、表現型として形成された生体組織が一体となってシステムを構成していると見なすことができます(図2)。こうしたシステムを、実験データを導入した数理解析によって解明することを目的とします。本研究室では、以下をテーマとしています。

  • 脊椎動物の発達における細胞間協調
  • 細胞移動の原理に基づく血管新生

機械学習・制御理論を用いた表現型に関わる重要要素の推定

細胞や個体には個性があり、観察精度を上げてもデータは複雑なままであることがよくあります。そのため、複雑なデータから細胞や個体に共通した知見を抽出することは、もはや研究者の直感では難しくなってきています。本研究室では、以下のテーマについて、計算機で分子と表現型(もしくは分子と遺伝子発現)の関係性を定量的に構築し、そこから一般的な知見を抽出することを目指しています。

  • 膜電位を用いた重要な分子シグナルフロー推定(図3
  • ヒトの呼気成分を用いた病状推定
  • 酵素阻害剤に対する応答データを用いた重要酵素推定
  • シャノン情報理論による細胞内シグナル伝達の情報伝送効率の定量化
  • 非線形システム同定による細胞内シグナル伝達の周波数応答解析
図1
(図1) 膜電位・分子からなるシステム、神経突起長・力・分子からなるシステムの例。様々な物理量(表現型)へのシグナル変換は、実験データから導出される。これらのシグナル変換を組み合わせればシステムが再構成される。
図2
(図2) 各細胞は、組織を無視した動きはできないため、組織形成は、細胞・細胞間コミュニケーション・組織からなるシステムとして見なすことができる。その一側面としての組織形成を解明する。
図3
(図3) 膜電位時系列から細胞内分子システムの推定。細胞内の分子間相互作用を調べる実験は非常に困難であるが、膜電位計測は比較的容易である。膜電位時系列を用い、計算機により細胞内分子システムを推定する。

主な発表論文・著作

  1. Inoue et al, Cell Struct Funct, 43, 153-169, 2018
  2. Okimura et al, Phys Rev E, 97, 052401, 2018
  3. Yamada et al, Scientific Reports, 8, 4559, 2018
  4. Tsuchiya et al, PLoS Comput. Biol., 13, e1005913, 2017
  5. Sakumura et al, Sensors, 17, pii:E287, 2017
  6. Okimura et al, Cell Adhesion & Migration, 10, 331-341, 2016
  7. Katsuno et al, Cell Reports, 12, 1–13, 2015
  8. Fujimuro et al, Scientific Reports, doi:10.1038/srep06462, 2014
  9. Pham et al, Mol. Microbiol. 90, 584-596, 2013
  10. Toriyama et al, Curr. Biol. 23, 529–534, 2013
  11. Kunida et al, J Cell Sci. 125(Pt 10):2381-92, 2012
  12. Kim et al, Mol. Biol. Cell, 22, 3541-3549, 2011
  13. Toriyama et al, Mol. Syst. Biol., doi: 10.1038/msb.2010.51, 2010