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生体組織の構築と破綻を制御する分子機構の数理モデル解析

研究代表者
越川直彦
東京工業大学生命理工学院 健康医療科学分野
http://koshikawalab.bio.titech.ac.jp/

研究概要

本研究では、EMT誘導した上皮細胞に発現するその関連分子群の経時的な定量化と細胞形態変化の時空間的な情報を網羅的に解析し、これらの情報をもとに数理モデル解析を行うことで、EMTの統合的な理解を進めていく。そのため、*逆相タンパク質アレイ(Reverse Phase Protein Array: RPPA)解析によって得られる多次元時系列データとタイムラプス顕微鏡による時系列画像データに対し、統計学的解析と数理科学的解析を行うことで、高精度の数理モデルを構築し、EMT、METを介した生体組織の構築と破綻の制御を理解し、細胞社会ダイバーシティーの全貌を明らかにする。
そのため、RPPAを用いて時空間的情報の取得を含む網羅的な解析を行い、得られたデータをもとに数理モデル解析を行うことで、EMT、METの統合的な理解を進めることを目指している。マウス乳腺上皮細胞NMuMG細胞にTGF-βを添加後、一定間隔でサンプリングし、RPPAによってEMT、METマーカーとして知られる各種タンパク質の定量的データを取得する。指標細胞としてNMuMG細胞を用いて、TGF-β処理によって効率的にE-Cadherinの減少、N-Cadherinの増加が誘導される株を新たに単離した。今後、得られた定量データをもとに数理モデルを構築しシミュレーションを行うことで、生体組織の構築と破綻を制御する分子機構を理解する。更に、TGF-βによって惹起されるシグナル伝達と EMTの形態学的変化を統合的に理解するため、形態観察も同時に行っている。E-Cadherin、N-Cadherinプロモーターの制御下で蛍光タンパク質を発現するNMuMG細胞を作成し、EMT誘導時の細胞形態および蛍光強度の変化を蛍光顕微鏡によるライブイメージングで観察し、EMT 開始前後の微小変化の特徴を数理科学的に捉える。以上より、EMT、METを介した生体組織の構築と破綻の制御を理解し、細胞社会ダイバーシティーの統合的解明と制御の理解に繋げる(図1)。
また、実験生物と数理科学の融合研究を円滑に進めるため、RPPAによる多次元時系列情報を基にしたがん悪性化進展制御の数理シミュレーションによる検証を進めている。本研究は、先行研究で見出している肝がん細胞のEMT化(がん幹細胞化であり、上皮細胞のEMTとは異なる)によるがん悪性化進展の分子機構に着目した。その悪性化はEGF受容体とEphA2受容体、それら下流シグナル経路が複雑に交差することで進展する。さらに、EphA2はそのリガンドのEphrin-Aの存在の有無により、がん抑制、促進の相反するシグナルを制御する。実験生物学的手法では、これら複雑なシグナル経路の交差を限定的条件下で検出(可視)することはできたが、これらシグナルが生体内でどのような交差をしているのか、それら全容を可視することはできていない。そこで、肝がん細胞を用いたRPPA解析により、肝がんの悪性化に寄与する細胞シグナルを多次元時系列で定量化し、その情報を基にした肝がん悪性化シグナル制御を数理モデルで表し、数理シミュレーションによる予測、その予測の実験生物学的な検証を進めている(図2)。以上より、実験生物学と数理学の融合により不可視な細胞シグナルのダイバーシティーを可視化することで、肝組織の破綻を伴うがん化の一端を明らかにする。

*逆相蛋白質アレイ(Reverse Phase Protein Array: RPPA)は、ウエスタンブロット(WB)に代わるハイスループットな細胞シグナルの多次元時系列解析法(図1,2)。
EMT関連シグナル分子の抗体(約40種)に加え、主要な細胞シグナル経路に関する抗体(約60種)のバリデーションを行い、従来のWBを越える高感度、ハイスループットなRPPA解析を確立し、領域内の班員へRPPA解析技術を提供できる環境整備を整えている。

参考文献

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