大腸菌細胞間相互作用をとおしてみた生命体情報ネットワーク

通过大肠杆菌细胞间相互作用看到的生命体信息网络

• 批准号: 16650063
• 负责人: 清水 浩
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16650063/
• 关键词: 大腸菌; 生命体情報ネットワーク; 細胞間相互作用; 適応; フローサイトメトリー; 連続培養系; GFP; ダイナミクス; 生物ネットワーク; 細胞集団; フローサイトメータ; ダイナミクス解析

細胞内には遺伝子、タンパク質、代謝といった多階層のネットワークが存在し、それらの階層間の関係が複雑に絡み合っている。さらに環境と細胞間の相互作用を通じて、上位の階層である細胞集団においても細胞間の相互作用ネットワークが形成される。本研究では、生物ネットワークの解析を行うことにより、そこでの情報のやりとりを明らかにしていくことを目的とした。大腸菌としてグルタミン合成酵素遺伝子を欠損させた宿主にグルタミン合成酵素・GFP融合遺伝子をプラスミドで組み込んだ大腸菌を創製し、細胞の内部状態を可視化した。最小培地を使用し、グルタミン酸を単一窒素源とすることで連続培養系において、供給グルタミン酸濃度を変化させ、環境変化を与えた。このグルタミン合成酵素・GFP融合遺伝子は通常自然界の大腸菌が有する窒素源の量に応答して発現が制御されるようなプロモータではなく、構成的に発現するプロモータにより発現させた。つまり、遺伝子の発現と環境における遺伝子発現の必要性を断ち切ったシステムを用いた。連続培養系で、一定のグルタミン酸濃度の培地を供給し、定常状態を保った後、供給するグルタミン酸濃度を、5mM、1mM、0.1mMのように段階的に変化させ、環境中の細胞に対してグルタミン酸や変換されるグルタミンの量が枯渇した条件を設定した。また、逆に、栄養源を過剰供給し、環境変動が遺伝子発現にどのような影響を与えるのか解析した。その際フローサイトメトリーにより、発現量分布の大きさやその変化が環境の変化とどのように対応するかについて検討した。遺伝子の発現と環境における遺伝子発現の必要性を断ち切ったシステムを用いたにもかかわらず、遺伝子の発現量は、環境変動に対応してその必要性に応じて変化することが明らかとなった。環境を通した細胞間の相互作用や遺伝子発現の揺らぎがこのような現象を引き起こす原因として考えられた。

细胞内存在基因、蛋白质和新陈代谢的多层网络，这些层之间的关系错综复杂地交织在一起。此外，通过环境与细胞之间的相互作用，即使在上层细胞群中也形成了细胞之间的相互作用网络。这项研究的目的是通过分析生物网络来阐明那里的信息交换。我们创建了一种大肠杆菌菌株，其中谷氨酰胺合成酶/GFP融合基因作为质粒插入到缺乏谷氨酰胺合成酶基因的宿主中，并可视化细胞的内部状态。通过使用基本培养基并使用谷氨酸作为唯一氮源，在连续培养系统中改变所提供的谷氨酸浓度以改变环境。这种谷氨酰胺合成酶/GFP融合基因是使用组成型表达的启动子来表达的，而不是使用通常响应大肠杆菌在自然界中具有的氮源量来控制表达的启动子。换句话说，我们使用的系统消除了基因表达和环境基因表达的需要。在连续培养系统中，供给谷氨酸浓度恒定的培养基，维持稳定状态后，将供给的谷氨酸浓度逐渐变为5mM、1mM、0.1mM，设定条件，其中谷氨酸的量待转化的谷氨酸和谷氨酰胺耗尽。相反，我们分析了环境变化如何通过营养过剩影响基因表达。当时，我们使用流式细胞术来检查表达水平分布的大小以及其变化与环境变化的对应关系。尽管使用的系统消除了基因表达的需要以及环境中基因表达的需要，但很明显，基因表达的量根据响应环境变化的需要而变化。人们认为细胞之间的相互作用和环境中基因表达的波动是造成这种现象的原因。

项目成果

Analysis of fluctuation in gene expression based on continuous culture system

基于连续培养系统的基因表达波动分析

• 发表时间: 2006
• 期刊: Proceedings of The 2nd International Workshop on Biologically Inspired Approaches to Advanced Information Technology LNCS 3853
• 作者: T.Yamada;H.Shimizu et al.
• 通讯作者: H.Shimizu et al.

Dynamic Behavior of Cell Distribution in Continuous Culture of Escherichia coli

大肠杆菌连续培养中细胞分布的动态行为

• 发表时间: 2005
• 期刊: ソフトウエアバイオロジー 4
• 作者: T.Yamdada;H.Shimizu et al.
• 通讯作者: H.Shimizu et al.

Analysis of Cell Population Dynamics in Continuous Culture of Escherichia coli

大肠杆菌连续培养细胞群动态分析

• 发表时间: 2004
• 期刊: Proceedings of 10th The Asia Pacific Confederation on Chemical Engineering (APCChE04), Kitakyushu, 6 pages, Oct 17-21(2004) (CD-ROM)
• 作者: T.Yamdada;H.Shimizu et al.
• 通讯作者: H.Shimizu et al.