大腸菌進化実験を用いた環境適応ネットワークの構成的理解

使用大肠杆菌进化实验对环境适应网络的建设性理解

• 批准号: 15KT0085
• 负责人: 古澤 力
• 金额: $ 11.56万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-07-10 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15KT0085/
• 关键词: 環境適応ネットワーク; 大腸菌; 進化実験

生物システムは動的に変化する環境条件に対し、柔軟にその内部状態を変化させることによって適応をする能力を持つ。近年の分子生物学の発展は、その適応に関与する多くの要素を同定した一方で、こうした複数の構成要素からなる環境適応ネットワークが、進化の過程によってどのように出現したかについては、不明な点が多く残されている。そこで本研究では、多数の異なる環境下での大腸菌進化実験を行い、その進化ダイナミクスをトランスクリプトーム解析やゲノム変異解析によって定量する。そうした定量データに基づき、細胞モデルの進化シミュレーションを援用しつつ、環境適応ネットワークの進化ダイナミクスが持つ一般的な性質を明らかにする。平成28年度は、96種類の異なるストレス（酸・アルカリ・重金属・抗生物質など）を付与した環境下での大腸菌の進化実験系を実施した。それぞれのストレス環境下において、6つの独立系列で30日程度の植え継ぎ培養による進化実験を行い、87種種類の環境においてストレス耐性能（最小阻害濃度）の有意な上昇を観測した。これらの耐性株について、ゲノム変異解析のためのサンプル取得と、トランスクリプトーム解析のための実験系の構築が完了しており、29年度に定量データの取得を行う。また並行して、単純化した細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析により、表現型進化が少数次元のダイナミクスによって拘束される現象を見出した。この結果は、大腸菌の進化実験の結果においても、トランスクリプトーム空間において可能な表現型の変化が少数次元の空間に拘束されていることを示唆している。今後、この予測を定量的に評価し、環境適応と進化のダイナミクスと、それをもたらすネットワークが持つ一般的な性質を明らかにする。

生物系统具有通过灵活改变其内部状态来适应动态变化的环境条件的能力。尽管分子生物学的最新进展已经确定了许多与适应有关的元素，但仍不清楚这种多成分的环境适应网络是如何通过进化过程出现的。因此，在本研究中，我们将在多种不同环境下进行大肠杆菌进化实验，并通过转录组分析和基因组突变分析来量化其进化动态。基于这些定量数据，我们将利用细胞模型的进化模拟来阐明环境适应网络进化动力学的一般性质。 2016财年，我们进行了大肠杆菌在96种不同压力（酸、碱、重金属、抗生素等）环境下进化的实验系统。在每种胁迫环境下，我们通过传代培养6个独立品系约30天进行进化实验，观察到在87种不同环境下胁迫耐受性（最低抑制浓度）显着增加。对于这些耐药菌株，我们已经完成了基因组突变分析样本的获取和转录组分析实验系统的构建，我们将在2021财年获得定量数据。与此同时，通过计算机模拟和简化细胞模型的理论分析，我们发现表型进化受到更少维度的动力学约束。这一结果表明，转录组空间中可能的表型变化被限制在几维空间内，即使在大肠杆菌进化实验的结果中也是如此。未来，我们将定量评估这一预测，并阐明环境适应和进化的动态，以及导致这种情况的网络的一般属性。

项目成果

「進化の謎をゲノムで解く」（長谷部光泰監修）

“利用基因组解开进化之谜”（长谷部光康监督）

• 发表时间: 2015
• 作者: Takaaki Horinouchi;Tomoya Maeda;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;堀之内貴明,古澤力;金子邦彦,古澤力;堀之内貴明,酒井亜希,田辺久美,古澤力;堀之内貴明,前田智也,古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;堀之内貴明;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力
• 通讯作者: 古澤力

生物システムの安定性と可塑性： 理論と実験からのアプローチ

生物系统的稳定性和可塑性：理论和实验方法

• 发表时间: 2015
• 作者: Takaaki Horinouchi;Tomoya Maeda;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;堀之内貴明,古澤力;金子邦彦,古澤力;堀之内貴明,酒井亜希,田辺久美,古澤力;堀之内貴明,前田智也,古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力
• 通讯作者: 古澤力

大腸菌進化実験と 細胞シミュレーションを用いた 適応進化ダイナミクスの解析

使用大肠杆菌进化实验和细胞模拟分析适应性进化动力学

• 发表时间: 2015
• 作者: Takaaki Horinouchi;Tomoya Maeda;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;堀之内貴明,古澤力;金子邦彦,古澤力;堀之内貴明,酒井亜希,田辺久美,古澤力;堀之内貴明,前田智也,古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;古澤力;堀之内貴明;古澤力
• 通讯作者: 古澤力

Escherichia coli cellular state profiling during adaptive evolution to various stress conditions using omics technology

使用组学技术对各种应激条件的适应性进化过程中的大肠杆菌细胞状态进行分析

• 发表时间: 2016
• 作者: Takaaki Horinouchi;Tomoya Maeda;Chikara Furusawa
• 通讯作者: Chikara Furusawa

実験室進化とオミックス解析によるイソプロパノール耐性大腸菌の育種

通过实验室进化和组学分析培育耐异丙醇大肠杆菌

• 发表时间: 2016
• 作者: Takaaki Horinouchi;Tomoya Maeda;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;Chikara Furusawa;堀之内貴明,古澤力;金子邦彦,古澤力;堀之内貴明,酒井亜希,田辺久美,古澤力
• 通讯作者: 堀之内貴明,酒井亜希,田辺久美,古澤力