表現型のばらつきを利用した環境適応機構の解明

利用表型变异阐明环境适应机制

基本信息

批准号：
18J01280
负责人：
高野壮太朗
金额：
$ 2.58万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年の１細胞解析技術の進展により、同じ遺伝情報を持つ細菌集団においても、個々の細胞が示す機能や特性に大きな違いが生まれることが明らかとなり、こうした表現型のばらつきが細菌の環境適応に重要な役割を果たすことが明らかとなっている。一方で、遺伝的変異に依らない性質の違いが生み出されるプロセスや、それらがどの程度の期間安定的に保持されうるのかについては今なお理解が不足している。私は、細菌1細胞ごとの生理状態のばらつきを長期間にわたって観察可能な計測システムを構築し、表現型ばらつきの発展プロセスの理解を目指してきた。特に本研究では、飢餓状態におかれた大腸菌クローン細菌集団をモデルとし、富栄養環境への移行に伴い速やかに再増殖を開始する一部の小集団の出現プロセスの解明を進めてきた。採用第三年度目では、細胞ごとの成長特性の違いが世代や時間を越えて安定して受け継がれているのか、細胞ごとの成長速度のばらつき増大にどのような生化学反応プロセスが関わっているのかの二点の解明に取り組んできた。初めに、細胞ごとの成長特性が飢餓条件下でどれだけ安定して保持されるかを調べたところ、同一祖先細胞から派生した細胞間であっても、世代を経るごとに異なる成長特性を示す傾向にあることが明らかとなった。また、同一の細胞であっても数日間に及ぶ長期間のタイムスパンで見た場合には、飢餓環境中での成長速度は大きく変化しやすい傾向にあることも明らかとなった。続いて、成長速度のばらつきと関わりのある生体反応として、細胞内貯蔵物質を分解する代謝経路に着目し、それらの一部を欠損させた大腸菌を使って個々の細胞の成長速度を解析したところ、代謝経路の一部を欠損させると、成長速度におけるばらつきが極めて小さくなることが明らかとなり、成長特性におけるばらつきと関わりのある生理機能についても明らかにすることができた。

单细胞分析技术的最新进展表明，即使在具有相同遗传信息的细菌群体中，单个细胞所表现出的功能和特征也存在显着差异，并且已经表明，这些表型变异在适应细菌环境因素方面起着重要作用。另一方面，仍然缺乏对产生不依赖遗传变异的性质差异以及可以稳定维持多长时间的过程的过程。我建立了一个测量系统，可以长期观察每个细菌细胞的生理状态的变化，并旨在了解表型变异的发展过程。特别是，这项研究以饥饿的大肠杆菌克隆细菌种群进行了建模，并一直在努力阐明一些小人群的出现过程，这些人群随着它们转移到富营养化环境而开始迅速重新分化。在采用的第三年，我们一直在努力阐明两个点：每个细胞的生长特征的差异是否稳定地传递在世代和时间上，以及哪种生化反应过程涉及每个细胞的生长速率变化的增加。首先，我们研究了每个细胞在饥饿条件下保持稳定的生长特性，并发现即使是从同一祖先细胞衍生的细胞之间，随着时间的流逝，也倾向于表现出不同的生长特征。还可以揭示，即使在长时间的几天内观察时，即使相同的细胞也倾向于发生巨大变化。接下来，我们专注于将细胞内储存物质分解为与生长速率变化相关的生物反应的代谢途径，并分析了使用大肠杆菌部分有缺陷的单个细胞的生长速率，并且当代谢途径的一部分不足时，生长速率的变化与生长速度的变化变得非常小，并且可以澄清该物理学的变化，从而阐明了功能的变化。