細胞運命決定機構：増殖と分化のスイッチ 現象を分子に帰着せさることができない！ ERKの時間波形が異なるだけで異なる現象を制御 Phosphorylated ERK (%) 一過性 ERK 活性化 EGF or NGF EGF 増殖 100 80 60 40 20 0 0 エンコード NGF PC12 cells （precursor of neuron） Phosphorylated ERK (%) Time 10 20 30 40 50 60 Time (min) 持続性 ERK 活性化 分化 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 Time (min) 40 50 デコード 60 細胞内シグナル伝達機構 低分子量G蛋白質とMAP kinase 細胞内シグナル伝達機構 低分子量G蛋白質とMAP kinase 成長因子と膜受容体のリン酸化 アダプター蛋白質 低分子量G蛋白質 MAP kinaseカスケードのリン酸化 細胞内シグナル伝達機構 低分子量G蛋白質とMAP kinase 成長因子と膜受容体のリン酸化 アダプター蛋白質 低分子量G蛋白質 MAP kinaseカスケードのリン酸化 成長因子と膜受容体のリン酸化 成長因子：リガンド リガンドが受容体に結合すると受容体が 自己リン酸化する 細胞内シグナル伝達機構 低分子量G蛋白質とMAP kinase 成長因子と膜受容体のリン酸化 アダプター蛋白質 低分子量G蛋白質 MAP kinaseカスケードのリン酸化 アダプター蛋白質と低分子量G蛋白質 １）アダプター蛋白質（Grb2)が自己リン酸 化した受容体に結合 ２） Grb2がSOSを細胞膜へ運ぶ ３） SOSがRasを活性型(GTP結合型）に 変換 細胞内シグナル伝達機構 低分子量G蛋白質とMAP kinase 成長因子と膜受容体のリン酸化 アダプター蛋白質 低分子量G蛋白質 MAP kinaseカスケードのリン酸化 MAP kinaseカスケード Raf MEK 1) 活性型Ras がRafと結合してkinase活性が上昇 ERK 2) Raf (MAPKKK) が MEK (MAPKK)をリン酸化し てkinase活性を上昇させる 3) 活性型MEKがERK (MAPK)をリン酸化して kinase活性を上昇させる 4) 活性化したERKは転写因子をリン酸化して 遺伝子発現を制御 細胞運命決定機構：増殖と分化のスイッチ 現象を分子に帰着せさることができない！ ERKの時間波形が異なるだけで異なる現象を制御 Phosphorylated ERK (%) 一過性 ERK 活性化 EGF or NGF EGF 増殖 100 80 60 40 20 0 0 エンコード NGF PC12 cells （precursor of neuron） Phosphorylated ERK (%) Time 10 20 30 40 50 60 Time (min) 持続性 ERK 活性化 分化 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 Time (min) 40 50 デコード 60 RasとERKの一過性活性化 EGF Phosphorylated ERK (%) Transient ERK activation 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (min) NGF Phosphorylated ERK (%) Sustained ERK activation 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 Time (min) 40 50 60 Rasの一過性活性化 pR SOS Ras GAP GEF Ras 早い活性化 GAP 遅い不活性化 GEF: 早い活性化 GAP: 遅い不活性化 Rasの一過性活性化 モデル縮約 : Ras のシンプルモデル pR GEF Rasのシンプルモデル GAP GEFi EGFR pR Ras 遅い不活性化 早い活性化 GAPi GEF: 早い活性化 SOS GEF Rasi Ras Ras GAP RasGAP GAP: 遅い不活性化 Rasの一過性活性化 シンプルErkモデル －Rasモデル－ 分子間相互作用 k1 = 0.5 初期濃度：0 GEFa 酵素反応 GEFi 初期濃度：1 定数：1 S k5 = 0.05 k2 = 5 Rasi 初期濃度：1 k4 = 0.005 GAPi 初期濃度：1 k3 = 0.0005 分子間相互作用 Rasa k6 = 100 初期濃度：0 GAPa 酵素反応 初期濃度：0 ＊Ras_modelとして保存 実験結果からパラメータを決める y y f (t ) + + + + + f (t ) k=a k=a k=b k=b t t < + + + + 評価関数 ○残差 yi f (ti ) モデルの出力（シミュレーションで得ら れる分子の時間波形）と，データ点の差 N ○残差2乗和 yi f (ti ) 2 2 ユークリッド距離に相当 i 1 y f (ti ) モデルの出力 f (t ) yi データ点 ti t 残差2乗和を評価関数と して，最小にするよう にパラメータを決める 方法を最小2乗法という ．残差に重みを付ける などして，より一般的 な残差2乗和を用いる場 合もある． Rasのシンプルモデル GEF GEFi pR GAPi Rasi GAP Ras d [GEF ] k1[ pR]([GEFtotal ] [GEF ]) k2 [GEF ] dt d [GAP] k3 [ pR]([GAPtotal ] [GAP]) k4 [GAP] dt d [ Ras ] k5 [GEF ]([ Rastotal ] [ Ras]) k6 [GAP][ Ras] dt ＊ただし[GEFtotal]=[GEF]+[GEFi],[GAPtotal]=[GAP]+[GAPi], [Rastotal]=[Ras]+[Rasi] 無次元化： pR=[pR]/Kd, GEF=[GEF]/[GEFtotal], GAP=[GAP]/[GAPtotal], Ras=[Ras]/[Rastotal], Kd=k2/k1=pk4/k3, Ke=k6[GAPtotal]/k5[GEFtotal], s=k6[GAPtotal] モデル縮約 : Ras のシンプルモデル GEF d GEF R 1 R GEF dt GAP dGAP q p R 1 p R GAP dt Ras d Ras s Ke GEF Ke GEF GAP Ras dt p 3.5, q 0.027, Ke 3.2, s 2 GAPとGEFの 相対的な時間差 Rasのシンプルモデル GEFi EGFR pR GAPi SOS GEF Rasi Ras Ras GAP RasGAP q < 1, GEFが早い（活性化が早い） q > 1, GAPが早い（活性化が遅い） モデル縮約 : Ras のシンプルモデル GEF d GEF R 1 R GEF dt GAP dGAP q p R 1 p R GAP dt Ras Rasのシンプルモデル GAP d Ras s Ke GEF Ke GEF GAP Ras dt p 3.5, q 0.027, Ke 3.2, s 2 GAPとGEFの 相対的な時間差 q < 1, GEFが早い（活性化が早い） q > 1, GAPが早い（活性化が遅い） GEF Rasのシンプルモデル Rasのシンプルモデル q < 1: GEF が早い Ras の一過性活性化 〇 q > 1 : GEF が遅い Ras の一過性活性化 × Rasの複雑モデル q < 1: GEF is faster Transient Ras activation 〇 q > 1 : GAP is faster Transient Ras activation × ランプ刺激：刺激の速度を変えよう 刺激のスピードとqの関係に着目！ ステップ GAP stimulation (const.) GEF r: (rate of pR) ランプ stimulation (1 e rt ) Ras 刺激の速度に対する一過性ERKの応答 EGF 刺激 Rasのシステムは刺激の速度（強度ではない）を捉えていた。 速度＝濃度差/時間なので2段階刺激 刺激速度が早い 時間あたりの濃度差 刺激の強度そのものではない EGF Phosphorylated ERK (%) 持続性ERKの活性化 100 80 60 ? 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 NGF Phosphorylated ERK (%) Time (min) 100 ? 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (min) Inactivation is constant NGF刺激の速度を変えてみると NGF stimulation NGFの最終濃度（強度） → 持続性ERKの活性化 Rap1とRasのシンプルモデル 違いはたった一つ SOS Ras：さっきと同じ GEF GEFi TrkA pR GAPi Rap1 GEFi TrkA pR Rasi Ras Ras GAP RasGAP 刺激依存 C3G GEF Rap1i Rap1 Rap1 GAP (constant) Rap1GAP 刺激非依存 RasとRap1の定常状態 Ras Ras Rap1 1 1 pR 1 pKe 1 p pR pR Rap1 (1 Ke) pR Ke 1 1 1 Ke 0.1 0.01 Ras 0.001 0.001 0.01 1 pKe 0.1 pR 0.1 0.01 1 1 10 100 1 1 Ke Rap1 Ras 1 Rap1 0.001 0.001 0.01 0.1 pR pR Ke 1 10 100 持続性ERKの活性化 複雑モデル ERK: NGF (Rap1) 実験結果 ERK: pTrkA ERK: EGF (Ras) ERK: pEGFR RasとRap1システムの普遍的な特徴 Receptor GEF GAP Ras Growth factors t Receptor GEF Rap1 GAP ERK ERK 速い活性化と遅い不活性化 不活性化が一定 Encoders Ras t Rap1 t １）一過性ピーク：早いスピード （刺激の早い時間成分） Sasagawa, S. et al, Nat. Cell Biol. 2005, 7 (4), 365-373 RasとRap1システムの普遍的な特徴 Receptor GEF GAP Ras Growth factors t Receptor GEF Rap1 GAP ERK ERK 速い活性化と遅い不活性化 不活性化が一定 Encoders Ras t Rap1 t １）一過性ピーク：早いスピード （刺激の早い時間成分） ２）持続性活性化： 刺激の強さによらない Sasagawa, S. et al, Nat. Cell Biol. 2005, 7 (4), 365-373 RasとRap1システムの普遍的な特徴 Receptor GEF GAP Ras Growth factors t Receptor GEF Rap1 GAP ERK ERK 速い活性化と遅い不活性化 不活性化が一定 Encoders Ras t １）一過性ピーク：早いスピード （刺激の早い時間成分） ２）持続性活性化： 刺激の強さによらない Rap1 t １）持続性活性化：刺激の強さ （刺激の遅い時間成分） Sasagawa, S. et al, Nat. Cell Biol. 2005, 7 (4), 365-373 不活性化の違いが微分回路と積分回路を生み出す！ Receptor GEF GAP Ras Growth factors t Receptor GEF Rap1 GAP ERK ERK 速い活性化と遅い不活性化 Encoders ERK t 一過性ピーク：速いスピード 高周波成分：速くないとダメ （微分回路） 不活性化が一定 ERK t 持続性活性化：刺激の強さ 低周波成分：遅くないとダメ （漏れ積分回路） 私が長らく気づかなかった衝撃の真実 ステップ ランプ インパルス 刺激 t t 速い、遅い時間成分 Ras-like system (微分回路、 高周波フィルタ？） t t 速い時間成分 遅い時間成分 t 時間パターンが情報だったのね！ 分子の正体は通信媒体だったのか。。。 t t Rap1-like system (積分回路、 低周波フィルタ？） t t 刺激パターン Ｘ 分子ネットワーク ＝ 反応 つまり、入力シグナルの時間波形(周波数）を signaling networksがフィルタしている！ Matlab demo 活性化ERKの時間情報デコーディング Growth factor 刺激の時間情報 Ras/Rap1 Encoder 広い意味での周波数応答 ERK ERKへのエンコード Decoder1 ON gene A Decoder2 OFF gene B OFF gene A 増殖 ベースの変動で増殖したくない ON 下流でのデコード gene B 分化 異なる現象（増殖と分化） ノイズで分化したくない 周波数応答：シグナルの周波数成分に情報を乗せる これってFMのコーディングのこと！ 振幅変調: AM (Amplitude modulation) 波の振幅 周波数変調: FM (Frequency modulation) 波の周波数 活性化ERKの時間情報デコーディング Growth factor 刺激の時間情報 Ras/Rap1 Encoder PC12細胞はプロトタイプとしてはよいが、、、 ERK ERKへのエンコード １）刺激の生体内の時間波形が不明 ２）細胞レベルから臓器レベルへの展開 Decoder1 Decoder2 ON gene A OFF gene B OFF gene A 増殖 ベースの変動で増殖したくない ON 下流でのデコード gene B 分化 異なる現象（増殖と分化） ノイズで分化したくない TAKE HOME MESSAGE 分子は媒体 分子(ERK) → 機能（細胞増殖） ERK経路の役割 •細胞増殖 •細胞分化 •細胞死 •細胞周期 •記憶学習。 刺激 時間 Encoder シグナル 分子活性 Decoder1 ON gene A Decoder2 OFF gene B 増殖 ON OFF gene A gene B 分化 分子と機能をついつい 対応させたくなるけど、 、 分子自体は情報ではない！ 分子は媒体 電磁波 周波数、振幅 空気振動 音楽、ニュース 分子やネットワークは媒体 →情報を伝えるもの 分子の「変動パターン」が情報 成長因子 →分子ネットワークの上を伝わるもの シグナル分子波形 時間波形 細胞増殖 細胞分化
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