細胞工学 33巻1号 (2013年12月発行)

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特集　生命システムのロバストネスとは何か?

Overview 守屋　央朗 33巻1号 , 2013年12月 , pp.10-12

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「ロバストネス」という言葉は，細胞工学2011年5月号のコラムで近藤滋博士にかつてこう評された．『これも，最近，読んだり聞いたりすることが急激に増えた言葉ではあるが，恒常性，あるいは安定性じゃいかんのか？といつも思う．でも，たまに自分でも使っちゃったりしている．“恒常性”という生物学的な香りのする言葉よりも，工学的な香りがするので，新奇性を印象づけられる．だが，意味はやはり漠然としている．昨今勢力を伸ばしているのは，やはりジンクピリチオン効果によるところが大きいと思われる．』2006年ごろから研究テーマのタイトルに使っていた私は，このコラムを読んでびっくりした．しかし，私は「これはいい機会だ．きっとこのコラムがきっかけでロバストネスの認知度があがる」とすぐに思い直した．その甲斐あってか（？），ロバストネスは生物学のいろいろな側面でよく見かけるようになった．様々なロバストネス研究が花開き始めている現在，国内科学誌としては初（私が知るかぎり国際的にも初めて）の「ロバストネス」特集を組むことになった．

【第1部】細胞レベルのロバストネス　遺伝子発現のロバストネス谷口　雄一 33巻1号 , 2013年12月 , pp.13-18

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遺伝情報（ゲノムDNA）からのmRNA・タンパク質の発現は基本的にロバストではない．たとえゲノムが等しい細胞同士でも，内部環境の違いから1つ1つの細胞で行われる遺伝子発現には大きな差異が存在しており，しかもその量は絶えずゆらいでいる．ところが，筆者らの最近の研究により，こうした細胞ごとの遺伝子発現のばらつきの中には，一定の秩序性が存在していることがわかってきた．本稿では，遺伝子発現のばらつきの秩序性の性質とそれを決定づける仕組み，影響性について解説する．

【第1部】細胞レベルのロバストネス　タンパク質の発現量の変化に対する細胞システムのロバストネスを測る守屋　央朗 33巻1号 , 2013年12月 , pp.19-25

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細胞の生命活動は，数千から数万のタンパク質が複雑に相互作用することによって営まれている．それぞれのタンパク質の発現量は5,000倍以上も違うが，その量はどれほど厳密でなければならないのだろうか？本稿では，細胞内のタンパク質の発現量の変化に対する細胞システムのロバストネスについて，筆者らが行っている遺伝子綱引き（gTOW）法を用いた解析を紹介する．明らかになってきたのは“化学量不均衡”が細胞システムに脆弱点を作る分子機構であるということだった．一方で，細胞システムにはこの脆弱点を回避するための機構も組み込まれていることがわかってきた．

【第1部】細胞レベルのロバストネス　ロバストな試験管内･細胞内分子ネットワークの構築関根　亮二 , 木賀　大介 33巻1号 , 2013年12月 , pp.26-30

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細胞の機能は生体分子を構成要素とする分子ネットワークによって達成されている．ある1つの機能を達成するための分子ネットワーク構造は複数種類あり，同じ機能を持つネットワーク構造でもそのロバストネスは異なる．ロバストな分子ネットワークは目的の機能を細胞に付与するための遺伝子ネットワークである人工遺伝子回路の設計・構築で特に求められる．本稿では，筆者らの研究グループが行った細胞に細胞種多様化の機能を付与する人工遺伝子回路の設計・構築研究の紹介，および試験管内転写制御ネットワーク設計に関する一連の研究の紹介を通じて，細胞内・試験管内でのロバストな分子ネットワークの設計について解説する．

【第1部】細胞レベルのロバストネス　代謝ネットワークのロバストネス竹本　和広 33巻1号 , 2013年12月 , pp.31-36

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代謝ネットワークは遺伝的・環境的摂動に対してロバストである．このような代謝ネットワークのロバストネスは経路の冗長性や制御機構に起因すると考えられているが，これまでの解析は限定的なものであった．しかしながら，近年の実験とインフォマティクスに基づく網羅的解析から，様々な文脈において冗長性や制御機構が大規模に検証され，代謝ネットワークが多様かつ巧妙なメカニズムを通してロバストネスを獲得していることが詳細にわかってきた．これらの結果から，代謝ネットワークの新たな様相が見えてきた．

【第1部】細胞レベルのロバストネス　生命システムのロバストネスを数理的に理解する望月　敦史 33巻1号 , 2013年12月 , pp.37-42

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多数の分子が複雑に相互作用するシステム全体のダイナミクスから，生命機能が生まれるのだとわかってきた．複雑なシステムのダイナミクスを理解するために，数理的方法が新しい手法として期待されている．本稿では，ネットワークの形だけからダイナミクスを捉える理論を紹介し，その結果を元に制御ネットワークの形が作り出すロバストネスについて考察する．システム全体のダイナミクスは一部の分子のみで捉えられること，またそれらの分子はネットワークの構造だけから決定できることを理論的に示す．実際の生命システムを用いて，ネットワーク上の制御に撹乱を与えてもシステム全体を代表する分子が変わらない例や，撹乱に対する強弱の差がネットワークの構造から決まる例を示す．

【第1部】細胞レベルのロバストネス　細胞は信号のばらつきを補償して情報をロバストに伝達する宇田　新介 , 黒田　真也 33巻1号 , 2013年12月 , pp.43-47

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細胞は，細胞内シグナルによって情報伝達を行い，分化などの表現型を制御している．しかし，細胞ごとにシグナル強度がばらつく中で，どれくらいの情報量をどのように伝達しているのかについてはほとんど不明であった．そこで今回，筆者らは，以前に開発した細胞の信号を1細胞レベルで定量的かつ大規模に測定するQIC法を用いて，細胞が伝達している情報量をシャノンの情報理論の枠組みに基づき，解析を行った．その結果，成長因子などの刺激で細胞内部へ伝達されている情報量は約1ビットであった．さらに様々な経路の阻害剤を加えたところ，シグナル強度は下がるにもかかわらず，情報量は保たれた．また，情報をロバストに伝達する仕組みの1つとして，阻害剤によってある経路が阻害されても，阻害されていない経路が情報量を補償して合計の情報量を保つことがわかった．これらより細胞は外乱に対して補償的な情報伝達を行い，情報量をロバストに保つ仕組みを有すると考えられる．

【第1部】細胞レベルのロバストネス　細胞運動のゆらぎから探るロバストな細胞情報処理機構高木　拓明 , 佐藤　雅之 , 上田　昌宏 33巻1号 , 2013年12月 , pp.48-54

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細胞運動は細胞システムの統合された出力の1つとして捉えることが可能である．では環境に明示的な外部刺激が存在しない場合に起こるランダムな細胞運動（自発運動）には何か能動的な役割があるのであろうか．筆者らは細胞運動の1細胞計測によってそれを探る理論と実験の融合研究を実施した．細胞の自発的な運動様式の同定，細胞の走電性による入出力関係の同定，そして両者の定量的な関係の同定を進めた結果，細胞が運動のゆらぎを排除せず，むしろそれを積極的に取り入れることによってロバストな情報処理を実現している様子が明らかとなってきた．

【第2部】個体レベルのロバストネス　免疫システムとロバストネス秋山　泰身 , 小林　徹也 33巻1号 , 2013年12月 , pp.55-60

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免疫システムは強力な個体の防御機構である．一方，その制御の破綻は自己免疫疾患，慢性炎症，免疫不全などの様々な疾患と関連する．したがって，免疫システムが必要十分な強度で持続して機能し続けるため，多くのロバストな制御機構が存在するはずである．病原体などの抗原を認識したT細胞は増殖・分化することで免疫応答を誘導するが，その増殖や活性は様々な機構で巧妙に制御される．本稿は，免疫応答時にT細胞数の増加を一過性にするための機構および外的要因などでT細胞数が減少した際に増殖を促進する機構に関して，in vivo実験と数理モデルを組み合わせて解析した研究に着目し，T細胞数の維持システムにおけるロバストネスを考察する．

【第2部】個体レベルのロバストネス　細胞のロバストな振る舞い　再生、発がん、リプログラミング鈴木　淳史 33巻1号 , 2013年12月 , pp.61-66

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細胞は，それが単細胞生物であっても，また多細胞生物の一部であっても，擾乱に対してしなやかに振る舞う術を得ている．単細胞生物は自らの命に直結するのだから当然かもしれないが，多細胞生物では，それが個体の維持につながるよう統合的にシステムとして生じるのだから不思議である．まさに“ロバストネス”のなせる業と言えるだろう．本稿では，再生可能な臓器である肝臓の持つロバストな再生システムやロバストネスの崩壊による疾患の発症について筆者らの研究を中心に紹介するとともに，近年進展が著しい細胞のリプログラミングとロバストネスの関係についても論じたいと思う．

【第2部】個体レベルのロバストネス　がんのロバストネス北野　宏明 33巻1号 , 2013年12月 , pp.67-72

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がんという疾病をシステムとして考えたとき，それが非常にロバストなシステムを形成していることは広く受け入れられている．特に，がんがいろいろな治療に対してロバストに対応していることからも，がんがシステムとして高いロバストネスを有していることは直感的に理解できる．しかし，このロバストネスの本質を理解し，どのように対応するのかを見いだすことが，がん治療の進歩につながっていく重要な研究課題である．

【第3部】ロバストネスと進化　重複遺伝子が生み出す生命システムのロバストネス牧野　能士 33巻1号 , 2013年12月 , pp.73-78

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遺伝子重複が生み出す機能的な冗長性は，重複遺伝子ペア間で機能補償を可能にし，遺伝的な突然変異に対するロバストネスを高める．進化過程において重複遺伝子ペアは徐々に機能的な冗長性が低下するが，機能が分化した重複遺伝子は環境から受ける撹乱に対するロバストネスに貢献する．また，すべての遺伝子が重複遺伝子となる大きな進化イベント“全ゲノム重複”は，環境変化に対するロバストな生命システムの構築に寄与し，環境激変時における生物の絶滅リスクを低減する．ただし，全ゲノム重複後にゲノム上に維持された特殊な重複遺伝子“オオノログ”は，いずれのロバストネスにも寄与しない．

【第3部】ロバストネスと進化　生命システムのロバストネスが促進する進化高橋　一男 33巻1号 , 2013年12月 , pp.79-83

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これまで主に理論的な研究によって，生命システムを安定させるロバストネスが進化を通して生物の形質変化を促進する可能性が示唆されてきた．近年，この一見逆説的なロバストネスと進化の関係をつなぐ具体的な分子機構の研究が進展している．本稿では，その最新の知見や筆者の研究例を紹介し，生命システムのロバストネスと，その一時的な破綻が生物進化に及ぼす影響について解説したい．

【第3部】ロバストネスと進化　胚発生のロバストネスは進化にバイアスをかけているか? 入江　直樹 33巻1号 , 2013年12月 , pp.84-88

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動物の胚発生のうち，進化的に多様化してきた段階はどこだろうか．発生初期だと信じられてきたが，近年の研究で発生の途中段階にあることがわかってきた．初期胚や後期胚は多様性に富み，発生中期の咽頭胚期は進化的に強く保存されているようだ．しかし，この発生砂時計モデルのくびれ部分が進化的に保存される理由がわかっていない．淘汰による偶然の産物という考えは根強いものの，発生システムのロバストネスあるいは脆弱性がこうした進化的多様性にバイアスをかけている可能性が議論されている．本稿では，発生システムのロバストネスあるいは脆弱性が進化的多様性を左右しうるという考えについて紹介し，問題提起の章としたい．

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細胞工学
33巻1号
(2013年12月発行)

電子版ISSN：印刷版ISSN：0287-3796 Gakken

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