[論文レビュー] Correlations of single-cell division times with and without periodic forcing

Noga Mosheiff, Bruno M.C. Martins+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2017

Gene Regulatory Network AnalysisBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 43被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、多様な生物における細胞周期持続時間の系統にわたる相関を、日周期リズムを持つ・持たないを問わず、高スループットな単細胞顕微鏡法を用いて解析した。日周期リズムの結合が非線形な相関を誘発し、『太ったアーノルド写像』モデルと整合的であることが判明した。このモデルは、細胞間のばらつきが増加することを予測しており、日周期リズム時計の欠失によってばらつきが低下することから、実験的にも裏付けられた。

ABSTRACT

Periodic forcing of nonlinear oscillators leads to a large number of dynamic behaviors. The coupling of the cell-cycle to the circadian clock provides a biological realization of such forcing. Using high throughput single-cell microscopy, we have studied the correlations between cell cycle duration in discrete lineages of several different organisms including those with known coupling to a circadian clock and those without known coupling to a circadian clock. Correlations between cell cycles duration in discrete lineages observed in the organisms with a circadian clock cannot be explained by a simple statistical model but are consistent with predictions of a biologically plausible two dimensional nonlinear map. Surprisingly, the nonlinear map is equivalent to a classic nonlinear map called the fattened Arnold map. The model predicts that circadian coupling may increase cell to cell variability in a clonal population of cells. In agreement with this prediction, deletion of the circadian clock reduces variability. Our results show that simple correlations can identify systems under periodic forcing and that studies of nonlinear coupling of biological oscillators provide insight into basic cellular processes of growth.

研究の動機と目的

• 系統にわたる単細胞分裂時間の相関が、日周期時計による周期的駆動力（例えば日周期リズム）を示すかどうかを特定すること。
• 観察された細胞周期持続時間の相関が、単純な統計的モデルで説明可能かどうか、あるいは非線形力学系を必要とするかを検証すること。
• 日周期リズムの結合がクローン集団における細胞間ばらつきを増加させる役割を評価すること。
• 観察された系統データの相関を捉える2次元非線形写像モデルを構築・検証すること。
• 日周期時計欠失が細胞周期持続時間のばらつきに与える定量的影響を測定すること。

提案手法

• E. coli、シアンバクテリア、Corynebacteriumを含む多様な生物において、高スループットのタイムラプス顕微鏡法を用いて、複数世代にわたる細胞周期持続時間を追跡した。
• 系統内および系統間の相関を測定するために、姉妹細胞間（ρs-s）、母娘細胞間（ρm-d）、いとこの細胞間（ρc-c）のペアについて、1000世代にわたるスピアマン相関係数を計算した。
• 細胞周期が周期的オシレーター（例：日周期時計）に結合されているのを記述するため、2次元非線形写像モデル（具体的には「太ったアーノルド写像」）を導出した。
• モデルには、周期Tosc、ベースラインの細胞周期持続時間τ₀、フィードバックゲインk、および生物学的ばらつきを模倣するためのノイズξを含めた。
• 1000個の系統と50世代にわたるシミュレーションを実施し、期待される相関特徴を算出し、ρs-sを主なフィッティング基準として、実験データに適合させた。
• 実験で観察されたばらつきと一致する正規分布を仮定したランダムシミュレーションを用いて、期待される相関からの逸脱の統計的有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系統にわたる単細胞分裂時間の相関は、日周期リズムのような周期的駆動力（例：日周期リズム結合）を区別できるか？
• RQ2 日周期時計を持つ生物における細胞周期持続時間の相関は、単純な統計的モデルの予測から逸脱しているか？
• RQ3 日周期リズム結合を持つ生物における細胞周期持続時間の非線形ダイナミクスは、2次元非線形写像モデルと整合的か？
• RQ4 日周期リズム結合がクローン集団における細胞間ばらつきを増加させるか、モデルの予測と一致するか？
• RQ5 日周期時計欠失が細胞周期持続時間のばらつきに与える定量的影響は何か？

主な発見

• 日周期時計を持つ生物における姉妹細胞およびいとこの細胞間の細胞周期持続時間の相関は、単純な統計的モデルでは説明できず、非線形ダイナミクスを示していることが判明した。
• 観察された相関は、周期的駆動の効果を捉える2次元非線形写像、具体的には「太ったアーノルド写像」として同等のモデルで最もよく説明された。
• モデルは、日周期リズム結合がクローン集団における細胞間ばらつきを増加させることを予測しており、この予測は実験的にも裏付けられた。
• 日周期時計の欠失（例：ΔkaiBCシアンバクテリア）により、細胞周期持続時間のばらつきが顕著に低下し、モデルの予測と一致した。
• 相関係数ρs-sは、最も有意で安定した特徴であり、モデルパラメータの主なフィッティング基準として用いられた。
• シミュレーションにより、モデルはρs-s、ρm-d、ρc-c、平均細胞周期持続時間、CV、ノイズレベルξといった実験的特徴を高い忠実度で再現した。