[論文レビュー] Universal relationship in gene-expression changes for cells in steady-growth state

Kunihiko Kaneko, Chikara Furusawa+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2014

Bacterial Genetics and Biotechnology参考文献 17被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、定常成長条件下における細胞内の遺伝子発現変化を支配する普遍法則を提案し、全遺伝子における発現の対数変化が、集団の成長率の変化に比例することを示している。この理論は、細胞分裂時にすべての細胞内成分が倍加しなければならないという制約から導かれており、さまざまなストレス下での*E. coli*のトランスクリプトームデータによって検証されており、発現変化にグローバルで成長率依存の相関関係が存在することが明らかになった。

ABSTRACT

Cells adapt to different conditions by altering a vast number of components, which is measurable using transcriptome analysis. Given that a cell undergoing steady growth is constrained to sustain each of its internal components, the abundance of all the components in the cell has to be roughly doubled during each cell division event. From this steady-growth constraint, expression of all genes is shown to change along a one-parameter curve in the state space in response to the environmental stress. This leads to a global relationship that governs the cellular state: By considering a relatively moderate change around a steady state, logarithmic changes in expression are shown to be proportional across all genes, upon alteration of stress strength, with the proportionality coefficient given by the change in the growth rate of the cell. This theory is confirmed by transcriptome analysis of Escherichia Coli in response to several stresses.

研究の動機と目的

• セルの適応過程における高次元の遺伝子発現変化を支配する普遍的でマクロスコピックな関係を特定すること。
• すべての細胞内成分が分裂ごとに倍加するという定常成長の制約に基づいた理論的枠組みを導出すること。
• 全遺伝子にわたる対数発現変化が、集団の成長率の変化に比例するかどうかを検証すること。
• 複数の環境的ストレス下での*E. coli*のトランスクリプトームデータを用いて理論を検証すること。
• 成長率を唯一の制御変数として用いることで、細胞適応のマクロスコピックな記述を確立すること。

提案手法

• 定常成長下で全細胞内成分が分裂毎に倍加するという制約に基づいた、普遍的関係の理論的導出。
• 定常状態の周囲での遺伝子発現変化の線形化により、対数発現変化と成長率変化の比例関係が導かれる。
• 発現空間内での1パラメータ曲線の使用。成長率μが、グローバルな発現変化を一意に制御するパラメータとして機能する。
• さまざまなストレス下での*E. coli*のトランスクリプトームデータにモデルを適用し、予測された比例関係を検証すること。
• 環境的および遺伝的撹乱を組み込んで、異なる種類のストレスにわたる普遍性を評価すること。
• 周期的ダイナミクスが存在する場合には、周期内の平均成長率μ_iを用いることで、理論の有効性を保持すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応過程において、全遺伝子のグローバルな発現変化を支配する普遍的で成長率依存の関係が存在するか？
• RQ2 すべての成分が分裂ごとに倍加するという定常成長の制約から、遺伝子発現変化の1パラメータ記述が導けるか？
• RQ3 異なる環境的ストレス下で、遺伝子間の対数発現変化が、集団の成長率の変化とどの程度相関するか？
• RQ4 遺伝的撹乱下でも理論は成立するか？また、適応的進化を記述できるか？
• RQ5 大規模な発現変化を記述するにあたり、線形化近似の限界はどこか？

主な発見

• 全遺伝子にわたる発現の対数変化は、集団の成長率の変化に比例し、比例係数は成長率の変化に等しい。
• 理論は、抗生物質や栄養素のシフトを含む、複数のストレス下での*E. coli*トランスクリプトームデータにおいて観測された発現変化の相関を正確に予測している。
• 成長率が元の値の半分未満に低下しても比例関係が成立し、線形化近似のロバストネスが示された。
• 関係性は遺伝的撹乱にも拡張可能であり、適応的進化がストレス誘発発現変化を成長率依存的に逆転させることを示している。
• 一部の成分が消失したり新たに出現したりしても、その影響が限定的であれば、理論は概ね有効である。
• 細胞タイプや種を複製単位として扱うことで、多細胞生物や生態系を含む、定常成長を示すあらゆる系に、このモデルが広く適用可能である。