広島大学
自然科学研究機構 生命創成探究センター
自然科学研究機構 基礎生物学研究所
【本研究成果のポイント】
・中間層がくびれた多層ネットワーク構造であるBow-tie構造※は、ガン化関連経路をはじめとする分子ネットワークに多く見られ、その進化原理が議論されてきた。
・Bow-tie構造は進化初期段階の相互作用が小さければ自発的に出現することを示し、Bow-tie構造出現機構を解明した。
・生命の情報処理システムの起源や、ガン化関連経路の成り立ちに迫る重要な手掛かりに。
【概要】
細胞内の情報伝達ネットワーク(遺伝子ネットワーク、シグナル伝達系)には一般的に、入力層、中間層、出力層、という階層性があります。特に中間層がくびれたネットワークはBow-tie構造として知られ、様々な生物や伝達系で報告されています。Bow-tie構造の偏在性の説明として、構造の機能的な有利性が今までに考えられてきました。しかし、私たちは網羅的な設定で進化シミュレーションを行い、Bow-tie構造の出現に寄与しているのは機能の最適化ではなく、適応初期段階の相互作用の大きさであることを発見しました。常微分方程式を用いた進化ダイナミクスの解析からもBow-tie構造の出現条件は初期相互作用の大きさが重要であることを示しました。
自発的に生じたBow-tie構造は適応目標によってはやがて崩壊してしまいますが、環境揺らぎを考慮すると、Bow-tie構造は長い間維持されることがわかりました。さらに、進化の初期段階で分子間相互作用が大きい場合でも、入出力数の増大などを考慮することでBow-tie構造が出現することを示しました。このことから、Bow-tie構造は機能的に有利だから進化したのではなく、進化の過程で出現しやすい構造であったと本研究では主張しています。
本研究成果は、2024年6月29日に学術誌「
npj Systems Biology and Applications」でオンライン公開されました。
【論文情報】
●題目：Revisiting the evolution of bow-tie architecture in signaling networks.
●著者：伊藤 冬馬
1, 2, 3, 近藤 洋平
1, 2, 3, 青木 一洋
1, 2, 3, 斉藤 稔
3, 4,＊
１）総合研究大学院大学
２）基礎生物学研究所
３）生命創成探究センター
４）広島大学大学院統合生命科学研究科
＊）責任著者
近藤洋平助教（現：京都大学 特定准教授）、青木一洋教授（現：京都大学 教授）に関しては研究遂行時の所属
●掲載誌：
npj Systems Biology and Applications
●DOI：
https://doi.org/10.1038/s41540-024-00396-8
