>招待講演

11:30-12:30 Dr. John Spouge(NCBI)Abstract Profile
14:00-15:00 高田 彰二 准教授(京都大学)Abstract Profile
15:00-16:00 金子 邦彦 教授(東京大学) Abstract Profile

Dr. John Spouge

Dr. John L. Spouge

Senior Investigator, National Center for Biotechnology Information




Some New Biological Applications for the Theory of BLAST Statistics


  The statistics of BLAST alignment are rightly considered fundamental results in bioinformatics, but they are not as well understood as they deserve. On one hand, the paper of Karlin and Dembo (1) seminal to gapless BLAST alignments overlooks (in favor of more important results) several useful special cases of analytic formulas for p-values (2). On the other hand, Karlin and Dembo investigated gapless BLAST statistics not just for sequences of independent letters but also for Markov sequences. Furthermore, the statistics for gapped BLAST are understood mainly through simulations (3). This talk discusses some new biological findings derived from BLAST statistics.

  My group reduced the computation for determining BLAST p-values for an arbitrary scoring scheme from 2 days to 1 sec, making real-time database searches with arbitrary BLAST scoring schemes possible for the first time (4,5). The reduced computation times should also make new bioinformatics applications possible. As an example, I will discuss joint work in progress with Martin Frith at CBRC on over-alignment p-values, which quantify the dependability of flanks of biological alignments. As a specific application, the work suggests that in the UCSC database, e.g., spurious flanks probably comprise more than 18% of the human-fugu genome alignment.

  As an example of applications of analytic solutions for gapless BLAST, I consider an application to "positional regulomics", which exploits a multiple sequence alignment anchored on a specific genomic landmark, e.g., the transcription start site. The natural prejudice when associating a piece of DNA with its biological function is to regard the DNA sequence as "having" some intrinsic biological function (e.g., TRANSFAC contains transcription binding factor "sequences"). Against the backdrop of the prejudice, the following phenomenon of "positional regulation" is extraordinary: the regulatory function of a DNA sequence can vary with its position relative to a genomic landmark (6).

  If time permits, I will also give an application of the gapless BLAST p-values for Markov chains to finding repeats in biological sequences (7)

References
(1)Karlin, S. and Dembo, A. (1992) Advances in Applied Probability, 24, 113-140.
(2)Frith, M.C., Spouge, J.L., Hansen, U. and Weng, Z. (2002) Nucleic Acids Res, 30, 3214-3224.
(3)Schaffer, A.A., Aravind, L., Madden, T.L., Shavirin, S., Spouge, J.L., Wolf, Y.I., Koonin, E.V. and Altschul, S.F. (2001) Nucleic Acids Research, 29, 2994-3005.
(4)Park, Y., Sheetlin, S. and Spouge, J.L. (2005) J Phys A: Math Gen, 38, 97-108.
(5)Sheetlin, S., Park, Y. and Spouge, J.L. (2005) Nucleic Acids Res, 33, 4987-4994.
(6)Tharakaraman, K., Bodenreider, O., Landsman, D., Spouge, J.L. and Marino-Ramirez, L. (2008) Nucleic Acids Res, 36, 2777-2786.
(7)Spouge, J.L. (2007) Journal of Applied Probability, 44, 1122-1122.
  

Profile

 
Employment
2002-present Adjunct Professor of Bioinformatics College of Engineering Boston University
2001-present Tenured Senior Investigator National Center for Biotechnology Information National Library of Medicine Sponsor:Dr. D.J. Lipman
1989-2001 Visiting Scientist National Center for Biotechnology Information National Library of Medicine Sponsor: Dr. D.A.Benson
1986 (on leave of absence from NIH, April 9 to July 31)
Research Assistant Institute of Science and Technology University of Manchester Sponsor: Prof. R.F. Stepto On Loan to: Laboratory of Prof. W. Burchard Institut fur Makromolekulare Chemie Freiburg, West Germany
1985-1988 Visiting Associate Laboratory of Mathematical Biology National Institutes of Health Sponsor: Dr. J.V. Maizel
1983-1985 Postdoctoral Fellow Theoretical Biology and Biophysics Group Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM Sponsor: Dr. A.S. Perelson
1979-1983 Postdoctoral Fellow of the Canadian Medical Research Council
Education
1979-1983 Oxford University, D. Phil., Mathematics Th esis Title: A Probabilistic Approach to Coagulation Supervisor: Dr. J. M. Hammersley
1975-1979 University of British Columbia, M.D.
1971-1975 University of British Columbia, Honors BSc Mathematics


高田 彰二 准教授

高田 彰二 准教授

京都大学大学院理学研究科生物科学専攻生物物理学教室




計算機実験による生体分子モーターの作動原理探求


細胞の中では、ATP加水分解などの化学反応で放出される自由エネルギーを使って働く生体分子機械が無数に存在している。そこでは、0.1nmスケールの化学反応が10nmスケールの機械運動を生み出し、また機械運動が化学反応を制御している。講演では、構造に基づく計算機実験によって、いくつかの生体分子モーターの作動原理を探求した研究について紹介する。

生体分子モーターは、エネルギー変換によって力学的運動を取り出す生体分子機械である。その作動原理には、10nmスケールの分子がいかにして"自律的に"、一方向運動を生み出すことが出来るのか?熱雑音と同じスケールの入力エネルギーを使って、なぜ"きちんと"働くことが出来るのか?また、その熱雑音のなかで働きながらも、エネルギー変換効率が極めて高く出来るのはなぜか?進化によってデザインされた生体分子モーターは、人が作ったモーターと似ているのか否か?などなど、概念的に興味深い問題が含まれているように思われる。


具体的な生体分子モーターの例として、まずF1-ATPaseを取り上げよう。F1は、ミトコンドリアに存在するATP合成酵素複合体の約半分にあたり、そのリングに3箇所存在するサイトにおいてATPを加水分解することで、中央の回転子を回転させる回転分子モーターである。最小機能単位ですらアミノ酸3000個程度を含み、ミリ秒オーダーの時間で回転する。1994年にWalkerらによってX線構造解析がなされ、1997年にNojiらが回転運動の一分子観測に成功したことなどにより、F1は現在もっとも精緻にその機構が調べられている生体分子モーターの一つとなっている。しかし、分子系のサイズが大きいこと、および回転に係る時間スケールの長さは、このシステムの原子レベルにおける分子動力学シミュレーションを困難にしている。
 我々は、アミノ酸一個を一つの球で近似する粗視化モデルを提案し、それによってF1の回転運動をシミュレートすることを実現した。この方法に基づいた計算機実験によって、分子モーターの構造・機能相関、化学―力学共役の仕組み(経路)、回転運動が次におこる化学反応に及ぼすフィードバックの構造的基盤などに迫った(Koga, N., Takada, S., Proc Natl Acad Sci USA., 103(14), pp.5367-72(2006).、Okazaki, K.,Kiga, N. & Takada, S., unpublished)。我々の提案した化学―力学共役の経路は、翌年、一分子実験によって基本的に確かめられた(Adachi, K., et al, Cell, 130(2), pp.309-21 (2007)。

次に、もう一つの生体分子モーターとして、細胞内でのさまざまな物質輸送に係る、歩く分子モーターミオシンVを紹介しよう。ミオシンは筋肉の収縮に係る蛋白質ファミリーとして有名であるが、このファミリーにはさまざまな細胞的機能があり、細胞内のアクチン骨格を道路としてそのうえを歩くことで物質運搬に携わっているものもある。ミオシンVは二本足をもち、まるで人が歩くかのように、両足を道路につけた状態から後ろ足を上げて、それを前足より前に運び、着地することで、"歩く"ことが分かっている。その一歩は、浮いた足の約70nmの移動を伴なう。
 我々は、F1とやや類似の粗視化モデルを用いて、ミオシンVの歩行運動をシミュレーションし、それをもとに、ミオシンVの歩行の仕組みを詳しく調べた(Tatsumi-Koga, Koga, R.,Koga, N. & Takada, S. unpublished)。最近行われた一分子観測による知見とあわせて、ミオシンVの歩き方が、人のものとどのように似ていて、どのように異なるのか、についていくつかのことがわかった。

時間があればさらに、細胞内での不用となった蛋白質の分解に係る分子モーターの基質トランスロケーション機構の研究(CBRCのKameda氏ほかとの共同研究)についても紹介する。

Profile

1988 京都大学理学部卒
1990 同大学院理学研究科化学専攻修士修了
1991-1995 岡崎国立共同研究機構技官(分子科学研究所)
1994 総合研究大学院大学博士(理学)取得
1995-1998 日本学術振興会研究員(イリノイ大学化学科)
1998-2001 神戸大学理学部化学科講師
2001-2007 神戸大学理学部化学科助教授
2007-present 京都大学理学研究科生物科学専攻生物物理教室准教授


金子 邦彦 教授

金子 邦彦 教授

東京大学大学院 総合文化研究科 広域科学専攻相関基礎科学系




複雑系生命科学 
―整合性原理による複製、適応、発生、進化の普遍法則探求―



システム生物学ではしばしば、遺伝子発現や代謝のこみいったネットワークをできるだけ正確に求め、それにあったモデル化を行うという立場がとられている。一方で、生命を考えると個々の分子過程を枚挙するだけではなく、要素が集まって、いかにシステムとして生命の特性を発現するかを理解しなければならない。複製、代謝、適応、細胞分化がそもそもいかにして可能か、そこに普遍的な法則があるのだろうか。こうした「一般的な問い」に対して、生命システムに普遍的な論理を構築して答えようとするのが複雑系(Complex Systems)生命科学の立場である。生命システムが分子―細胞―多細胞生物―生態系といった異なる階層にまたがって存在することに着目し、その階層間の整合性(consistency)を指導原理とし、それとともに、近年急速に進歩した、細胞状態のゆらぎやダイナミクスの測定を駆使して研究を進めている。

今回は
分子の複製と細胞の複製の間の整合性条件から導かれる、遺伝子発現分布の一般法則
遺伝子発現のゆらぎの中で細胞が増殖することから導かれる、(シグナル伝達系を要しない)一般的な適応のしくみ
同一遺伝子個体のゆらぎと遺伝子のゆらぎの間の関係から導かれる、表現型ゆらぎの法則および安定性の進化
細胞増殖と多細胞状態の整合性のもたらす、発生の安定性とおよび多能性の喪失とその回復方法

に関して、理論、モデル、実験が協同して進めている複雑系生物学の一端を紹介する。

生物個体をじかに見てきた生物学者は、それの持つ、恒常性、可塑性、柔軟性、頑健性といった性質に魅せられ、生命らしさを求めようとしてきた。複雑系生命科学では、力学系、揺らぎの研究をふまえて、こうした「一見あいまいな性質」を、定量的な科学の俎上にのせようとしている。
参考文献
Life; An Introduction to Complex Systems Biology (Springer, 2006)
生命とは何か−複雑系生命論序説(東大出版会2003)

Profile

1979 東京大学理学部物理学科卒業
1981 東京大学大学院理学系研究科修士課程修了
1984 東京大学大学院理学系研究科博士課程修了(理学博士)
1984 日本学術振興会 研究員
1984-1985 Los Alamos National Laboratory, posdoctoral fellow
1985-1991 東京大学教養学部物理教室 助手
1991-1995 東京大学教養学部基礎科学科 助教授
1995-present  東京大学教養学部基礎科学科 教授
兼職
1987-1988 University of Illionis at Urbana-Champaign 文部省在外研究員
1988-1990 Los Alamos National Laboratory, Stanislaw Ulam Visiting Fellow
2000-2001 Freiburg大学客員教授
2003-present  大阪大学生命機能研究科客員教授
2005-present  SantaFe複雑系研究所 External Faculty