システムズバイオロジー

分子生物学の発展により，一見異なる現象が分子や経路の視点からみれば同じように理解できるようになった．一方，ようやく生命現象においても個々の分子の相互作用から全体の動的なふるまいを理解できる時代がやってきた．この相互作用の視点からみれば，関与する分子が全く異なっている生命現象でさえ分子ネットワークの構造と特性という視点からみれば同じような枠組みで理解できるのでは，と感じてもらえればとてもうれしく思う．

近年，細胞内シグナル伝達系のネットワークや細胞制御機構の解明のために，統計学や速度論モデルを用いたさまざまな数理解析がなされるようになってきた．われわれは，シグナル伝達による遺伝子発現制御を統合的に解析するために，細胞外シグナルが細胞内でどのようにプロセスされていくのかを定量的実験解析と数理解析を通して理解しようとしている．本稿では，MCF-7乳癌細胞における，２つの異なる成長因子がひき起こすシグナル伝達と遺伝子発現制御，そして細胞制御にかかわる一連の細胞内反応についての知見を紹介する．

記憶・学習を実現するため神経細胞のシナプスは可塑性と安定性という相矛盾した性質を兼ね備えている必要がある．しかしシナプスは大変小さくシグナル伝達経路の分子数がきわめて限られているので，生化学反応が散発的，確率的にしか起こらず分子数がたえず揺らいでいる．神経細胞はいかにして揺らぎを克服あるいは積極的に利用し，シナプスの可塑性と安定性を両立しているのだろうか．本稿では小脳平行線維—プルキンエ細胞シナプス長期抑圧の分子機構に関するシミュレーション研究と実験を紹介し，次いでシグナル伝達経路の分子数の揺らぎの影響について検討を行う．

椎骨や肋骨などの前後軸に沿った繰り返し構造のもとになる体節は，マウスでは2時間ごとに1対ずつ形成される．この周期的な過程は分節時計によって制御されている．bHLH型転写抑制因子Hes1/Hes7が周期的に発現の増減を繰り返す（オシレーションする）ことにより振動体として働き，分節時計の中心的な役割を担っている．Hes1は体節形成過程以外でもリズムを刻んでおり，生物時計として働くことにより，いろいろな発生過程のタイミングを制御している可能性がある．Hes1の発現をリアルタイムで可視化したところ，個々の細胞では不安定なリズムを刻むこと，安定なリズムを刻むには細胞間相互作用が重要なことがわかった．

分子生物学の勃興とともに大腸菌や酵母などの単細胞モデル生物を用いた研究が発展し，数々の重要な因子（遺伝子）の発見がもたらされた．これらの成果を支えていたのは，包括的な変異株ライブラリーや遺伝子ライブラリーなどのリソースの充実，および表現型スクリーニングなどのゲノムワイドな実験解析技術の急速な発展であった．この流れは近年のヒトゲノム配列の完全解読をはじめとするゲノム研究の進展により加速され，高等な多細胞生物もその射程内に捉えながら機能ゲノミクスとして確立した分野を形成しつつある．システムズバイオロジーにとって因子（遺伝子）の包括的な同定（システム同定）は重要な研究分野であり，この分野における機能ゲノミクスの応用例は多い．一方，システムの設計原理の理解には，システム同定のみならず定量的な解析（システム解析）も必要不可欠であろう．本稿では，哺乳類の概日時計システムにおける転写の負のフィードバック制御の重要性を直接的に証明した研究例を紹介し，システム解析における機能ゲノミクスの有効性を議論する．

数多の生物現象と同様に，神経突起伸展もまた，その美しく精妙でダイナミックな形態変化でわれわれの眼をひく．内部にいかに美しいメカニズムがあるのだろうかと考えさせる．本稿では，FRET技術による活性化イメージングとシミュレーションを組合わせて使うことにより，どのような解析が可能になるかを，NGFによる突起伸展シグナル経路を例にとって示す．

マウス胚の左右軸形成は，体の中心に位置するノード（結節）から左側特異的にシグナルが伝達され，左右非対称性がつくられるという考え方が一般的であった．しかし新しく得られた知見からは，ノードから左右両側にシグナルが伝達されること，そのシグナルのわずかな左右差が反応拡散システムによって大きく増幅されることによって左右軸がつくられることが明らかになった．本稿では，左右軸の形成を実験と数理モデルから得られた最新の知見を中心に紹介したい．