ナノ生体科学講座
1分子生物学研究室
上田 昌宏 教授
キーワード：
一分子イメージング、数理モデル、細胞性粘菌、シグナル伝達、ゆらぎ
細胞における確率的な情報処理の仕組みを解明する
細胞は様々な生体分子から構成された複雑なシステムです。確率的にはたらく生体分子を要素として情報処理機能・運動機能などを有するシステムが自律的に組織化され、変動する環境に対して巧みに適応することができます。近年の1分子イメージング技術の進展により、細胞内の生体分子の振る舞いを直接観察し、その確率的特性を明らかにすることが可能になってきました。我々の研究室では、こうした1分子解析と数理モデリングの手法を用いて、細胞が示す巧みな情報処理機能や運動機能を実現するシステムの構築原理を1分子粒度の解像度で解明することを目指しています。
（左）細胞性粘菌Dictyostelium discoideumの走化性応答。（中）細胞内1分子イメージング装置。（右）PTEN分子の1分子画像。白い1点1点がPTEN1分子である。
メンバー
| 上田 昌宏 教授 | masahiroueda[at]fbs.osaka-u.ac.jp |
|---|---|
| 有賀 隆行 准教授 | ariga.fbs[at]osaka-u.ac.jp |
| 廣島 通夫 特任准教授 | m_hiroshima.fbs[at]osaka-u.ac.jp |
| 松岡 里実 助教 | matsuoka[at]fbs.osaka-u.ac.jp |
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Q＆A
- 現在注目しているテーマは何ですか？
- 我々は、細胞の情報処理機能や運動機能が生体分子の反応ネットワークのダイナミクスによって自発的に生み出される仕組み（構築原理）と、その情報処理システムが確率的なゆらぎの影響を強く受けながらもノイズに対して頑強に機能したり、或いは、ノイズを利用しながら機能する仕組み（演算原理）に興味を持っています。こうした生体分子による確率的な演算の典型例として、これまで細胞性粘菌Dictyostelium discoideumにおける濃度勾配センシングと走性運動の情報処理に焦点をあて研究を進めてきました。本研究グループでは、1分子イメージングなどを含む最先端の計測技術と理論・高性能計算機を用いた数理モデリング、および、細胞機能の再構成技術を組み合わせることにより、細胞の情報処理を担うシステムの構築原理と演算原理の理解を目指した新しい研究手法の開発を行ないます。
- 最新のブレイクスルー、研究成果について教えてください。
- 1分子イメージングは、分子を蛍光によって光らせることで可視化し、細胞で働く個々の分子動態を直接観察する手法ですが、この手法は高倍率の光学顕微鏡での焦点合わせや、観察に最適な細胞の探索など、経験を積んだ研究者の手作業に頼る過程が多く、大量のデータ取得が求められる研究への利用には向いていませんでした。最近我々は、深層学習などの人工知能技術とロボット技術を利用し、顕微鏡の操作から薬剤添加、細胞観察、画像解析に至る一連の計測・解析過程を自動化した細胞計測システムを開発しました。細胞から1分子解像度の画像データを自動で取得し、自動で分子動態を解析できます。また、膨大なデータ解析により統計精度が向上したことで、タンパク質の動き方を指標とした薬剤の評価も可能になりました。
- どのようなバックグラウンドを持つメンバーで研究をすすめていますか？
- 生物学、工学、物理学、化学、数学、情報科学など。
- 国内外の研究機関との連携について教えてください。
- 理化学研究所生命機能科学研究センターとは2011年から密な共同研究を実施。海外では、Peter N. Devreotes氏、Miho Iijima氏（Johns Hopkins University）、Tian Jin氏（NIH）、Peter van Haastert氏（Univ. Groningen）らと長く共同研究を行なっている。研究内容としては細胞内シグナル伝達系のイメージング解析や1分子イメージング法の開発など。
- 研究室から巣立った人たちはどのような道を歩まれていますか？
- アカデミアの研究者、製薬企業の研究者、ベンチャー企業の起業家、その他。
- 今後どんな展開が期待されますか？
- 我々の研究は、極めて基礎的な研究なので先々を見通すことは難しいです。希望としては、細胞の機能発現のしくみを個々の生体分子の相互作用の時空間動態として理解できるようになりたいです。
研究成果
論文、総説、著書
2025年
Excitable Ras dynamics-based screens reveal RasGEFX is required for macropinocytosis and random cell migration
Nature Communications 2;16(1):117. 2025 （PMID：39746985 DOI：0.1038/s41467-024-55389-2.）
2024年
Single molecule tracking based drug screening
Nature Communications 17;15(1):8975. 2024 （PMID：39420015 DOI：10.1038/s41467-024-53432-w.）
Site-specific clustering of bioactive signaling molecules predicted in situ by space and time coherent mapping for imaging mass spectrometry
Journal of the American Society for Mass Spectrometry 1;36(1):72-84. 2024 （PMID：39580810 DOI：10.1021/jasms.4c00333.）
Application of single-molecule analysis to singularity phenomenon of cells
Biophysics and Physicobiology 8;21(Supplemental):e211018. 2024 （PMID：39175861 DOI：10.2142/biophysico.bppb-v21.s018）
Automated single-molecule imaging for drug discovery
Proc. SPIE 12853 High-Speed Biomedical Imaging and Spectroscopy IX 128530 2024 （ DOI：10.1117/12.3009718）
Spontaneous Signal Generation by an Excitable System for Cell Migration
Frontiers in Cell and Developmental Biology 28:12:1373609 2024 （PMID：38481533 DOI：10.3389/fcell.2024.1373609.）
Left-right Myosin-Is, Myosin1C, and Myosin1D exhibit distinct single molecule behaviors on the plasma membrane of Drosophila macrophages
Genes to Cells 29(5):380-396. 2024 （PMID：38454557 DOI：10.1111/gtc.13110.）
Cholesterol suppresses spontaneous activation of EGFR-mediated signal transduction
BBRC 16:704:149673 2024 （PMID：38401305 DOI：0.1016/j.bbrc.2024.149673.）
2023年
_A dynamic partitioning mechanism polarizes membrane protein distribution
Nature Communications 30;14(1):7909. 2023 （PMID：38036511 DOI：10.1038/s41467-023-43615-2.）
Sphingomyelin metabolism underlies Ras excitability for efficient cell
Cell Structure and Function 31;48(2):145-160. 2023 （PMID：37438131 DOI： 10.1247/csf.23045.）
_migration and chemotaxis
Scientific Report 13(1):6175. 2023 （PMID：37061516 DOI：10.1038/s41598-023-28572-6.）
Field model for multistate lateral diffusion of various transmembrane proteins observed in living Dictyostelium cells
Journal of Cell Science 136 (4): jcs260280. 2023 （PMID：36655427 DOI： 10.1242/jcs.260280）
2022年
Calcium responses to external mechanical stimuli in the multicellular stage of Dictyostelium discoideum
Scientific Report 12(1):12428 2022 （PMID：35859163 DOI：10.1038/s41598-022-16774-3）
SRC kinase activator CDCP1 promotes hepatocyte growth factor-induced cellmigration/invasion of a subset of breast cancer cells
J. Biol. Chem. 298, 101630, 2022 （PMID：35085554 DOI：10.1016/j.jbc.2022.101630）
Heterotrimeric Gq act as a switch for GRK5/6 selectivity underlying_β-arrestin transducer bias_
Nature Communications 13(1):487. 2022 （PMID：35078997 DOI：10.1038/s41467-022-28056-7）
2021年
Comparative analysis of single-molecule dynamics of TRPV1 and TRPV4 channels in living cells
international Journal of Molecular Sciences 22(16):8473 2021 （PMID：34445178 DOI：10.3390/ijms22168473）
A sub-population of Dictyostelium discoideum cells shows extremely high sensitivity to cAMP for directional migration
Biochem.Biophys.Ras.Commun 554:131-137 2021 （PMID：33784508 DOI：10.1016/j.bbrc.2021.03.095）
Different heterotrimeric G protein dynamics for wide-range chemotaxis in eukaryotic cells In Dictyostelium: A Tractable Cell and Developmental Model in Biomedical Research. (eds. Robin Williams and Robert Huber and Annette M_ller)
Frontiers in Cell and Developmental Biology 2021 （PMID：34414196 DOI：10.3389/fcell.2021.724797）
GPCR signaling regulation in Dictyostelium chemotaxis
Methods in Molecular Biology 2274:317-336 2021
2020年
Single-molecule imaging of PI(4,5)P 2 and PTEN in vitro reveals a positive feedback mechanism for PTEN membrane binding
Communications Biology 3(1):92 2020 （PMID：32111929 DOI：10.1038/s42003-020-0818-3）
Intracellular ATP levels influence cell fates in Dictyostelium discoideum differentiation
Genes Cells 25(5):312-326 2020 （PMID：32125743 DOI：10.1111/gtc.12763）
Talin B regulates collective cell migration via PI3K signaling in Dictyostelium discoideum mounds
Biochem. Biophys. Res. Commun. 525(2):372-377 2020 （PMID：32098673 DOI：10.1016/j.bbrc.2020.02.060）
Large scale single-molecule imaging aided by artificial intelligence
Microscopy 69(2):69-78 2020 （PMID：32090254 DOI：10.1093/jmicro/dfz116）
2019年
Transducin activates cGMP phosphodiesterase by trapping inhibitory γ subunit freed reversibly from the catalytic subunit in solution.
Sci Rep 5.40625 2019 （PMID：31076603 DOI：10.1038/s41598-019-43675-9）
Excitable dynamics of Ras triggers spontaneous symmetry breaking of PIP3 signaling in motile cells
J. Cell Sci. 132:jcs.224121 2019 （PMID：30745337 DOI：10.1242/jcs.224121）
Collective cell migration of Dictyostelium without cAMP oscillations at multicellular stages
Communications Biology 2:34 2019 （PMID：30701199 DOI：10.1038/s42003-018-0273-6）
2018年
Chemoattractant receptors activate, recruit and capture G proteins for wide range chemotaxis
Biochem. Biophys. Res. Commun. 507:304-310 2018 （PMID：30454895 DOI：10.1016/j.bbrc.2018.11.029）
Parallel signaling pathways regulate excitable dynamics differently to mediate pseudopod formation during eukaryotic chemotaxis
J. Cell Sci. 131:jcs214775 2018 （PMID：30404836 DOI：10.1242/jcs.214775）
Structural basis of Gip1 for cytosolic sequestration of G-protein in wide range chemotaxis
Nat. Commun. in press 2018 （PMID：30401901 DOI：10.1038/s41467-018-07035-x）
Mutual inhibition between PTEN and PIP3 generates bistability for polarity in motile cells
Nat. Commun. 3.486805556 2018 （PMID：30367048 DOI：10.1038/s41467-018-06856-0）
Single-molecule diffusion-based estimation of ligand effects on G protein-coupled receptors
Sci. Signal. 11(548):eaao1917 2018 （PMID：30228224 DOI：10.1126/scisignal.aao1917）
Automated single-molecule imaging in living cells
Nat. Commun. 2.500694444 2018 （PMID：30076305 DOI：10.1038/s41467-018-05524-7）
A study of wound repair in Dictyostelium cells by using novel laserporation
Sci Rep 8(1):7969 2018 （PMID：29789591 DOI：10.1038/s41598-018-26337-0）
Transient acceleration of epidermal growth factor receptor dynamics produces higher order signaling clusters
J. Mol. Biol. 430:1381-1396 2018 （PMID：29505756 DOI：10.1016/j.jmb.2018.02.018）
2017年
Intracellular protein-labeling probes for multicolor single-molecule imaging of immune receptor-adaptor molecular dynamics
J. Am. Chem. Soc. 139:17397-17404 2017 （PMID：29119782 DOI：10.1021/jacs.7b08262）
2016年
Multi-State Transition Kinetics of Intracellular Signaling Molecules by Single-Molecule Imaging Analysis
Methods in Molecular Biology 1407:361-379 2016 （PMID：27271914 DOI：10.1007/978-1-4939-3480-5_25）
Heterotrimeric G-protein shuttling via Gip1 extends the dynamic range of eukaryotic chemotaxis.
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 113:4356-4361 2016 （PMID：27044073 DOI：10.1073/pnas.1516767113）
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当研究室の研究内容に興味があり、研究をしたいという強い意欲のある方。生き物が好きな方、細かな手作業やモノづくりが好きな方も歓迎します。出身大学や出身学部は一切問いません。
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