シミュレーション演習 狙い 初日 イントロ 2日目 プローブと信号 3日目 実験結果からの数理モデル作成 2018/9/20 シミュレーション演習　狙い 初日　イントロ 2日目　プローブと信号 3日目　実験結果からの数理モデル作成 4日目　時間パターンに対する選択的応答 5日目　スイッチ応答とメモリ 6日目　振動現象 Hill equation, bistability, hysteresis, Optimal stimulus, step response (low path filter), oscillation/wave, 夏はそれぞれの振る舞いをsimulationと実験それぞれを交えて話をする。

授業 システム生物学 冬学期 火曜2限 細分化することには慣れているが、 全体を同時に扱うことには不慣れ。 教科書紹介 2018/9/20 授業　システム生物学　冬学期 火曜2限 教科書紹介 １．システムバイオロジー　岩波書店 （現代生物科学入門８） 付録は以下からからdownload可 http://kurodalab.bi.s.u-tokyo.ac.jp/iwanami/ ２．システム生物学入門 Uri Alon 共立出版 その他の参考資料 １．「ファインマン物理学　1　力学」ファインマンほか、岩波書店 ２．「やさしい機械制御」金子敏夫、 、日刊工業新聞社 ３．「力学系入門」ハーシュ、スメール、デバニー、共立出版 ４．「非線形制御」平井一正、コロナ社 ５．「物理法則はいかにして発見されたか」ファインマン、岩波現代文庫 シグナル伝達経路とは？分子と分子の相互作用 制御工学的視点computer simulationの欠如 細分化することには慣れているが、 全体を同時に扱うことには不慣れ。

フィードフォワードとフィードバック 周波数応答の違い 2. Circuit Engineering Genetic Circuits 2018/9/20 フィードフォワードとフィードバック 周波数応答の違い １．フィードフォワード （低周波フィルタ、１次遅れ） I x x I Hill equation, bistability, hysteresis, Optimal stimulus, step response (low path filter), oscillation/wave, 夏はそれぞれの振る舞いをsimulationと実験それぞれを交えて話をする。 DEMO Lowpass

フィードフォワードとフィードバック 周波数応答の違い 2. Circuit Engineering Genetic Circuits 2018/9/20 フィードフォワードとフィードバック 周波数応答の違い ２．フィードバック （バンドパスフィルタ、２次遅れ） x y I I Hill equation, bistability, hysteresis, Optimal stimulus, step response (low path filter), oscillation/wave, 夏はそれぞれの振る舞いをsimulationと実験それぞれを交えて話をする。 x DEMO bandpass

Michael B. Elowitz & Stanislas Leibler ,2000,Nature ネガティブフィードバックのみ Repressilator TetR Time 入力 入力 Repressilator Time Michael B. Elowitz & Stanislas Leibler ,2000,Nature 5

Action potential (活動電位） ポジティブ+ネガティブフィードバック Action potential (活動電位） 膜電位 Time 入力電流 Recd. elec Stim. elec Time cm3 6

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Positive and negative feedback loopの組み合わせ (1) Hodgkin and Huxley model: Spike/Firing：Action potential Recd. elec Stim. elec 7 7

Positive and negative feedback loops Impulse入力に対する一過性の応答 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Impulse入力に対する一過性の応答 Positive and negative feedback loopの組み合わせ (1) Hodgkin and Huxley model: Spike/Firing：Action potential アナログデジタル変換 ノイズに強い。長距離に伝達 でも稠密性は落ちる。 8

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model m, h, n channel opening probability m controls Na channel opening h controls Na channel closing n controls K channel opening DEMO cm.m action potentialでは、 positive feedbackが先 negative feedbackが後 9

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Positive and negative feedback loopの組み合わせ (1) Hodgkin and Huxley model: Spike/Firing：Action potential v m h n n I t (ms) v 10

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model 膜電位を固定（Voltage clumped) K+ channel Na+ channel

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model 膜電位を固定（Voltage clumped) K+ channel Na+ channel

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model 膜電位を固定（Voltage clumped) K+ channel 右図は膜電位のステップ入力に対する応答 一次反応（漏れ積分） 基本的にはAktやRap1と同じ

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model 右図は膜電位のステップ入力に対する一過性応答 mは速い活性化、hは遅い不活性化 Rasと似ている。 活性化は3次があるので、刺激強度に対する協調性がある。 Na+ channel

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model 膜電位を固定（Voltage clumped) K+ channel Na+ channel

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model Na+ channel K+ channel

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model Na+ channel K+ channel

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model Na+ channel K+ channel

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Hodgkin and Huxley model

Positive feedback loops 2018/9/20 Positive feedback loops Positive Feedback LoopのBistabilityの解析 kinase1 Activator sub1 Phosphatase kinase2 sub2 Phosphatase DEMO　feedback.g 20

Positive feedback loops Sub2-Pの初期値をふって､time courseの観察 2018/9/20 Positive feedback loops Positive Feedback LoopのBistabilityの解析 Sub2-Pの初期値をふって､time courseの観察 Activator Sub1- P 21

Positive and negative feedback loops 2018/9/20 Positive and negative feedback loops Positive and negative feedback loopの組み合わせ (1) Hodgkin and Huxley model: Spike/Firing：Action potential v m h n n I t (ms) v 22

Action potential (活動電位） ポジティブ+ネガティブフィードバック　 Action potential (活動電位） 膜電位 Time 入力電流 Recd. elec Stim. elec Time cm3

Leaky integrate-and-fire model 2018/9/20 Leaky integrate-and-fire model H & H modelを閾値にするまで→一次反応 閾値に達した後 同じ軌道（fire） 24

Distinct properties of oscillators 2018/9/20 Distinct properties of oscillators Negative feedback: 刺激の強さでamplitudeが変わる Positive and negative feedback：刺激の強さで周波数（周期）が変わる Nature Cell Biology (2003) 5, 346-351. Pomerening JR, Sontag ED, Ferrell JE Jr.

Possible Cell Cycle Oscillators 2018/9/20 Possible Cell Cycle Oscillators Negative feedback Negative feedback Positive and negative feedback Nature Cell Biology (2003) 5, 346-351. Pomerening JR, Sontag ED, Ferrell JE Jr.

Distinct properties of oscillators 2018/9/20 Distinct properties of oscillators Negative feedback: 刺激の強さでamplitudeが変わる Negative単独とpositive and negative feedbackによるoscillatorでは何が違うか？ 刺激の強さ（Ksynth)が変化すると何か変化しているかに注目！ Tsai,, T. Y. et al, Science, 321, 126, 2008

Distinct properties of oscillators 2018/9/20 Distinct properties of oscillators いろんな振動モデルで刺激の強度を変えて 周波数(frequency）と振幅(Amplitude)をプロット Negative feedback: 刺激の強さでamplitudeが変わる Positive and negative feedback: 刺激の強さでfrequencyが変わる

夏はそれぞれの振る舞いをsimulationと実験それぞれを交えて話をする。 2018/9/20 Hill equation, bistability, hysteresis, Optimal stimulus, step response (low path filter), oscillation/wave, 夏はそれぞれの振る舞いをsimulationと実験それぞれを交えて話をする。

ボトムアップ トップダウン 時間情報コード （ローカル） トランスオミクス （グローバル） 生体のホメオスタシスの原理の解明 動作原理 縮約（単純化） トップダウン 生体のホメオスタシスの原理の解明

インスリン作用のトランスオミクス Shinya Kuroda @U. Tokyo Masaki Matsumoto Hiroyuki Kubota @U. Tokyo Shinya Kuroda @U. Tokyo Katsuyuki Yugi @U. Tokyo Keiichi Nakayama Tomoyoshi Soga @Keio U. Masaki Matsumoto

知識の互換性（ルール）がないまま、全体像をまとめてしまうと「トンデモ」地図に！ 定性的マップ vs 定量的マップ 定性的 ローカルのつみあげ →仮説駆動 個人のバイアスが入る 定量的 グローバル →データ駆動 個人のバイアスを 避ける 伊能地図、1821 知識の互換性（ルール）がないまま、全体像をまとめてしまうと「トンデモ」地図に！ でも、まあ分かっちゃうんですけど。。。 32

定性的マップ vs 定量的マップ 定性的 定量的 ローカルのつみあげ グローバル →仮説駆動 →データ駆動 個人のバイアスが入る でもわかりやすい！ 定量的 グローバル →データ駆動 個人のバイアスを避ける でも複雑でわからん？ 将来的には 33

アンバイアス・トランスオミクス 部分と全体 Biased Cell Genome Transcriptome Proteome In conventional study, molecules of your interest are selected, depending on your preference, and analyzed. This inevitably have biased view depending on individuals, knowledge, experience and talents. Metabolome

Insulin signaling-dependent metabolic control Saltiel, A.R.et al. Nature, 2001 We are interested in metabolic control by insulin signaling. Insulin regulates metabolism including glycolysis, glycogenesis, and gluconeogenesis, protein synthesis. Such metabolic regulation by insulin is mediated by enzymes. Enzymatic activity are regulated by phosphorylation and by allosteric interaction of metablites. We want to know the global, trans-omic networks of insuling-dependent metabolic control. Enzymes Metabolites Glucose metabolism Phosphorylation, allosteric regulation

インスリンによる代謝調整の全貌 インスリン シグナル伝達 代謝物 Phospho-proteome リン酸化 アロステリック 制御 Let me start with conclusion. This is the trans-omic networks of insulin-dependent metabolic control. We inferred this network directly from phospho-proteomic and metabolic data. 代謝物

Let’s get into the works of insulin-dependent metabolic control. Here is insulin, the top layer is signaling pathways layer, the middle is metabolic enzymes layer, the bottom is the metabolites layer. Orange lines are phosphorylation, white lines is enzymatic regulation for metabolites, red and blue are allosteric feedbac regulation for metabolic enzymes. Let’s start with insulin. Insulin signaling pathway includes AKT. The oranges are the phosphorylated protein by insulin. AKT phosphorylates many downstream enzymes. For example, AKT phosphorylate ACL, ATP citrate lyase. Here is the glycolysis pathway, and TCA cycle. ACL catalyze citrate into Acetyl Co A and oxaloacatate.

トランスオミクス解析による インスリン作用経路の同定 Insulin ④ phosphoproteome 代謝物 境界酵素 境界酵素のリン酸化 インスリンから境界酵素までの経路同定 代謝物によるアロステリック制御 ③ Now we come to the conclusion: The unbiasely identified multi-layer networks. metabolome

トランスオミクス解析による インスリン作用経路の同定 Insulin phosphoproteome 代謝物 First, we identified metabolites increased or decreased by insulin stimulation, and mapped them on the KEGG global metablic map. metabolome

トランスオミクス解析による インスリン作用経路の同定 Insulin phosphoproteome 代謝物 境界酵素 Then, we listed up all candidate for metabolic control, boundary enzymes which potentially regulates metabolites. metabolome

トランスオミクス解析による インスリン作用経路の同定 Insulin phosphoproteome 代謝物 境界酵素 境界酵素のリン酸化 We looked for phosphorylated boundary enzymes by insulin stimulation. metabolome

トランスオミクス解析による インスリン作用経路の同定 Insulin phosphoproteome 代謝物 境界酵素 境界酵素のリン酸化 インスリンから境界酵素までの経路同定 Connecting insulin signaling to phosphorylation of boundary enzyme. This is the way of unbiased identification of multi-layer networks of insulin-dependent metabolic control. metabolome

トランスオミクス解析による インスリン作用経路の同定 Insulin phosphoproteome 代謝物 境界酵素 境界酵素のリン酸化 インスリンから境界酵素までの経路同定 代謝物によるアロステリック制御 Connecting insulin signaling to phosphorylation of boundary enzyme. This is the way of unbiased identification of multi-layer networks of insulin-dependent metabolic control. metabolome

インスリンによる代謝調整の全貌 インスリン シグナル伝達 代謝物 Phospho-proteome リン酸化 アロステリック 制御 Let me start with conclusion. This is the trans-omic networks of insulin-dependent metabolic control. We inferred this network directly from phospho-proteomic and metabolic data. 代謝物

ボトムアップ トップダウン 時間情報コード （ローカル） トランスオミクス （グローバル） 生体のホメオスタシスの原理の解明 動作原理 縮約（単純化） トップダウン 生体のホメオスタシスの原理の解明