中林　潤
(Department of Biology, Kyushu University, Japan)

05/05/17, 13:30 at Room 3631 (6th floor of building 3 of the Faculty of Sciences)

The cell keeps their condition stable to live when it receives various stimulations from the environment. Appropriate response to the stimulation from the environment is indispensable for the living of the cell, and it is one of the big themes in biology to understand the signal transduction mechanism in the cell. Many genes that take part in the intracellular signal transduction in are identified according to development of molecular biology. The signal received to the cell is transduced by the sequential chemical reaction in the cell. Because It is difficult to detect the kinetics of the chemical reaction in the cell by an enough resolution, data obtained from biochemical experiments are limited. I advance some analysis of the signal transduction mechanism by the mathematical model to understand the dynamics of intracellular signal transduction. In this study, I construct a mathematical model for Smad signal transduction pathway. The Smad protein is a transcription factor tarnsducing the TGF-beta signal. It is shown that Smads take part in the cell proliferation and the differentiation. Its transcriptional activity is controlled by the phosphorylation. The ALK (Activin Like Kinase) family, type I receptor of TGF-beta, can phosphorylate Smad with their cytoplasmic kinase domain. Smad phosphorylated by the receptor is called R-Smad (receptor mediated Smad). R-Smad has the phosphorylation site (SxS motif) in its C-terminus. There is another class of Smad protein called Co-Smad (Common mediator Smad) that deletes SxS motif. Phosphorylated R-Smad bind to Co-Smad and forms hetero-oligomers. Smad complex moves into the nucleus, and controls the expression of the target genes. It is shown that both R- and Co-smad are necessary for a nuclear localization and the transcriptional regulation. Structural analysis of the Smad complex revealed that Smad complex was composed of 3 molecules of Smads. It was reported that homo-trimer composed of 3 molecules of R-Smads and hetero-trimer composed of 2 molecules of R-Smads and 1 molecule of Co-Smad are exists in the cell. DNA pull down assay revealed that transcriptional complex binding to DNA contained at least one molecule of Co-Smad. It was reported that the time change of the activity of the Smad signal transduction was complex in developmental processes. It is difficult to understand the time change of the activity of Smad signal transduction intuitively, because it is controlled by a complex protein reactions that forms a heteromeric Smad complex. I construct a mathematical model for the Smad complex formation to understand the dynamics of Smad signal transduction. I investigate the relationship between Smad complex formation and the ligand concentration, the time change of the activity of Smad signal transduction and the role of complex formation for the specificity of the Smad signal transduction. 　細胞は外界から様々な刺激を受容しながら細胞内の環境を一定に保ち、恒常性を維持し生存している。外界からの刺激に適切に反応することは細胞の生存にとって必須であり、細胞内のシグナル伝達機構を理解することは生物学における大きなテーマの一つとなっている。分子生物学の発展に伴い細胞内シグナル伝達機構に関与する遺伝子が数多く同定されてきている。細胞に受容されたシグナルは細胞内で蛋白質による化学反応の連鎖によって伝達されるが、空間的、時間的に充分な分解能で細胞内の化学反応の動態を検出するは技術的に困難であり、得られているデータは限られている。このため数理モデルによる細胞内情報伝達機構の解析が有用と考え、現在研究を進めている。今回はSmadシグナル伝達機構のモデルを構築したので報告する。 　Smad蛋白はTGF-betaシグナルを伝達する蛋白として知られており、細胞の増殖、分化に関与することが示されている。Smad蛋白は転写因子であり、その転写活性はリン酸化反応によって制御されている。ALK(Activin Like Kinase)ファミリー 蛋白はTGF-betaのI型レセプターで、細胞内ドメインはセリン／スレオニンカイネース活性を持ち、特異的にSmadをリン酸化することができる。レセプターにリン酸化されるSmadはR-Smad(receptor mediated Smad)と呼ばれる。R-Smadは C末端にSxSというリン酸化サイトを持っている。細胞質中にはSxSモチーフを欠失しレセプターからのリン酸化を受けない別種のSmad蛋白も存在している。これらはCo-Smad(Common mediator Smad)と呼ばれる。リン酸化された R-SmadはCo-Smadとヘテロ多量対を形成し核内へと移行し標的遺伝子の発現を制御する。Smadの核移行、転写活性にはR-,Co-Smad両方が必須であることが示されている。Smad複合体の立体構造解析から、Smad蛋白は3量体を形成することが報告されている。R-Smad3分子のホモ3量体、あるいはR-Smad2分子Co-Smad1分子のヘテロ3量体が存在することが報告されている。DNA pull down assayによりDNAと結合しているSmad複合体 は、少なくとも1分子のCo-Smadを含んでいることが示されている。 　Smadシグナル伝達系の活性は、発生過程において経時的に複雑な変化を示すことが報告されている。Smad複合体形成反応は複雑であり、複合体形成による転写活性制御機構を直感的に理解するのは困難である。今回私はSmad複合体形成反応の数理モデルを構築した。このモデルを用いてSmad複合体形成とリガンド濃度との関係、Smadシグナル伝達系活性の変化、シグナルの特異性に対して複合体形成の果たす役割などについて解析を行ったので報告する。

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