Cell-to-cell Variability Serves as Information not Noise

Abstract

生物は環境の変化に対して正確に応答することで環 境に適応し，恒常性を維持している．しかしながら， 生物のシステムを細かく見ていけば，人工的なシステ ムに比べばらつきが大きいことがわかってきた．例え ば，1 細胞計測が行われるようになることで，細胞ご とに応答がばらつくことが明らかとなってきた．この ように個々の細胞に着目すると大きなばらつきが存在 する中で，生物全体として環境に対してどのように正 確に応答しているのかは，未だ不明なことが多い． シグナル伝達にノイズが加わると，刺激強度に応じ た正確な応答ができない．それでは，ノイズが存在す る中でシグナル伝達経路はどの程度正確に応答ができ ると言えるのであろうか．情報理論はノイズが存在す る中での情報伝達量についての解析的枠組みを提供し ており1), 2) ，シグナル伝達経路に対しても適用するこ とが可能である．これまで応答のばらつきをノイズと 見なしてシグナル伝達経路の情報理論解析がなされて きた．応答のばらつきの原因には，同じ細胞の中の確 率的な応答のゆらぎ（細胞内変動）と細胞ごとの分子 の発現量の違いなど個性の違い（細胞間変動）の 2 つ が考えられる．細胞間変動と細胞内変動はそれぞれ外部ノイズ，内部ノイズとも呼ばれ，どちらも情報理論 解析においてノイズとして扱われてきた．しかし，細 胞間変動と細胞内変動は応答のばらつきとして同列に 扱うべきではなく，異なる性質を持つものとして区別 することの重要性が，1 細胞レベルの研究から明らか にされてきた3)-5) ．そこで筆者らは細胞間変動と細胞 内変動を区別した情報理論解析を行い，細胞間変動は ノイズではなく情報伝達量を増やすのに寄与しうるこ とを示した6) ．本総説ではシグナル伝達経路に対する 情報理論解析を概説した後，細胞間変動が情報量を増 やすメカニズムを示した筆者らの研究を解説する．