A wide range of growth factors encode information into specific temporal patterns and combinations of phosphorylation of signalling molecules, that are decoded by limited numbers of downstream immediate early gene products (IEGs) expression. However, how such limited numbers of IEGs selectively decodes a wide range of upstream information remains unknown. Here we show that the IEGs selectively decode the temporal patterns and combinations of upstream signals via distinct temporal filters characteristics and switch-like dose -dependency. Based on the concept of system identification, we measured 10,000 points of time series of phosphorylation of MAPKs (ERK, JNK, p38) and CREB, and protein expression of the IEGs (c-FOS, c-JUN, EGR1, FOSB, JUNB), and developed a nonlinear autoregressive exogenous (ARX) model, one of the statistical data-driven models. We found that each IEG shows distinct temporal and dose-dependency on upstream signals, indicating a high performance in decoding of upstream signals. Pulsatile stimulation of NGF induced pulsatile ERK phosphorylation, selectively inducing EGR1 expression rather than c-FOS and c-JUN expression, that is mediated by distinct temporal filter characteristics.

Conjunctive stimulation of NGF and PACAP induced synergistic JUNB expression, indicating that JUNB serves as conjunctive detector of NGF and PACAP. Selective decoding of conjunction of growth factors by JUNB was mediated by a switch-like dose response of JUNB to c-FOS. Thus, specific temporal patterns and combinations of MAPKs and CREB phosphorylation that encode information of a wide range of growth factors are selectively decoded by the IEGs expressions via distinct temporal filter characteristics and switch-like response.

本論文は、細胞の運命決定機構におけるシグナル伝達機構の初期応答遺伝子の制御機構をシステム同定の解析手法の一つであるARX(Auto Regressive and eXogenous )モデルで解析した結果を述べたものである。イントロダクションでは、解析の対象として用いたPC12細胞のシグナル伝達系から初期応答遺伝子の発現・表現型までの研究知見及び現在の問題点について触れている。さらに、非線形ARXモデルを用いて、シグナル伝達経路のシステム特性を理解するという研究目標とその意義について十分な説明がなされている。また、続く手法の説明については、行った実験手法、モデルによる解析が詳細に説明されている。

結果の記述ではまず、非線形ARXモデルを構築するにあたり、実験により大量の定量的データを取得したことについて記されている。つぎに、取得したデータから非線形 ARXモデルを構築し、シグナル伝達分子の時間パターンが初期応答遺伝子の発現にどのように変換されるかを解析した。非線形ARXモデルより得られた入出力関係はこれまでの生物学的研究から得られた研究知見に合致していることを示している。また、構築した非線形ARXモデルから、初期応答遺伝子の一つであるEGR1に関して、MAPKinaseの一つであるERKの一過性の応答に強く応答しNGFのパルス状刺激に強く応答することを予測し、検証実験を行った。実測値と非線形ARX回帰モデルから得られる予測値は一致し、構築した非線形ARXモデルが高い予測精度を持っていることを示すと同時に、EGR1の制御機構に関して新たな特性を見出すことに成功している。本論文ではさらに、初期応答遺伝子JUNBに関して、PACAPとNGFの同時刺激により協調的な増加を示すメカニズムに関してモデルからの示唆を与えることに成功している。

結果を元にした議論においては、非線形ARXモデルから最終的に得られたシステム特性から実際の細胞においてどのようなことが示唆されるのかを議論されており、数理モデルと実験を組み合わせた研究を行う上で十分な素養を身に付けていると言える。また、今回の示した非線形ARXモデルの解析手法における問題点や、データに基づく妥当な推測を元に今後の研究の展開に関して述べられている。これらの新規の研究結果とその議論は、仮定が明確な数理モデルを下に論理的に展開されており、科学論文としてふさわしい。

なお、本論文の主たる部分は、宇田新介氏、尾崎裕一氏、土屋貴穂氏、及び黒田真也氏との共同研究であるが、論文提出者が主体となって実験・解析を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。