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インターロックフィードバックモデルを用いた     概日リズムの動態解析 PowerPoint PPT Presentation


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E - 7. インターロックフィードバックモデルを用いた     概日リズムの動態解析. システム制御研究室    市崎 育宏. 1. はじめに. 概日リズム (約 24 時間のリズム). 多くの生物の生活リズムは 約 24 時間. 時計遺伝子 や 時計タンパク質 からなる 分子機構から生み出される. . インターロックフィードバックモデル ( Interlocked Feedback Model ). 2. 社会的背景. 近年 , 遺伝子 や タンパク質 の解析が 大きく進展. 分子機構 へ の理解が進む.

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インターロックフィードバックモデルを用いた     概日リズムの動態解析

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Presentation Transcript


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E - 7

インターロックフィードバックモデルを用いた

    概日リズムの動態解析

システム制御研究室    市崎 育宏


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1. はじめに

概日リズム (約24時間のリズム)

多くの生物の生活リズムは 約 24 時間

時計遺伝子や時計タンパク質からなる

分子機構から生み出される



インターロックフィードバックモデル

(Interlocked Feedback Model)


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2. 社会的背景

近年, 遺伝子や

タンパク質の解析が

大きく進展

分子機構への理解が進む

睡眠障害などの診断, 治療

  • 動植物の生産性向上

3. 研究の目的

  • 文献 [2]で定式化されたインターロックフィードバック

  • モデルを SIMULINKを用いて検証

  • 明暗サイクルによる同調 を考慮した SIMULINKモデル

    の作成 , および検証


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4. インターロックフィードバックモデル

(Interlocked Feedback Models)

TIM

per-tim loop

PER – TIM

複合体

分解

PER

DBT

dClk loop

dCLK – CYC

複合体

CYC

dCLK

Fig. 1 インターロックフィードバックモデル


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濃度の時間特性

モデルの定式化

( 核内 PER-TIM 複合体の濃度速度式 , 文献 [2] )

6

Per, Tim

  • 濃度が24時間周期で振動する.

PER, TIM

PT

4

  • ピークとなる時間が文献 [3] と

    一致する.

濃度 [nM]

2

0

文献 [2] のモデルは

適切である

0

48

24

時間 [h]

Fig. 2 時間特性 (Per, Tim)


3713381

5. 明暗サイクルによる同調

概日リズムがずれた場合に

同調が行われるように

文献 [2] のモデルを改良

文献 [2] のモデルでは

概日リズムがずれた場合

修正できない

( 同調できない )

同調の流れ

  • 概日リズムが , 明暗サイクルより進んで(遅れて)いる

  • 細胞質 (細胞核内) PER-TIM 複合体が崩壊

  • 概日リズムが後退 (前進)する


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6. 同調を考慮した数式モデル

同調を考慮して

文献 [2] の数式モデルを

変形する

光による PER-TIM 複合体の崩壊

を示す項を新たに加える

光による入力

概日リズムのずれ(遅れ)


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シミュレーション結果

2

  • 概日リズムを 3時間遅らせて

  • シミュレーションする

1

0

濃度の誤差 [nM]

-1

  • ずれがない場合との

  • 濃度誤差を検出

-2

per 遺伝子 mRNA 濃度について

誤差を検出

-3

3

24

48

96

72

時間 [h]

Fig. 3 濃度誤差 (3時間遅れ)

  • 濃度誤差は 0 に収束

ずれが特定の範囲内でしか

同調できない

  • 明暗サイクルに同調している


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7. おわりに

  • 文献 [2] で定式化されたインターロックフィード

  • バックモデルを SIMULINK を用いて検証

  • 明暗サイクルによる同調 を考慮したモデルの

    作成 , および検証

今後の課題

  • 任意のずれに対して , 同調が行われるように

    モデルを改良する.


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付録


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Circadian Ryhthm ( 概日リズム )

circa(約) + dies(1日) = 約 1日

(概日リズム)

範囲は 24±4 時間

(By Halberg)


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Circadian Time (概日時間)

概日リズムの

周期 (約 24時間)

24 時間に修正

概日時間

(例)

1 時間は

23 / 24 時間に相当

周期が 23時間

概日時間に

修正


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mRNA (メッセンジャー RNA)

DNA は核の外に

持ち出せない

DNA のコピー(RNA)

が持ち出される

リボソーム

細胞

mRNA

DNA

タンパク質


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数式モデル

period (per)遺伝子mRNAの濃度を示す

微分方程式

自然分解

による影響

分解酵素による分解

恒常的に転写


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SIMULINK モデル


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濃度の時間特性

Clk

CC(核内)

  • 濃度が24時間周期で振動する.

6

  • ピークとなる時間が文献 [3] と

    一致する.

CLK

4

濃度 [nM]

2

0

文献 [2] のモデルは

適切である

48

0

24

時間 [h]

Fig. 4 時間特性 (Clk)


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シミュレーション結果

  • 概日リズムを 3時間進ませて

  • シミュレーションする

3

2

1

  • ずれがない場合との

  • per 遺伝子 mRNA 濃度

  • を比較する

濃度の誤差 [nM]

0

-1

-2

0

48

72

96

24

  • 濃度誤差は 0 に収束

時間 [h]

Fig. 5 濃度誤差 (3時間進み)

  • 明暗サイクルに同調している


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光パルスによる位相の変化

3

  •  概日リズムがずれる

2

1

  •  生物が夜だと認識している

  •   時間帯に光が当たる

0

位相変化 [h]

-

1

-

2

  •  概日リズムの位相が変化し

  •   ずれが修正される

-

3

-

4

14

20

12

22

24

16

18

時間 [h]

sinカーブに似ているの

ではないか?

Fig. 6 光パルスによる位相変化


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