Suri moderu to shinkateki arugorizumu o mochiita, kan anmonia taisha ni okeru taisha kuikika no saitekika no kosatsu

Title Sub Title Author Publisher Publication year Jtitle Abstract. Notes Genre URL. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org). 数理モデルと進化的アルゴリズムを用いた、肝アンモニア代謝における代謝区域化の最適化の考 察 山田, 一翔(Yamada, Kazuto) 慶應義塾大学湘南藤沢学会 2013 生命と情報 No.20 (2013. ) ,p.39- 47 哺乳類の肝臓は, 肝細胞を主体とする肝小葉と呼ばれる組織単位の集合として捉えられる。肝小葉 内では多孔質の特殊な毛細血管(類洞)に沿って肝細胞が並んでいる。肝小葉では, 入力血管である門脈側から, 出力血管である中心静脈(肝静脈側)にかけて, 種々の代謝経路について, 遺伝子発現強度, 酵素活性, 代謝物質濃度が不均質であることが知られており, 代謝区域化と呼ばれている。代謝区域化に関しては, 定量的な測定が報告されているが, その機能的•適応的意義は必ずしも明らかではない。本研究では, 肝アンモニア代謝に区域化が生じる要因を探求するため, 肝内に部位特異的な遺伝子発現制御が存在しない数理モデルを出発点とし, 進化的アルゴリ ズムを用いて数理モデルの最適化を行い, 結果として得られた代謝区域化のパターンを解析した。 本研究は, 酵素の部位特異的な遺伝子発現調節を対象とし, EAによって世代ごとに変異する変数は, 遺伝子発現調節パターンに限定した。最適化の際の選択圧(評価関数)としては, アンモニア除去速度, 尿素の産生速度, またその際のエネルギー効率など, 代謝区域化の原因となりうるものを用いた。探索の結果, glutamine synthaseなど限られた酵素の挙動がエネルギー効率の最大値を決定しているなど, 代謝区域化の制御因子についていくつかの示唆が得られたので, これ らを議論する。 慶應義塾大学湘南藤沢キャンパス先端生命科学研究会 2013年度学生論文集 修士論文ダイジェスト Technical Report http://koara.lib.keio.ac.jp/xoonips/modules/xoonips/detail.php?koara_id=KO92001004-00000020 -0039.

2013年度修士論文ダイジェスト 数理 モ. デ ル と. 進化的 ア. ル ゴ リ ズ ム を. 用いた、肝 ア ン モ ニ ア. 代謝における代謝区域化の最適化の考察 論文要旨 哺 乳 類 の 肝 臓 は 、 肝 細 胞 を 主 体 と す る 肝 小 葉 と 呼 ば れ る 組 織 単 位 の 集 合 と し て 捉 え ら れ る 。 肝小 葉内では多孔質の特殊な毛細血管（ 類 洞 ） に沿って肝細胞が並んでいる。 肝小葉では、 入力血管 である門脈側から、 出 力 血 管 で あ る 中 心 静 脈 （ 肝静脈 側 ） にかけて、種々の代謝経路について、 遺伝子発現強度、酵素活 性 、代謝物質濃度が不均質であることが知られており、代謝区域化と呼 ば れ て い る 。 代 謝 区 域 化 に 関 し て は 、 定 量 的 な 測 定 が 報 告 さ れ て い る が 、 そ の 機 能 的 •適 応 的 意 義 は必ずしも明らかではない。本研究では、肝アンモニア代謝に区域化が生じる要因を探求するた め、肝 内 に 部 位 特 異 的 な 遺 伝 子 発 現 制 御 が 存 在 し な い 数 理 モ デ ル を 出 発 点 と し 、 進化的アルゴリ ズムを用いて数理モデルの最適化を行い、結果として得られた代謝区域化のパターンを解析した。 本 研 究 は 、 酵 素 の 部 位 特 異 的 な 遺 伝 子 発 現 調 節 を 対 象 と し 、 EAに よ っ て 世 代 ご と に 変 異 す る 変 数 は、 遺 伝 子 発 現 調 節 パ タ ー ン に 限 定 し た 。 最 適 化 の 際 の 選 択 圧 （ 評 価 関 数 ） としては、 アンモニ ア除去速度、 尿 素 の 産 生 速 度 、 ま た そ の 際 の エ ネ ル ギ ー 効 率 な ど 、代謝区域化の原因となりうる も の を 用 い た 。 探 索 の 結 果 、g lu ta m in e. s y n th a s e な ど 限 ら れ た 酵 素 の 挙 動 が エ ネ ル ギ ー 効 率 の. 最 大 値 を 決 定 し て い る な ど 、 代 謝 区 域 化 の 制 御 因 子 に つ い て い く つ か の 示 唆 が 得 ら れ た の で 、 これ らを議論する。. キーワード. 1代謝区域化2 肝小葉3バイオシミュレーション4 最適化5 アンモニア代謝 慶應義塾大学大学院政策•メディア研究科 山田一翔. 39.

第 1章 序 論. 肝臓は「 化 学 工 場 」 と喩えられるほど、個 体 内 で 多 く の 代 謝 を 担 っ て い る 器 官 で あ る 。糖 • 脂 質 •ア ミ ノ 酸 の 中 間 代 謝 は 肝 臓 で ほ ぼ 独 占 的 に 行 わ れ て い る 。消 化 管 で 吸 収 さ れ た 糖 質 は 、門脈を通ってまず肝臓に入 り、 そ こ で フ ルクトースやガラクトースなどのグルコース以外の単糖をグルコースに変換する、摂食によっ て 得 ら れ た 余 剰 分 の 血 糖 を 吸 収 し 、 グ リ コ ー ゲンの形で蓄える、 といった処理を受ける。 また、血糖が低下 した場合には、 アミノ酸やグリコーゲンからグノレコースを生成し、血 中 に 放 出 す る 、 という形でその補充を 行 っ て い る 。 トリグリセリドの処理、 糖 や ア ミ ノ 酸 か ら の 脂 質 合 成 、 リポタンパク質の合成といった脂質代 謝 も 肝 臓 で 行 わ れ る 。必 須 ア ミ ノ 酸 か ら の ア ミ ノ 酸 の 合 成 、 アミノ酸 の 脱 ア ミ ノ 化 、血漿タンパクの合成 / 分 解 、 な ど の ア ミ ノ 酸 と タ ン パ ク 質 代 謝 も 肝 臓 で 行 わ れ て い る [1 ][2 ] 。 また、 消 化 管 内 で は 、微生物によって 生 体 に 有 害 な ア ン モ ニ ア が 発 生 し て お り 、 腸 管 内 か ら 門 脈 を 通 っ て 流 入 す る ア ン モ ニ ア の 分 解 も 、肝臓で行 わ れ る 。 ア ン モ ニ ア は 腸 管 内 だ け で な く 、体 の 各 部 で の ア ミ ノ 酸 分 解 や 、肝臓内でのアミノ酸の分解の際に も生じており、 こ れ ら も 肝 臓 で 分 解 さ れ る 。 肝臓内において、 アンモニアは二通りの経路で分解されてお り、 一 "9 は 尿 素 回 路 に よ っ て 尿 素 と な る 経 路 、 もう 一 ^5 はグルタミンシンテ夕ーゼによってグルタミンとな る 経 路 で あ る [2 ] 。 特 に 尿 素 回 路 は 、 肝 臓 特 異 的 な 代 謝 系 で あ る 。 [2] 血 管 系 と い う 観 点 で 肝 臓 を 見 た 場 合 、肝 臓 に 入 っ た 門 脈 は 細 か く 枝 分 か れ し て い き 、最終的に類洞と呼ば れ る 特 殊 な 毛 細 血 管 ま で 枝 分 か れ し 、 その後静脈系として再合流して心臓に戻っていく。他の器官における 毛 細 血 管 と 同 様 に 、血 液 と 肝 細 胞 と の 間 の 代 謝 物 質 の や り 取 り は 類 洞 で 行 わ れ る た め 、必 然 的 に肝臓の代謝 活 動 は 類 洞 周 辺 で 行 わ れ る 。 故 に 、類 洞 の 周 囲 の 構 造 は 、肝 臓 の 機 能 単 位 で あ る と 看 做 す こ と が で き る 。 こ れ を 肝 小 葉 と 呼 ぶ [1 ][2 ][3 ]。 肝 小 葉 内 に お い て 、 入 力 血 管 で あ る 門 脈 • 肝 動 脈 周 辺 部 (p e r ip o r t a lz o n e ) の 肝 細 胞 と 、 出力血管である中 心 静 脈 周 辺 部 (p e riv e n o u s z o n e ) の 肝 細 胞 で は 、遺 伝 子 発 現 • 酵 素 活 性 •代 謝 物 質 濃 度 な ど の 様 々 な 要 素 が 異 なることが 知 ら れ て い る 。 このよう な 不 均 質 性は m e ta b o lic zo n a tio n ( 代 謝 区 域 化 ) と呼ばれている [4 ]。 m e ta b o lic z o n a tio n は 1978 年 に J u n g e r m a n n らが提唱した概念で、糖代謝における異質性の知見をベース. に、酸 化 性 エ ネ ル ギ ー 代 謝 酸 化 • ア ミ ノ 酸 異 化 •ア ミ ノ 酸 か ら の 尿 素 形 成 な ど の 他 の 肝 臓 代 謝 を 含 め た 包括的概 念 と し て 、 門 脈 周 辺 部 の 肝 細 胞 と 中 心 静 脈 周 辺 部 の 肝 細 胞 で は 代 謝 機 能 に 不 均 質 性 が 存 在 す る と し た モ デ ル で あ る [4 ] 。 肝 細 胞 が 血 中 の 代 謝 物 質 を 消 費 し 、 あるいは 代 謝 物 質 を 生 成 し て 血 中 に 放 出 す れ ば 、 そ の 分 類 洞 下 流 域 で の 代 謝 物 質 濃 度 は 下 降 あ る い は 上 昇 す る た め 、不 均 質 性 の 存 在 自 体 は 不 思 議 で は な い 。 た だ し 、 m e ta b o lic z o n a tio n に お い て は 、 そ の よ う な 受 動 的 な 不 均 質 性 だ け で な く 、酵素発現を部位特異的に 調 節 す る こ と に よ る 、能 動 的 な 不 均 質 性 が 存 在 し て い る 。 このような部位特異的な酵素発現調節機構はエネ ル ギ ー 消 費 的 で あ る た め 、 も し 調 節 機 構 が 適 応 的 な 性 質 を 持 た な い の で あ れ ば 、 自然選択によって排除され て い た は ず で あ る 。従って、 こ の よ う な 酵 素発現における m e ta b o lic z o n a tio n には、何らかの適応的な 性質 が あ る と 考 え ら れ る 。 こ の 適 応 的 な 性 質 が 具 体 的 に 何 で あ る か を 考 察 す る の が 、本 研 究 の 目 的 と な る 。 ア ン モニア代謝系において、 中 心 静 脈 周 辺 部 で は 、 G lu ta m in e s yn th e ta se ( 以下 G S と表記する）が高発 現 し て お り 、 ア ン モ ニ ア と グ ル タ ミ ン 酸 の 分 解 と グ ル 夕 ミ ン の 生 成 が 優 勢 で あ る と 考 え ら れ て い る [2 ][5 ] [6 ] 。 また、尿 素 産 生 の 中 間 代 謝 を 担 う 酵 素 で あ る C a rb a m o y l p ho sp h a te s y n th e ta s e -I( 以 下 C P S と表記する ). や 尿 素 産 生 の 最 終 反 応 を 担 う 酵 素 で あ る A r g in a s e は、門脈周 辺 部 で 高 発 現 し て お り 、尿素産生は門脈周辺部 で 優 勢 で あ る と 考 え ら れ て い る [2 ][6 ] 。 G S が 中 心 静 脈 周 辺 部 で 高 発 現 し て い る 適 応 的 性 質 に つ い て は 、尿素 産 生 系 で は アンモニアに 対 す る 親 和 性 が 低 く 、 アンモニア濃 度 が 低 濃 度 と な る 中 心 静 脈 周 辺 部 で の アンモニ. ア除 去 に は 適 さ な い た め 、 中 心 静 脈 周 辺 部 で は アンモニア高 親 和 性 の G S が アンモニア除去を担当している という スカベンジ ャ ー モ デ ル が 提 唱 さ れ て い る [2 ][7 ] 。 た だ し 、 Jurandir らは、低 アンモニア濃度において は、 門 脈 周 辺 部 の 尿 素 産 生 系 の 遺 伝 子 発 現 は 肝 小 葉 全 体 の 尿 素 産 生 系 の 遺 伝 子 発 現 よ り も 低 く 、 門脈周辺部. 40.

よりも下流 域 に お い て 尿 素 産 生 が 活 発 で あ る という結果から、 中心静脈周辺部におけるアンモニア除去にお い て も 尿 素 産 生系が重要である、 というスカベンジャーモデルに対して批判的な主張をしている [8 ]。 本 研 究 の 対 象 と し た ア ン モ ニ ア 代 謝 系 の m e ta b o lic z o n a tio n においては、 このように定量的な測定を含め た 数 多 く の 知 見 が あ り 、 ま た 分 子 的 な メ カ ニ ズムの解明も進んでいるものの [6 ]、適応的性質についての考察 は 仮 説 の 域 を 出 て い な い [2 ]。 こ れ は 肝 小 葉内の部位毎の代謝流束分布を実験的に測定するのが困難である ことがまずあげられる。 またより根本的な問題としては 、 m e ta b o lic z o n a tio n の適応的性質についての仮説 を立てたとしても、現 在 肝 小 葉 で 観 察 さ れ る 酵 素 発 現 の 分 布 だ け で は 比 較 対 象 が 存 在 し な い た め 、 さらに効 率 的 な 別 の 酵 素 発 現 分 布 が 存 在 す る 可 能 性 を 否 定 で き な い 。 これを検証するためには、他の酵素発現分布 ( 例 え ば 、 G S が 中 心 静 脈 周 辺 部 特 異 的 な 発 現 を し な い 場 合 な ど ) と比較する必要があるが、 そのような酵素発. 現 を 取 る 突 然 変 異 体 を 探 索 • 作 成 す る こ と は 、遺 伝 学 的 に 困 難 で あ る 。 そこで本研究では、肝アンモニア代 謝 における m e ta b o lic z o n a tio n の 適 応的性質について、 O h n o らの肝小葉数理モデルによるアプローチを行つ た [2 ] 。 O h n o らの数理モデルであれば、 肝 小 葉 内 の 部 位 毎 の 代 謝 流 束 を 計 算 す る こ と は 容 易 で あ る し 、 ま た、他 の 酵 素 発 現 分 布 を 示 す 肝 小 葉 を 数 理 モ デ ル で 表 現 す る の は 比 較 的 簡 単 で あ る か ら で あ る 。 また、適応 的性質についての 仮 説 を 評 価 閨 数 と し て 数 式 化し、最 適 化 を 行 う こ と で 、 その仮説において、最も効率的と 期 待 さ れ る 酵 素 発 現 分 布 を 数 理 的 に 求 め た 。 も し そ の 仮 説 が 妥当なものであれば、最適化によって選択され た 最 も 適 応 的 と 期 待 さ れ る 酵 素 発 現 分 布 は 実 際 に 観 察 さ れ る m e ta b o lic z o n a tio n に近いものとなるはずであ り、逆 に 仮 説 が 妥 当 な も の で な け れ ば 、実 際 に 観 察 さ れ る m e ta b o lic z o n a t io n とは異なるものとなるはずで ある。 そのため、仮 説 の 数 理 的 な 妥 当 性 に つ い て 、一定の 考 察 を 与 え ら れ る と 考 え ら れ る 。. 第2章 対 象 と 手 法 2 .1部 位 特 異 的 遺 伝 子 発 現 勾 配 の 数 理 モ デ ル m e ta b olic z o n a tio n における、不 均 質 な 酵 素 発 現 分 布 を 他 の 手 法 と の 兼 ね 合 い 上 数 理 的 に 表 現 す る 必 要 が. あったため、 Christoffels らによる数理モデル ( 以 下 、 Christoffelsモデルと表言己する。）を用いて表現した [2] [9 ] 。 これは、. (1)酵 素 発 現 の 不 均 質 性 は 、 な ん ら か の 代 謝 物 質 濃 度 に 対 す る 細 胞 の 応 答 で あ る 。 （ 2) その代謝物質は、細胞 によって生産もしくは消費されていき、類 洞 を 門 脈 側 か ら 静 脈 側 へ 進 む ほ ど 、増加もし く は 減 少 す る 。 （ 3)そ の 代 謝 物 質 は 転 写 因 子 を 活 性 化 さ せ 、 そ れ に よって酵素発現を増やす働きをする。 という仮定を置いたうえで、 そ の 代 謝 物 質 に よ っ て 活 性 化 さ れ た 転 写 因 子の濃度 [ F ] を相対位置 X に対する関数 [F]= 0 .0 1 2 5 X. . . . ( 式 1). [/H=0.2-0.0125X. … ( 式 2). もしくは. ズ: portal tr ia d を0、 central v e in を8 とした時の、肝 小 葉 内 の 相 対 位 置 （ relative position) 。 として定義し、 酵 素 の 発 現 強 度 r を、 [ F i に対して F = [F ]. n!{[F\ »+Kn). •.•(式3). もしくは. Y=[F] ml{[F\ na+Kana)+ [F\ nb/([F] nb+Klfb). … ( 式 4). r :発 現 強 度 （ 相対値）. n ，na，nb:Hill coefficient K,Ka, Kb ：dissociation constant.. 41.

と算出する数理モデルである。 n ，K あるいは n a ，K a , n b ，K b は発現勾配の形を決める重要なパラメ一夕一で あり、 こ れ ら の パ ラメ一夕一を変動させることで、様 々 な 酵 素 発 現 分 布 を 一 つ の モ デ ル で 表 現 す る こ と が 可 能である。. 2 . 2 肝小葉アン モ ニ ア 代 謝 の モ デ ル. 肝 小 葉 に お け る ア ン モ ニ ア 代 謝 の モ デ ル と し て は 、 O h n o らの数理モデルを用いた。肝 小 葉 内 に は 肝 細 胞 が 約 50 万 個 含 ま れ て お り 、 これら一 ^5 — つ の 代 謝 を 全 て 計 算 す る の は 現 実 的 で は な い 。 また、仮に均質な細 胞 集 団 で あ れ ば 、 一 つ の 細 胞 の 代 謝 を 計 算 す れ ば 、 そ の 他 の 細 胞 の 代 謝 も 同 様 で あ る と 仮 定 で き 、細胞集団 全 体 の 挙 動 を 理 解 す る こ と が 可 能 と な る が 、 肝小葉 に は m e ta b o lic z o n a tio n が 存 在 す る 以 上 、均質な細胞集 団 と し て 扱 う の は 適 切 で は な い 。 そこで O h n o らは、肝小葉を類洞とそれに隣接する肝細胞の集合体として 捉 え 、類 洞 中 の 血 液 と 、血 液 と 代 謝 物 質 の や り 取 り を 行 う 複 数 の 肝 細 胞 集 団 で 構 成 さ れ た 数 理 モ デ ル （ 肝小 葉モジュールモデル） に よ っ て 肝 小 葉 を 表 現 す る 数 理 モ デ ル （ 以 下 、 O h n o モデルと表記する。 ） を構築した [2 ]( 図 1 ) 。 O h n o モ デ ル は 細 胞 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の た め の讽 用 ソ フ ト ウ ェ ア で あ る E - C E L L を用いてシミュレ一. シヨンされており [2 ][1 0 ] 、各 肝 細 胞 集 団 の 中 で は 、物質濃度と代謝流 束 が 動 的 に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン さ れ て い る。. 図 l:O h n o モ デ ル の 概 念 図 。 図 の 下 部 分 の 左 向 き の 矢 印 が 類 洞 を 表 し て お り 、 矢印の方向に血流が流れてい る。血 中 の 代 謝 物 質 は 血 流 に 沿 っ て 運 ば れ る 。 図 の 上 部 分 の 8 つ の 長 方 形 は 、肝細胞集 団 を 表 し て い る 。肝 細 胞 集 団 は 隣 接 し た 類 洞 の 血 液 と 代 謝 物 質 の 流 出 入 を 行 っ て お り 、肝 細 胞 集団同士では血液を介して間接的 に代謝物質の移動が行われる。 2 .3 最適化手法. 本 研 究 の 目 的 は 、 m e ta b o lic z o n a tio n の 適 応 的 性 質 を 考 察 す る こ と で あ る 。 そのために、適応的性質につ いての仮説 を 評 価 間 数 と し て 数 式 化 し 、最 適 化 を 行 う こ と で 、 その仮説において、最も効率的と期待される 酵 素 発 現 分 布 を 数 理 的 に 求 め た 。 最 適 化 手 法 に は 、 生 命 進 化 を 摸 し た 最 適 化 手 法 で あ る 、進化的ァルゴリズ ムを用いた。 具 体 的 に は 以 下 の 手 順 で 評 価 関 数 （ 仮 説 ） に対し て 最 適 な 肝 小 葉 を 演 算 す る も の で あ る 。個体 群 の 大 き さ は 10個 体 と し 、 5世 代 た っ て も 一 切 の 評 価 の 改 善 が 起 こ ら な か っ た 場 合 に は 最 適 化 を そ こ で 終 了 する。 1 .最初の「 個 体 」 を生成し、 「 親 」個 体 と す る 。親 個 体 は 、 Christoffels の数理モデルにおける n ，K あるいは n a ，K a ，n b ，K b の 値 を 「 遺 伝 型 」 として保有している。 2 .親個体の持つ「 遺 伝 型 」 をコピーし、複 数 の 「 子 供 」 を作り、 「 個 体 群 」 を形成する。 3 . 個体群の一部に「 突 然 変 異 （「 遺 伝 型 」 のランダムな変更）」 を行う。 こ の 「 突 然 変 異 」 によって、. 「 遺 伝 型 」 と 対 応 す る 酵 素 発 現 分 布 も 変 化 する。 4 .各個体の持つ「 遺 伝 型 」 を 元 に 各 部 位 に お け る 酵 素 濃 度 を 算 出 し 、大 野 ら の モ デ ル に 代 入 し 、代謝シミ. ユレーシ ヨンを行 う 。 5 . 代 謝 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て 得 ら れ た 各 部 位 に お け る 流 束 • 代 謝 物 質 濃 度 を 元 に 、評 価 間 数 の 値 を 算. 出する。 6 .. 最も評価が良かった個体を次の親個体とする。. 7 .. ス テップ 2 から 6 の 処 理 を 「1世 代 」 とし、終 了 条 件 を 満 た す ま で 1世代の処理を繰り返す。. 評 価 間 数 は 、 以 下 の 3種 を 用 い た 。. 42.

1 . 尿 素 産 生 の エ ネ ル ギ ー 効 率(尿 素 一 分 子 を 生成する際に消費される ATP分子の数)。 2.. 中心静脈周辺部における血中アンモニア濃度。. 3 . 式 5 で 表 さ れ る 評 価 閨 数 1 と2 の 線 形結合。線 形 結 合 の 重 み づ け K は完全に恣意的 な も の で あ り 、科学的根 拠に基づいたものではない。. i； r = X[NH3]+五. …(式5). 五K:評 価 閨 数 の 値. K : 2.665 /M E :尿 素 産 生 の エ ネ ル ギ ー 効 率 （無 次 元 量 ） [NH3]:中 心 静 脈 周 辺 部 に お け る アンモニア濃度 (M) 第3章 結 果 3.1血 中 アンモニア濃 度 を 効 率 的 に 調 節 す る設計 肝 アンモニア代 謝 の 適 応 的 性 質 を 説 明 す る 有 力 な 仮 説 と し て 、 スカベンジ ャ ー モデルがある。 尿素産生系 で は アンモニアに 対 す る 親 和 性 が 低 く 、 アンモニアが尿 素 産 生 で 消 費 さ れ て 比 較 的 低 濃 度 と な る 門 脈 周 辺 部 で の アンモニア除 去 に は 適 さ な い た め 、 門 脈 周 辺 部 で は アンモニア高 親 和 性 の GSが アンモニア除去を担当 し、 アンモニア濃 度 を 有 害 と な ら な い 範 囲 ま で 低 下 さ せ る と い う も の で あ る [2][7]。 スカベンジ ャ ー モデル が 正 し い と す れ ば 、 中 心 静 脈 周 辺 部 に お け る 血 中 アンモニア濃 度 が 代 謝 区 域 化 の 重 要 な 要 因 と な る た め 、 こ れ を 評 価 関 数として用いた。 最 適 化 の 結 果 、 GS，OATが 門 脈 周 辺 部 特 異 的 に 高 発 現 し 、 CPSが中心謝脈周辺 部で高発現する濃度勾配が選択された（ 図2 ) 。 3.2エネルギー効率を最大にする設計 3.1と同じ条件下で、評 価 間 数 だ け を エ ネ ル ギ ー 効 率 に 置 き 換 え て 最 適 化 を 行 っ た 。最 適 化 の 結 果 、 GSが 中 心 静 脈 周 辺 部 で 特 異 的 に 発 現 し 、 CPSが 門 脈 周 辺 部 で 特 異 的 に 高 発 現 す る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ た 。（ 図3). 3.3エネルギー効 率 と アンモニア濃 度 の 線 形 結 合 を 最 適 化 す る設計 3.1、3.2 と同じ条件下で、 エネルギーとアンモニア濃 度 を 線 形 結 合 し た （ 式 5 ) も の を 評 価関数に置き換 え て 最 適 化 を 行 っ た 。最 適 化 の 結 果 、 GS、 OAT は 中 心 静 脈 周 辺 部 で 特 異 的 に 高 発 現 す る 濃 度 勾 配 が 、CPS は門脈周辺部および中流域で高発現し、 中心静脈周辺部において比較的低発現する濃度勾配が選択された。 (図4). 43.

60 50. 40. 30 20. $ lt. 2. B. 4. 5. B. f. pmimn 200. 1 ISO I. 100. 1 m) o. 3. 4. 5. 8. 1 8. mMMm ^ s 4 3 1 1 ^1.. 騰I &伽 •. 麵. !. 図 2 : 評 価 関 数 と し て ア ン モ ニ ア 濃 度 を 用 い て 最 適 化 し た 場 合 の GS、 CPS、 OATの 濃 度 勾 配 （ 平 均 値 ）。 ェ. ラーバーは標 準 偏 差 。. 図 3 : 評 価 関 数 と し て 尿 素 産 生 の エ ネ ル ギ ー 効 率 を 用 い て 最 適 化 し た 場 合 の 、 GS、 CPSの 濃 度 勾 配 （ 平均. 44.

値 ）。 ヱラーバーは標 準偏差. ufatt聰 pwl&n. 図 4 : 尿素産生のエネルギー効率と中心静脈周辺部におけるアンモニア濃度を線形結合した評価間数で最適 化 し た 場 合 の 、 OAT、 CPS、 GSの 濃 度 勾 配 （ 平 均 値 ）。 エ ラ ー バーは標準偏差。 第4 章 考 察. アンモニア濃 度 を 評 価 閨 数 と し て 最 適 化 を 行 っ た 場 合 、 GSは 門 脈 周 辺 部 特 異 的 に 高 発 現 す る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ て お り、 実 際 の 肝 小 葉 に お け る GSの中心静脈特異的な高発現と食い違っていた[2][5][6]。 また、実 際 の 肝 小 葉 で は 門 脈 周 辺 部 で 高 発 現 す る CPSは、 中 心 謗 脈 周 辺 部 で 優 勢 で あ る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ る な ど 、 全 体 的 に 実 際 の 肝 小 葉 で 観 察 さ れ る 代 謝 区 域 化 と は 食 い 違 っ て い た [2][6]。 このような結果になった理由と しては、 CPSが アンモニア低 親 和 性 で あ る た め に 、 アンモニア濃 度 が 相 対 的 に 低 下 し 、 除去能力が低下する 下 流 域 に お い て 、 酵 素 濃 度 を 高 め る こ と で 除 去 能 力 を 補 っ て い る と い う こ と が 考 え ら れ る 。 また GSは アン. モニア高 親 和 性 で あ る た め に 、 下 流 域 に お い て 濃 度 が 低 下 し て も 除 去 能 力 の 低 下 が 小 さ く 、 む し ろ アンモニ ア濃 度 が 高 い 上 流 域 に お い て 高 発 現 す る こ と で 高 い 親 和 性 に よ り 大 量 の アンモニアを除 去 し た 方 が アンモニ ア濃度を効率的に減少させられるということが考えられる。 エ ネ ル ギ ー 効 率 を 評 価 閨 数 と し て 最 適 化 を 行 っ た 場 合 、 GSは 中 心 静 脈 周 辺 部 特 異 的 に 発 現 す る 濃 度 勾 配 が選択され て お り 、実 際 の 肝 小 葉 に お け る GSの中心静脈特異的な高発現と良く似ていた[2][5][6]。 CPSは門 脈 周 辺 部 の み で 高 発 現 す る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ て お り 、 門脈周辺部で 高 発 現 し て い る と い う 点 で は 似 る も の の、実 際 の 肝 小 葉 に お い て CPSは 中 流 域 に お い て も 高 発 現 し て い る た め 、 門脈周辺部のみで高発現するとい うこの結果は必ずしも妥当なものではない[2][6]。 この最適化において、 CPS， GSがこのような濃度勾配とな. 45.

ったのは、 両 者 が ア ン モ ニ ア と い う 同 じ 基 質 を 用 い る 競 合 間 係 に あ り 、 しかも双方ともに ATP を消費するた め、 ア ン モ ニ ア が 豊 富 な 門 脈 周 辺 部 に お い て 尿 素 産 生 系 の 酵 素 で あ る CPSを 促 進 し 、 GSを 抑 制 し た 方 が 、 尿 素 産 生 の エ ネ ル ギ ー 効 率 が 高 ま る た め で あ る と 考 え ら れ る 。 た だ し こ の 説 明 は 、 門 脈 周 辺 部 で CPSが高発 現 し 、 GSが 低 発 現 し て い る 理 由 の 説 明 と し て は 妥 当 な も の の 、 GSが 中 心 細 哌 周 迈 部 で 高 発 現 し て い る 事 実 と 矛 盾 す る 。 従 っ て 、 こ の 最 適 化 の 結 果 は 、 GS， CPSの 濃 度 勾 配 の 部 分 的 な 説 明 と し て は 有 用 で あ る も の の、 完 全 な 説 明 に な る と は 言 え な い 。 ア ン モ ニ ア 濃 度 と エ ネ ル ギ ー 効 率 を 線 形 結 合 し た も の を 評 価 閨 数 と し て 用 い た 場 合 、 GS， OATは中心静脈 周 辺 部 で 特 異 的 に 高 発 現 す る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ た 。 GS， OATは 実 際 の 肝 小 葉 で は 中 心 静 脈 周 辺 部 特 異 的 に 発 現 し て お り 、 実際の肝小葉と近い濃度勾配が選択されたと言える [2][5][6]。 また、 CPSは門脈周辺部およ び 中 流 域 で 高 発 現 し 、 中 心 静 脈 周 辺 部 に お い て 比 較 的 低 発 現 す る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ た 。 こちらも、実際の 肝 小 葉 に お い て CPSは 類 洞 上 流 域 •中 流 域 に お い て 高 発 現 し 、 中 心 静 脈 周 辺 部 に お い て 低 発 現 す る た め 、最 適化の結果と類似 性 が あ っ た [2][6]。 た だ し 、 中 心 静 脈 周 辺 部 に お け る CPSの 低 発 現 は 、実 際 の 肝 小 葉 で 観 察 さ れ る ほ ど 顕 著 で は 無 か っ た 。 GSが 中 心 静 脈 周 辺 部 で 特 異 的 に 高 発 現 す る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ た 理 由 と しては、前 述 の 通 り 、 CPS， GSは ア ン モ ニ ア と い う 同 じ 基 質 を 用 い る 競 合 閨 係 に あ る が 、 中心_ 脈 周 辺 部 で の GSが ア ン モ ニ ア を 除 去 す る な ら ば 、 CPSなどの尿素産生系との競合を抑えつつ、 アンモニア濃度を低下さ せることが可能なため、 エネルギー効率とアンモニア濃度の双方を両立させることができるためだと考えら れ る 。 OATが 中 心 静 脈 周 辺 部 で 高 発 現 し て い る 濃 度 勾 配 が 選 択 さ れ た 理 由 と し て は 、 OATは GSの基質であ る グ ル タ ミ ン 酸 を 産 生 す る た め 、 GSの 流 束 を 増 加 さ せ る か ら だ と 考 え ら れ る 。 CPSは 門 脈 周 辺 部 （ 上流） で 高 発 現 し つ つ 、 中 流 •下 流 に お い て も あ る 程 度 の 量 発 現 し て い る 。 これはおそらく、 エネルギー効率とし て み れ ば 門 脈 周 辺 部 の み で 発 現 し た 方 が 有 利 で あ る 一 方 、 ア ン モ ニ ア 濃 度 の 観 点 か ら 言 え ば 中 流 •下 流 域 に おいて発現した方が有利であるというトレードオフが働いた結果であると考えられる。. 肝 小 葉 において、 GSは 門 脈 周 辺 部 特 異 的 に 高 発 現 し 、 CPSは 門 脈 周 辺 部 と 中 流 域 （ 中心静脈周辺部を除 く肝小葉全体） に お い て 高 発 現 す る 。 エ ネ ル ギ ー 効 率 の み 、 アンモニア濃 度 の みを評価閨数として、 シミュ レ ー シ ョ ン と 最 適 化 を 行 っ た 場 合 、 こ れ ら の 結 果 を 再 現 す る こ と は で き な か っ た が 、両 者 を 線 形 結 合 し た 評 価 関 数 を 用 い た 所 、実 際 の 肝 小 葉 と 良 く 似 た 結 果 が 得 ら れ た 。 このことから、肝 アンモニア代謝にお け る 代 謝 区 域 化 の 進 化 の 中 で 、 エ ネ ル ギ ー 効 率 と アンモニア濃 度 の 二つの淘汰圧が同時に働いていたことが示唆さ れた。 本 研 究 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結果は、尿 素 産 生 系 が 除 去 で き な か っ た アンモニアをGSが除去するとしたス 力 ベ ン ジ ャ ー モ デ ル [7]と 全 く 矛 盾 す る わ け ではないものの、 スカベンジャーが進化の 中 で 選 択 さ れ て き た 理 由については、 アンモニア除 去 と い う 観 点 だ け で は 不 十 分 で あ り 、尿 素 産 生 の エネルギー効率という観点も 必要なのではないかということが示唆された。 また、 CPSの 中 流 •下流 域 で の 発 現 が アンモニア除 去 に お い て 有 用 で あ る と い う シミュレーション結果も 得られて お り 、 中 心 静 脈 周 辺 部 に お け る アンモニア除 去 に お い て も 尿 素 産 生 系 が 重 要 で あ る と す る Jurandirら の 主 張[8]を 支 持 す る 結 果 と な っ た 。 謝辞 慶 應 義 塾 大 学 環 境 情 報 学 部 内 藤 泰 宏 准 教 授 に は 、研 究 全 般 に 渡 り 、長 年 お 世 話 に な り 、多くの有益なア ドバイスを頂きました。 Ecellプ ロ ジ ェ ク ト の 皆 様 に も 数 多 く の サ ポ ー ト を 頂 き ま し た 。 最 後 に 、学部在籍中 より長期に渡って、 た く さ ん の チ ャ ン ス と 、 素 晴 ら し い 研 究 の 場 を 与 え て く だ さ っ た 慶 應 義 塾 大 学 環 境 情 報 学 部 冨 田 勝 教 授 に 、 心 よ り 御 礼 申 し 上 げます。 参考文献. 46.

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