化学反応ネットワークの構造的情報に基づく分岐解析~生命のしくみを分子の“つながり”から読む~

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2025-09-11 京都大学

京都大学の研究グループ(博士課程学生Yong-Jin Huang、岡田崇准教授、望月敦史教授)は、化学反応ネットワークの構造情報だけから生命現象における分岐現象を解析する「構造分岐解析」を開発しました。従来、生体内ネットワークの複雑さや不確実性のため分岐要因の特定は困難でしたが、本手法によりネットワーク構造の情報だけで、分岐を引き起こす因子や分岐挙動を示す分子を体系的に決定できることを証明しました。さらに、この理論をマクロファージのM1/M2型分化に適用した結果、ネットワーク構造が分化パターンを制約していることや、特定の遺伝子欠失により中間的な分化状態を実現できることを予測しました。本成果は、数理的構造解析と実験研究を結びつけることで、細胞制御や疾患メカニズム解明への応用が期待されます。研究成果は2025年7月29日、「Scientific Reports」に掲載されました。

化学反応ネットワークの構造的情報に基づく分岐解析~生命のしくみを分子の“つながり”から読む~
構造分岐解析:化学反応システムのネットワーク構造から分岐現象のふるまいを決定する。

<関連情報>

ネットワークトポロジーから生化学反応系の分岐挙動を解明する Uncovering bifurcation behaviors of biochemical reaction systems from network topology

Yong-Jin Huang,Takashi Okada & Atsushi Mochizuki
Scientific Reports  Published:29 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-025-10688-6

Abstract

The regulation of biological functions is achieved through the modulation of biochemical reaction network dynamics. The diversity of cell states and the transitions between them have been interpreted as bifurcations in these dynamics. However, due to the complexity of networks and limited knowledge of reaction kinetics, bifurcation behaviors in biological systems remain largely underexplored. To address this, we developed a mathematical method, Structural Bifurcation Analysis (SBA), which decomposes the system into substructures and determines important aspects of bifurcation behaviors—such as substructures responsible for bifurcation conditions, bifurcation-inducing parameters, and bifurcating variables—solely from network topology. We establish a direct relationship between SBA and classical bifurcation analysis, enabling the study of systems even in the presence of conserved quantities. Additionally, we provide a step-by-step bifurcation analysis for general use. We applied our method to the macrophage M1/M2 polarization system. Our analysis reveals that the network structure strongly constrains possible patterns of polarization. We also clarify the dependency of the M1/M2 balance on gene expression levels and predict the emergence of intermediate polarization patterns under gene deletions, including SOCS3, which are experimentally testable.

医療・健康
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