MAPKシグナル伝達カスケードの設計は、情報伝達のエネルギーコストと精度のバランスをとる

Design of a MAPK signalling cascade balances energetic cost versus accuracy of information transmission.

• Alexander Anders
• Bhaswar Ghosh
• Timo Glatter
• Victor Sourjik

抄録

細胞のプロセスは本質的にノイズの多いものであり、ノイズの存在下での正確な応答のための選択がシグナル伝達ネットワークを形成してきたと考えられる。ここでは、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ(MAPK)シグナル伝達カスケードにおける情報伝達の正確さとそのエネルギーコストのトレードオフを調べた。出芽酵母のフェロモン応答経路の解析から、このネットワークにおける負の転写フィードバックの用量依存的誘導が、情報伝達能力そのものよりも、むしろ単位エネルギーコストあたりの情報を最大化することが示唆された。さらに、MAPKのリン酸化と脱リン酸化の無益なサイクルが成長のフィットネスに測定可能な影響を与えることを実証した。物理学や工学で確立された概念である、情報処理のエネルギーコストに対する精度の最適化を考慮することで、細胞内シグナル伝達システムの制御設計を理解するための一般的なフレームワークを提供することができます。

Cellular processes are inherently noisy, and the selection for accurate responses in presence of noise has likely shaped signalling networks. Here, we investigate the trade-off between accuracy of information transmission and its energetic cost for a mitogen-activated protein kinase (MAPK) signalling cascade. Our analysis of the pheromone response pathway of budding yeast suggests that dose-dependent induction of the negative transcriptional feedbacks in this network maximizes the information per unit energetic cost, rather than the information transmission capacity itself. We further demonstrate that futile cycling of MAPK phosphorylation and dephosphorylation has a measurable effect on growth fitness, with energy dissipation within the signalling cascade thus likely being subject to evolutionary selection. Considering optimization of accuracy versus the energetic cost of information processing, a concept well established in physics and engineering, may thus offer a general framework to understand the regulatory design of cellular signalling systems.