Analysis of temporal coding of TAK1 using live imaging and mathematical modeling

• Project/Area Number: 19J22134
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 48040:Medical biochemistry-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 植松 沙織 (2020-2021) 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1); 高岡 沙織 (2019) 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2021: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 代謝フラックス / 数理モデル / マルチオミクス / ベイズ推定

Outline of Research at the Start

TAK1は様々なストレスにより活性化し、炎症や免疫応答、細胞死を制御する因子として重要な役割を担っているが、このような多彩な生理機能の制御機構は明らかになっていない。一般に様々な細胞機能や疾患発症に関わるシグナル伝達は、細胞機能の情報を一過性や持続性、周期性などの時間パターンにコードすること（時間情報コード）により多彩な生理機能を制御する。本研究では、TAK1活性を検出するバイオセンサーによる1細胞でのライブセルイメージングと、TAK1活性化の数理モデル構築による解析により、TAK1活性の時間情報コードを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

マウス肝臓マルチオミクスデータ解析及び数理モデル構築を中心に、代謝制御におけるTAK1の時間情報コードの解明を目指した。前年度に引き続き、本年度は代謝経路活性の定量的指標である代謝フラックスを推定するための数理モデルの改良を行った。本手法をOMELET (Omics-based Metabolic Flux Estimation without Labeling for Extended Trans-omic Network)と命名し、汎用性を高めた。具体的には、異なる代謝ネットワークや様々な条件下で取得されたマルチオミクスデータにも適用可能であるように実装の改良を行った。OMELETを酵母やマウス肝細胞の代謝モデルから生成されたシミュレーションデータに適用することで、異なる代謝ネットワークや異なるデータに対してもOMELETが代謝フラックスを正しく推定できることを示した。また本研究室で取得された、異なる条件下におけるマウス臓器のマルチオミクスデータに対するOMELETの適用についても検討した。
このようなOMELETの手法面の改良を経て、本研究成果を筆頭著者として論文にまとめ、iScience誌に受理された。また本研究成果について、日本バイオインフォマティクス学会年会・第10回生命医薬情報学連合大会にて口頭発表を行った。
またOMELETは、マルチオミクス層にまたがる複雑な分子ネットワーク（トランスオミクスネットワーク）を、代謝フラックスとその制御に焦点を当てて理解しようとする試みと言える。そこで実験と数理の両方の代謝フラックスの解析技術について調査し、代謝のトランスオミクスネットワークの理解を目指す試みについてまとめた英語総説に共著者として加わった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Multi-omics-based label-free metabolic flux inference reveals obesity-associated dysregulatory mechanisms in liver glucose metabolism (2022)
  • Author(s): Uematsu Saori、Ohno Satoshi、Tanaka Kaori Y.、Hatano Atsushi、Kokaji Toshiya、Ito Yuki、Kubota Hiroyuki、Hironaka Ken-ichi、Suzuki Yutaka、Matsumoto Masaki、Nakayama Keiichi I.、Hirayama Akiyoshi、Soga Tomoyoshi、Kuroda Shinya
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 2 Pages: 103787-103787
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.103787
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative metabolic fluxes regulated by trans-omic networks (2022)
  • Author(s): Ohno Satoshi、Uematsu Saori、Kuroda Shinya
  • Journal Title: Biochemical Journal Volume: 479 Issue: 6 Pages: 787-804
  • DOI: 10.1042/bcj20210596
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Trans-omic analysis reveals obesity-associated dysregulation of inter-organ metabolic cycles between the liver and skeletal muscle (2021)
  • Author(s): Egami Riku、Kokaji Toshiya、Hatano Atsushi、et al.
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 3 Pages: 102217-102217
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102217
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Omics-based label-free metabolic flux inference reveals dysregulation of glucose metabolism in liver associated with obesity. (2021)
  • Author(s): Uematsu Saori、Ohno Satoshi、Kuroda Shinya
  • Organizer: 日本バイオインフォマティクス学会年会・第10回生命医薬情報学連合大会
• [Presentation] 同位体ラベルを用いないin vivo肝臓グルコース産生フラックス推定による肥満に関連したフラックス制御機構の解明 (2020)
  • Author(s): 植松沙織 , 大野聡, 田中香織, 幡野敦, 小鍛治俊也, 伊藤有紀, 鈴木穣, 松本雅記, 中山敬一, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会