Metabolic adaptation of type 2 diabetes

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Transomic Analysis of Metabolic Adaptation
• Project/Area Number: 17H06300
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 黒田 真也 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50273850)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 稲葉 有香 金沢大学, 新学術創成研究機構, 准教授 (20571970) ; 土屋 貴穂 筑波大学, 医学医療系, 助教 (70853167) ; 小林 大樹 新潟大学, 医歯学系, 助教 (20448517)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Keywords: トランスオミクス

Outline of Annual Research Achievements

２型糖尿病を含む糖代謝疾患は全身の代謝アダプテーションの破綻である。全身の代謝は、各臓器におけるDNA・RNA・タンパク質・代謝物の各オミクス階層にまたがるトランスオミクスネットワークが血液などを介して協調する動的な代謝アダプテーションシステムにより制御されている。本研究では、野生型と肥満モデルマウスを用いた糖負荷に対する代謝における動的応答のオミクス計測とデータ統合解析により、代謝アダプテーションのトランスオミクスネットワークを同定して糖代謝疾患のメカニズムを明らかにすることを目的とした。これまで同位体標識実験を用いずにマルチオミクスデータから代謝変化とその制御を解析する数理モデルOMELETを開発して肥満モデルマウスであるob/obマウスにおける肝臓グルコース代謝変化とその変化を引き起こしている制御を定量的に解析した(Uematsu et al, iScience, 2022)。また現在、DNAのメチル化を考慮したトランスオミクス解析を行っている。遺伝子転写開始点付近のDNAが低メチル化状態にある場合、その遺伝子の発現が活性化されることが知られている。DNAメチル化による遺伝子発現制御を介したタンパク質発現制御機構を明らかにするために、マウス肝臓と骨格筋のDNAメチロームを計測し、トランスクリプトーム、プロテオームと統合したトランスオミックネットワークを構築している。肝臓においては、肝臓の重要な機能を担う経路が、DNA低メチル化によりタンパク質発現量が上昇することで活性化していることが判明した。骨格筋においては、筋収縮に関わる分子群がDNA低メチル化による発現上昇の制御が多く見られた。このように、DNAメチル化を組み込んだトランスオミクス解析の結果、臓器特異的な代謝や臓器の機能に関連するタンパク質に、DNA低メチル化の制御が多いことが判明した。

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] Optogenetic decoding of Akt2-regulated metabolic signaling pathways in skeletal muscle cells using transomics analysis (2023)
  • Author(s): Kawamura Genki、Kokaji Toshiya、Kawata Kentaro、Sekine Yuka、Suzuki Yutaka、Soga Tomoyoshi、Ueda Yoshibumi、Endo Mizuki、Kuroda Shinya、Ozawa Takeaki
  • Journal Title: Science Signaling Volume: 16 Pages: 773
  • DOI: 10.1126/scisignal.abn0782
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Features extracted using tensor decomposition reflect the biological features of the temporal patterns of human blood multimodal metabolome (2023)
  • Author(s): Fujita Suguru、Karasawa Yasuaki、Hironaka Ken-ichi、Taguchi Y.-h.、Kuroda Shinya
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Pages: e0281594
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0281594
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vivo transomic analyses of glucose-responsive metabolism in skeletal muscle reveal core differences between the healthy and obese states (2022)
  • Author(s): Kokaji, T., Eto, M., Hatano, A., Yugi, K., Morita, K., Ohno, S., Fujii, M., Hironaka, K., Ito, Y., Egami, R., Uematsu, S., Terakawa, A., Pan, Y., Maehara, H., Li, D., Bai, Y., Tsuchiya, T., Ozaki, H., Inoue, H., Kubota, H., Suzuki, Y., Hirayama, A., Soga, T., Kuroda, S.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: 13719
  • DOI: 10.1038/s41598-022-17964-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Trans-omics analysis of insulin action reveals a cell growth subnetwork which co-regulates anabolic processes (2022)
  • Author(s): Terakawa Akira、Hu Yanhui、Kokaji Toshiya、Yugi Katsuyuki、Morita Keigo、Ohno Satoshi、Pan Yifei、Bai Yunfan、Parkhitko Andrey A.、Ni Xiaochun、Asara John M.、Bulyk Martha L.、Perrimon Norbert、Kuroda Shinya
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Pages: 104231
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104231
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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 Pages: 787～804
  • DOI: 10.1042/BCJ20210596
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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 Pages: 103787
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.103787
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Four features of temporal patterns characterize similarity among individuals and molecules by glucose ingestion in humans (2022)
  • Author(s): Fujita Suguru、Karasawa Yasuaki、Fujii Masashi、Hironaka Ken-ichi、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Inoue Hiroshi、Sumitomo Yohei、Hirayama Akiyoshi、Soga Tomoyoshi、Kuroda Shinya
  • Journal Title: Npj Systems Biology and Applications Volume: 8(6) Pages: 1-16
  • DOI: 10.1038/s41540-022-00213-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An extensive and dynamic trans-omic network illustrating prominent regulatory mechanisms in response to insulin in the liver (2021)
  • Author(s): Matsuzaki Fumiko、Uda Shinsuke、Yamauchi Yukiyo、Matsumoto Masaki、Soga Tomoyoshi、Maehara Kazumitsu、Ohkawa Yasuyuki、Nakayama Keiichi I.、Kuroda Shinya、Kubota Hiroyuki
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 36 Pages: 109569
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109569
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Transomic network analysis of glucose metabolism and its dysfunction associated with obesity (2022)
  • Author(s): Shinya Kuroda
  • Organizer: The 21th International Conference on Systems Biology (ICSB) 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The roles of inter- and intra-cellular variations in cellular information transfer (2022)
  • Author(s): Shinya Kuroda
  • Organizer: Workshop on Non-equilibrium Phenomena in Physics and Biology (NE-PB2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Systems Biology of Insulin Action (2022)
  • Author(s): Shinya Kuroda
  • Organizer: Biomedical Mathematics Online Colloquium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ストラクチャオーム/ structurome オミクスワイドのタンパク質立体構造(ストラクチャオーム)に向けて Toward an omics-wide protein structure (structurome) (2022)
  • Author(s): 黒田 真也
  • Organizer: 第45回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 骨格筋のシステムバイオロジー：代謝トランスオミクスと情報誌論解析 (2022)
  • Author(s): 黒田 真也
  • Organizer: 第9回骨格筋生物学研究会
  • Invited
• [Presentation] インスリン作用のトランスオミクスネットワーク (2021)
  • Author(s): 黒田 真也
  • Organizer: 第64回日本糖尿病学会年次学術集会The 64th Annual Meeting of the Japan Diabetes Society
  • Invited
• [Presentation] トランスオミクスによる肝臓での糖応答システムの解析 (2021)
  • Author(s): 黒田 真也
  • Organizer: 第94回日本内分泌学会学術集会The 94th Annual Congress of the Japan Endocrine Society
  • Invited