メタボローム解析に基づくがんの代謝の理解、診断法の開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Integrative Systems Understanding of Cancer for Advanced Diagnosis, Therapy and Prevention
• Project/Area Number: 22134007
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 曽我 朋義 慶應義塾大学, 環境情報学部, 教授 (60338217)
• Project Period (FY): 2010-06-23 – 2015-03-31
• Keywords: 癌 / 生体分子 / バイオテクノロジー

Research Abstract

1）エネルギー代謝経路に特化したメタボローム解析技術の高感度化
現在代謝産物の網羅的な測定には、シースフロー方式キャピラリー電気泳動-飛行時間型質量分析計（CE-MS）法やCE-MS/MS法を用いているが、この方法はシース液によって試料が希釈されるため、感度の低下が必須であった。
そこで、シース液をまったく使わないシースレス方式のCE-MSスプレイニードルを考案し試作した。その結果、安定した試料のスプレー法が確立された。感度は、既存のシースレス法と同等であるが、今後さらに改良し、高感度化を達成する。
2）がんおよび正常組織、培養細胞のメタボローム測定
大腸がん患者207例から採取した正常組織とがん組織のメタボローム解析および前がん病変からステージ4までの各ステージ約10例の組織のトランスクリプトーム、ゲノムの解析を行い、がん組織では、解糖系、グルタチオン生合成経路、グルタミン代謝、メチオニン代謝などが亢進していることや、代謝リプログラミングが生きている段階を特定した。大腸がんは、進行に伴ってAPC、KRAS、P53、S mad4の変異が高頻度に見られるが、これらの遺伝子の変異によって代謝がどのように変化するか解明した。さらに、詳しく解明するため、APCおよびAPC/Smad4変異大腸がんモデルマウスから採取した大腸の組織のメタボローム解析を行い、遺伝子の変異と代謝のリプログラミングの関係を解析した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1）エネルギー代謝経路に特化したメタボローム解析技術の高感度化
平成24年度までに、モニターする質量数に限度はあるものの高感度検出が可能な三連四重極質量分析計をキャピラリー電気泳動-質量分析計（CE）に接続し、多重反応モニタリング法を用いて、エネルギー代謝経路の代謝物を高感度に検出する方法を検討した結果、ヌクレオチド類やCoA類などの窒素元素を持っている陰イオン性代謝物は数十倍から数百倍の高感度検出が可能になった。
またシースレス方式のCE-MS法を陰イオン代謝物の測定法に応用し、エネルギー代謝経路に多く存在する陰イオン性の代謝物の高感度化を開発する予定であったが、シースレス方式に接続可能な陰イオン測定用のコーティングキャピラリーの開発が納入予定の米国企業の開発遅れたために検討することができなかった。そこで、平成25年度に独自に、シースレス方式のCE-MSスプレイニードルを試作し、安定した測定が可能になった。来年度引き続き開発を行う予定である。
2）がんおよび正常組織、培養細胞のメタボローム測定
大腸がん患者から採取した正常組織とがん組織のメタボローム、プロテオーム解析を行った結果、正常細胞とがん細胞では明らかに解糖系、ペントースリン酸経路、グルタチオン生合成経路、グルタミン代謝など幾つかの代謝経路が有意に異なっていた。またAPCおよびAPC/Smad4変異大腸がんモデルの解析から、大腸がんの代謝が変動する段階を特定した。今後、DNAメチル化解析などをおこなって、代謝が変動する分子メカニズムを解明する。がん細胞への栄養の供給を寸断することで、がんの増殖を抑制するという戦略に基づいた大腸がんの化学療法野の新規標的を探索する予定である。

Strategy for Future Research Activity

1）エネルギー代謝経路に特化したメタボローム解析技術の高感度化
引き続き、シースレスCE-MS法による代謝産物の測定法の高感度化を検討する。平成25年度に作成したCE-MSスプレイニードルの内径、形状等を変えたスプレイニードルをさらに何本か試作し、安定性、感度の検討を行う。また質量分析計の各種のパラメーターの最適化を行って、さらなる高感度化を目指す予定である。
2）大腸がん患者の組織、モデルマウスの解析
前年度までの大腸がん患者の組織の各種のオミクス解析、APCおよびAPC/Smad4変異大腸がんモデルマウスのメタボローム解析の結果から、がん組織で解糖系、グルタチオン生合成経路、グルタミン代謝、メチオニン代謝などが亢進していることや、代謝のリプログラミングが生きている段階を特定した。
平成26年度は、大腸がん患者から採取した正常とがん組織および大腸がんモデルマウスの組織の遺伝子解析およびがん関連遺伝子のDNAシーケンスの結果から、がんの代謝リプログラミングに関与している遺伝子を特定する。また、大腸がん患者から採取した正常とがん組織および大腸がんモデルマウスの組織のDNAメチル化（MeDIP）解析を行って、DNAメチル化と代謝のリプログラミングの関係を解明する。これまでに採取した各種のオミクスの実験結果から、大腸のがん組織が代謝をリプログラミングする分子メカニズムを推測し、効率的な大腸がんの化学療法野の新規標的分子を特定する。

Research Products

• [Journal Article] Global metabolic network reorganization by adaptive mutations allows fast growth of Escherichia coli on glycerol (2014)
  • Author(s): Cheng, K., Lee, B., Masuda, T., Ito, T., Ikeda, K., Hirayama, A., Deng, L., Dong, J., Shimizu, K., Soga, T., Tomita, M., Palsson, B. O. & Robert, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 5 Pages: 3233
  • DOI: 10.1038/ncomms4233
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Differences in the fatty acid metabolism of visceral adipose tissue in postmenopausal women (2014)
  • Author(s): Yamatani, H., Takahashi, K., Yoshida, T., Soga, T., Kurachi, H.
  • Journal Title: Menopause Volume: 21 Pages: 170-176
  • DOI: 10.1097/GME.0b013e318296431a.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metabolomic profiling of sodium fluoride-induced cytotoxicity in an oral squamous cell carcinoma cell line (2014)
  • Author(s): Sakagami, H., Sugimoto, M., Tanaka, S., Onuma, H., Ota, S., Kaneko, M., Soga, T., Tomita, M.
  • Journal Title: Metabolomics Volume: 10 Pages: 270-279
  • DOI: 10.1007/s11306-013-0576-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 総論 がんとメタボローム：オーバービュー (2014)
  • Author(s): 曽我朋義
  • Journal Title: 細胞 The CELL Volume: 46 Pages: 2-4
• [Journal Article] オンコメタボライト-フマル酸によるがんの代謝制御 (2014)
  • Author(s): 曽我朋義
  • Journal Title: 細胞工学 Volume: 33 Pages: 133-138
• [Journal Article] A Role for Cytosolic Fumarate Hydratase in Urea Cycle Metabolism and Renal Neoplasia (2013)
  • Author(s): Adam, J., Yang, M., Bauerschmidt, C., Kitagawa, M., O’Flaherty, L., Maheswaran, P., O¨ zkan, G., Sahgal, N., Baban, D., Kato, K., Saito, K., Iino, K., Igarashi, K., Stratford, M., Pugh, C., Tenant, D., Ludwig, C., Davies, B., Ratcliffe, P. J., El-Bahrawy, M., Ashrafian, H., Soga, T., and Pollard, P. J.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 3 Pages: 1440-1448
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2013.04.006.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The selective control of glycolysis, gluconeogenesis and glycogenesis by temporal insulin patterns (2013)
  • Author(s): Noguchi, R., Kubota, H., Yugi, K., Toyoshima, Y., Komori, Y., Soga, T., Kuroda, S.
  • Journal Title: Mol Syst Biol. Volume: 9 Pages: 664
  • DOI: 10.1038/msb.2013.19
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Abundant nucleostemin expression supports the undifferentiated properties of germ cell tumors (2013)
  • Author(s): Uema, N., Ooshio, T., Harada, K., Naito, M., Naka, K., Hoshii, T., Tadokoro, Y., Ohta, K., Ali, M.A., Katano, M., Soga, T., Nakanuma, Y., Okuda, A., Hirao, A.
  • Journal Title: Am. J. Pathol. Volume: 183 Pages: 592-603
  • DOI: 10.1016/j.ajpath.2013.04.018.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autophagy protects kidney proximal tubule epithelial cells from mitochondrial metabolic stress (2013)
  • Author(s): Kimura, T., Takahashi, A., Takabatake, Y., Namba, T, Yamamoto, T., Kaimori, J.Y., Matsui, I., Kitamura, H., Niimura, F., Matsusaka T., Soga, T., Rakugi, H., Isaka, Y.
  • Journal Title: Autophagy Volume: 9 Pages: 1876-1886
  • DOI: 10.4161/auto.25418.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metabolome analysis of erythrocytes from patients with chronic hepatitis C reveals the etiology of ribavirin-induced hemolysis (2013)
  • Author(s): Karasawa, T., Saito, T., Ueno, Y., Sugimoto, M., Soga, T.
  • Journal Title: Int J Med Sci. Volume: 10 Pages: 1575-1577
  • DOI: 10.7150/ijms.6436
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamics of serum metabolites in patients with chronic hepatitis C receiving pegylated interferon plus ribavirin: A metabolomics analysis (2013)
  • Author(s): Saito, T., Sugimoto, M., Igarashi, K., Saito, K., Shao, L., Katsumi, T., Tomita, K., Sato, C., Ishii, R., Okumoto, K., Nishise, Y., Watanabe, H., Tomita, M., Ueno, Y., Soga, T.
  • Journal Title: Metabolism Volume: 62 Pages: 1577-1586
  • DOI: 10.1016/j.metabol.2013.07.002.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Persistent overexpression of phosphoglycerate mutase, a glycolytic enzyme, modifies energy metabolism and reduces stress resistance of heart in mice (2013)
  • Author(s): Okuda, J., Niizuma, S., Shioi, T., Kato, T., Inuzuka, Y., Kawashima, T., Tamaki, Y., Kawamoto, A., Tanada, Y., Iwanaga, Y., Narazaki, M., Matsuda, T., Adachi, S., Soga, T., Takemura, G., Kondoh, H., Kita, T., Kimura, T.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 8 Pages: e72173
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0072173
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oncometabolites: Linking Altered Metabolism with Cancer (2013)
  • Author(s): Yang, M., Soga, T., and Pollard, P. J.
  • Journal Title: J. Clin. Invest. Volume: 123 Pages: 3652-3658
  • DOI: 10.1172/JCI67228.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inhibition of ATP citrate lyase induces an anticancer effect via reactive oxygen species: AMPK as a predictive biomarker for therapeutic impact (2013)
  • Author(s): Migita, T., Okabe, S., Ikeda, K., Igarashi, S., Sugawara, S., Tomida, A., Taguchi, R., Soga, T., Seimiya, H.
  • Journal Title: Am J Pathol. Volume: 182 Pages: 1800-1810
  • DOI: 10.1016/j.ajpath.2013.01.048.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] がんの代謝-ワーブルグ効果の今日的な解釈 (2013)
  • Author(s): 曽我朋義
  • Journal Title: 腫瘍内科 Volume: 11 Pages: 717-724
• [Presentation] Capillary Electrophoresis Mass Spectrometry
  • Author(s): Tomoyoshi Soga
  • Organizer: Metabolomics 2013, 9th Annual International Conference of the Metabolomics Soceity
  • Place of Presentation: Scottish Exhibition & Conference Centre, Glasgow, Scotland, UK
  • Invited
• [Presentation] がん抑制遺伝子の変異とがんの代謝
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会
  • Place of Presentation: 神戸国際展示場
  • Invited
• [Presentation] CE-MSメタボロミクスによるオンコメタボライトの発がん機序解析
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第24回クロマトグラフィー科学会議、第33回キャピラリー電気泳動シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス
  • Invited
• [Presentation] がん抑制遺伝子とがんの代謝
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第1回がんと代謝研究会
  • Place of Presentation: 鶴岡メタボロームキャンパスレクチャーホール
  • Invited
• [Presentation] Metabolomics and Cancer Metabolism
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第72回日本癌学会学術総会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Invited
• [Presentation] メタボロミクスによるがんの代謝研究
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第8回メタボロームシンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学医学部百年講堂
  • Invited
• [Presentation] メタボロミクスによるがんの代謝解析
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Invited
• [Presentation] メタボロミクスによるがんの創薬標的探索
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第53回日本臨床化学会年次学術集会
  • Place of Presentation: あわぎんホール、徳島
  • Invited
• [Presentation] メタボロミクスによるがんの創薬標的探索
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 日本レチノイド研究会第24回学術集会
  • Place of Presentation: 星薬科大学百年記念館
  • Invited
• [Presentation] がん抑制遺伝子とがんの代謝
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 第17回日本がん分子標的治療学会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Invited
• [Presentation] メタボロミクスによるがんの代謝解析
  • Author(s): 曽我朋義
  • Organizer: 千里ライフサイエンスセミナー
  • Place of Presentation: 千里ライフサイエンスセンタービル５Fライフホール
  • Invited
• [Remarks] 慶應義塾大学先端生命科学研究所 Major Publications
  • URL: http://www.iab.keio.ac.jp/en/content/view/435/118/
• [Remarks] メタボローム研究グループ 発表業績
  • URL: http://metabolome.iab.keio.ac.jp/index.php?Publications