2022 Fiscal Year Final Research Report

Technology development and application for cell surface visual proteomics

Research Project

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Project/Area Number	19H04209
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
Research Institution	Aoyama Gakuin University
Principal Investigator	Makiko Suwa 青山学院大学, 理工学部, 教授 (30242241)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	佐藤主税日本大学, 医学部, 客員研究員 (00357146) 池田修己国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (20415772)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	ビジュアルプロテオミクス / 膜タンパク質立体構造 / 電子顕微鏡画像 / 深層学習 / 骨格筋小胞体
Outline of Final Research Achievements	In order to comprehensively visualize cell surface proteins, we developed a technology that combines visual proteomics and bioinformatics. The "pseudo electron microscope（EM）images" were created from three-dimensional structures of membrane proteins, and an integrated DB was constructed with protein functional information. A method was developed to predict the protein family name on the EM image with 87.8% accuracy by matching the "pseudo EM image" to the "actual EM image", and this method was implemented in a web tool. After determining the optimal conditions for taking EM images, we analyzed the endoplasmic reticulum of skeletal muscle and elucidated for the first time in the world that the intracellular Ca ion and ATP concentrations induce changes in the helical structure of the ER, that relate to the interaction of Ca pumps on the ER surface. We also attempted objective analysis using deep learning method and obtained a trend similar to that of manual discrimination.
Free Research Field	バイオインフォマティクス
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	膜タンパク質は重要な生命現象を担い、創薬の重要標的でもあり、ダイナミックに機能している構造を網羅的に視覚化することが必要である。近年、細胞中のタンパク質を電子顕微鏡で捉え、その画像に既知の立体構造を照合させる手法が発展している。本研究ではこれを進展させ、バイオインフォマティクス技術とビジュアルプロテオミクス技術の融合でタンパク質同士の分布や相互作用の全貌解明を目指した。応用例として骨格筋小胞体に着目した。その表面のタンパク質の遺伝的変異は、様々な筋肉疾患に深く関わる。本研究は細胞生物学分野への貢献や、筋収縮や筋疾患の分子論的な機構の解明へ繋がる可能性があり、学術・社会的意義は大きい。