Transomics analysis of glucose-responsive metabolic regulation through crosstalk between the liver and muscle and its alterations associated with obesity

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K16349
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 小鍛治 俊也 奈良先端科学技術大学院大学, データ駆動型サイエンス創造センター, 助教 (80822551)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: トランスオミクス / 臓器連関 / 肥満 / インスリン / マルチオミクス

Outline of Annual Research Achievements

肥満は、複数の臓器における代謝制御に基づく臓器間代謝サイクルを乱し、食後高血糖や２型糖尿病などの代謝疾患を引き起こします。臓器代謝は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により制御されており、まだその全貌は明らかにされていません。本研究では、糖投与後の野生型 (WT)マウスとレプチン欠損肥満(ob/ob)マウスそれぞれについて、肝臓と骨格筋の代謝制御ネットワークを構築し、これらを統合することにより肝臓筋肉連関トランスオミクスネットワークの構築を試みています。
本年度は、前年度に構築した筋肉の糖応答トランスオミクスネットワークの解析を完了しました。WTマウスでは、ob/obマウスに比べてグルコース応答性代謝物の数が約2.5倍多く、これらのグルコース応答性代謝物によって多くの代謝反応が影響を受けることがわかった。特に、ATPなどの補酵素やクエン酸、コハク酸などのTCAサイクル中間体の応答は、糖質やアミノ酸の代謝に影響を与えると考えられる。一方、ob/obマウスの代謝酵素をコードするグルコース応答性遺伝子数はWTマウスの約1.8倍であり、その遺伝子は主に糖質・脂質代謝に関わるものであった。また、中心炭素、分岐アミノ酸、ケトン体代謝において、いくつかの特徴的なグルコース応答性調節経路を発見した。
そして、この筋肉のネットワークと以前構築した肝臓のネットワークを統合するための基盤整備も開始した。具体的には、血液を介した代謝物輸送経路及びその制御系をネットワーク上に表現するための輸送体の情報を収集した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

予定通り、肝臓ネットワークと筋肉ネットワークの統合を進めている。

Strategy for Future Research Activity

本年度に進めたネットワーク統合を完成させ、肝臓筋肉連関のトランスオミクス解析を進める。

Causes of Carryover

新型コロナウイルス流行を鑑み国際学会への参加を取りやめたため、旅費が予定より大幅に少なくなった。これらの差額は次年度の積極的な国内学会および国際学会への参加費に当てられる予定である。

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: eabn0782
  • DOI: 10.1126/scisignal.abn0782
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of hepatic responses to glucose perturbation between healthy and obese mice based on the edge type of network structures (2023)
  • Author(s): Ito Yuki、Uda Shinsuke、Kokaji Toshiya、Hirayama Akiyoshi、Soga Tomoyoshi、Suzuki Yutaka、Kuroda Shinya、Kubota Hiroyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Pages: 4758
  • DOI: 10.1038/s41598-023-31547-2
  • 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., and 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: 104231～104231
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104231
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] マウスの肝臓と骨格筋における臓器内および臓器間代謝制御とその肥満による制御異常のトランスオミクス解析 (2022)
  • Author(s): 小鍛治俊也, 幡野敦, 伊藤有紀, 柚木克之, 衛藤樹, 守田啓悟, 大野聡, 藤井雅史, 廣中謙一, 江上陸, 寺川瑛, 土屋貴穂, 尾崎遼, 井上啓, 宇田新介, 久保田浩行, 鈴木穣, 池田和貴, 有田誠, 松本雅記, 中山敬一, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • Organizer: 第45回日本分子生物学年会