プロテオゲノミクス実現のための変異タンパク質配列予測システムの構築

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K17850
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 凌 一葦 新潟大学, 医歯学系, 助教 (70804540)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: プロテオゲノミクス / がん変異

Outline of Annual Research Achievements

「ゲノムの病気」とも言えるがんは、腫瘍細胞に蓄積した遺伝子変異が、細胞内の正常な営みを担当する遺伝子によるシグナル伝達・代謝等のパスウェイに入り込み、無秩序な細胞増殖と機能異常を起こす細胞集団である。しかし、遺伝子ではなくタンパク質として発現しているものが細胞の機能を担っており、正常細胞においてもがん細胞でも、タンパク質が最も重要な役割を担っている。高速液体クロマトグラフ質量分析法（LC/MS）の飛躍的進歩により、ゲノミクスとプロテオミクスを統合し、新たな「プロテオゲノミクス」アプローチは、がんの予防・診断・治療のための研究としてさらなる飛躍が期待される。
以上のプロテオゲノム解析の視点から、遺伝子変異を反映させたタンパク配列を予測し、プロテオゲノミクス研究をより正確で精度の高い結果が得られるようにするための仕組みを構築する研究を実施した。
研究計画に基づいて、(1)ゲノム変異からプロテオームを予測するための変異CDS作成手法の開発、(2)新しい生物種やiPS細胞などタンパク質発現が未だ不明瞭な細胞においてのMissing protein配列の探索手法の開発、の2つの課題を順次解析してきた。また、変異・ゲノム情報・タンパク質質量分析データを持つCPTAC等の大規模がんゲノムデータを活用することで、プロテオゲノミクス視点に基づくがん変異が起こすタンパク質配列について調査できる土台ができ、変異タンパク質配列をリファレンスデータベースに反映できる可能性が示唆された。
今後、発がんメカニズムの解明やがん治療と分子標的薬の関係解明することが期待できる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ゲノム変異からプロテオームを予測するための変異CDS作成手法の開発とMissing protein配列の探索手法の開発が順調に進展されていた。また、米国のNCBI Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium（CPTAC）などのプロテオームレベル質量分析データに基づいて、変異タンパク質リファレンスデータベースを構築を実施した。でも、大きな計算量または計算環境に制限されるため、計算時間が予測より多くかかる可能性である。対策として、GoogleかAmazonのクラウドサービスの利用が検討中である。

Strategy for Future Research Activity

今後、(1)プロテオゲノミクスデータの可視化と(2)癌の種類に合わせた迅速かつ検証可能な変異タンパク質予測システムの基盤構築を実施する。
プロテオゲノミクス解析へ応用するため、癌変異に対するタンパク質の変化を可視化する。ゲノム変異として起きているタンパク質配列の変化は翻訳後修飾異常やタンパク質調節異常などの問題が原因であり、疾患と標的治療に深く関係する。ゲノム変異により得られる変異タンパク質配列では、本来生じるはずのないリン酸化が起きる可能性や、逆に、本来は生じるはずのリン酸化部位が変異により消失する、という現象が観察される。本研究では変異タンパク質配列を予測する上で、ゲノム変異がどのレベルでポストゲノムの内容や翻訳後のタンパク質間の相互作用に影響するのかを可視化するための手法も手掛ける。図5が示すのように、リン酸化など翻訳後修飾（PTM）や、シグナル伝達パスウェイか代謝ネットワークなどの生化学反応マップに、プロテオゲノムレベルの予測根拠を提供する。
プロテオゲノミクス解析への汎用性を上げるため、以上の6フレーム配列や変異タンパク質配列の予測技術に基づいて、ゲノムレベルの変異VCF（Variant Call Format）データ及びバリアント認識によく使われるANNOVARやSnpEffで得られる遺伝子変異リストから、複数の公開ゲノムデータベース・ヒト癌種類以外に複数の生物種・ゲノムバージョン・シグナルパスウェイ等あらゆる組み合わせの計算結果を得る。それにより、様々な研究対象における変異タンパク質配列の作成を実現し、プロテオゲノミクスの予測検証に広く応用できる。

Causes of Carryover

巨大なデータが産出される事、全ての可能な変異プロテイン配列、トランスクリプトームアセンブリ6フレーム配列データ、シグナル伝達パスウェイや代謝ネットワークの可視化データが非常に大きく、データの保存と取り出し・統計処理やグラフ化・ 画像化など発表するために必要な処理をする上で、手元に必要となる計算機資源を次年度に計上した。つまり、本課題を実施するために以下の計算機資源を利用できる。
計算機器としてクラスタ型計算サーバ(3GHz XeonGold 360 コア + 100TB ストレージ、96 Xeon コア + 100TB ストレージ)およびGPU計算用サーバ(2.6GHz Xeon Gold x 24 コア + GPU RTX 2080Ti x 10 + 2TB SSD ストレージ)を利用可能である。

Research Products

• [Journal Article] Unveiling microbiome profiles in human inner body fluids and tumor tissues with pancreatic or biliary tract cancer (2022)
  • Author(s): Shujiro Okuda, Yuki Hirose, Hayato Takihara, Akiko Okuda, Yiwei Ling, Yosuke Tajima, Yoshifumi Shimada, Hiroshi Ichikawa, Kazuyasu Takizawa, Jun Sakata, Toshifumi Wakai
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 0 Pages: 0
  • Open Access
• [Journal Article] Plasma sphingosine-1-phosphate levels are associated with progression of estrogen receptor-positive breast cancer (2021)
  • Author(s): Mayuko Ikarashi, Junko Tsuchida, Masayuki Nagahashi, Shiho Takeuchi, Kazuki Moro, Chie Toshikawa, Shun Abe, Hiroshi Ichikawa, Yoshifumi Shimada, Jun Sakata, Yu Koyama, Nobuaki Sato, Nitai C. Hait, Yiwei Ling, Shujiro Okuda, Kazuaki Takabe, Toshifumi Wakai
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 13;22(24) Pages: 13367-13381
  • DOI: 10.3390/ijms222413367
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Profiling of host genetic alterations and intra-tumor microbiomes in colorectal cancer (2021)
  • Author(s): Shujiro Okuda, Yoshifumi Shimada, Yosuke Tajima, Kizuki Yuza, Yuki Hirose, Hiroshi Ichikawa, Masayuki Nagahashi, Jun Sakata, Yiwei Ling, Nobuaki Miura, Mika Sugai, Yu Watanabe, Shiho Takeuchi, Toshifumi Wakai
  • Journal Title: Computational and Structural Biotechnology Journal Volume: 19 Pages: 3330-3338
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2021.05.049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Histopathological characteristics and artificial intelligence for predicting tumor mutational burden-high colorectal cancer (2021)
  • Author(s): ⑪Yoshifumi Shimada, Shujiro Okuda, Yu Watanabe, Yosuke Tajima, Masayuki Nagahashi, Hiroshi Ichikawa, Masato Nakano, Jun Sakata, Yasumasa Takii, Takashi Kawasaki, Kei-Ichi Homma, Tomohiro Kamori, Eiji Oki, Yiwei Ling, Shiho Takeuchi, Toshifumi Wakai
  • Journal Title: Journal of Gastroenterology Volume: 56(6) Pages: 547-559
  • DOI: 10.1007/s00535-021-01789-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 大腸癌における宿主の遺伝子変異と腫瘍内細菌叢のプロファイリング (2021)
  • Author(s): 若井俊文, 奥田修二郎, 島田能史, 田島陽介, 廣瀬雄己, 市川寛, 凌一葦, 三浦信明, 須貝美佳, 渡辺由, 竹内志穂, 坂田純
  • Organizer: 第32回日本消化器癌発生学会総会