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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Expansion of metabolic map and comprehensive annotation of genes with unknown enzyme function by next-generation metabolomic technologies

Research Project

Project/Area Number 22H01883
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

和泉 自泰  九州大学, 生体防御医学研究所, 准教授 (70622166)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 相馬 悠希  九州大学, 農学研究院, 助教 (80781955)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Keywordsメタボローム解析 / 機能的遺伝学 / ビッグデータ / 大腸菌 / ノンターゲットメタボロミクス / 構造推定
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、「①エピメタボライトライブラリーの構築と代謝マップの拡張」および「②3960種の大腸菌単一遺伝子破壊株の網羅的定量メタボローム分析」の課題に取り組んだ。
課題①では、昨年、我々が開発した幅広い親水性代謝物を網羅的かつ一斉に分離検出できる親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィー高分解能タンデム質量分析(unified-HILIC/AEX/HRMS/MS)の保持時間予測モデルの開発を行った。トレーニングデータ(203種類の極性代謝物)とその分子記述子(12,420種類)に対し、ランダムフォレストを用いて特徴量重要度をランク付けした。特徴量重要度に基づいて選出した26種類の分子記述子を用いて保持時間予測モデルを構築した。当該保持時間予測モデルを活用することで、大腸菌由来エピメタボライト候補の絞り込みが可能となった。最終的に、(1)各種細胞の安定同位体in vivoラベリング(13Cグルコース、15N基質)、(2)Unified HILIC/AEX/HRMS/MSによるメタボローム測定、(3)非標識体および標識体由来のペアードピークフィルタリングおよび13C、15N情報を活用した組成式推定、(4)in silico epimetabolite database IEMDB(HRMSおよびHRMS/MS)および開発した保持時間予測モデルを用いて、ピーク同定および構造の帰属を行うことで、106種の代謝物の同定に加えて、90種のエピメタボライトの構造推定に成功した。現在、90種のエピメタボライト候補の中から化学合成可能な標準品を選定し、同定作業を進めている。
課題②では、昨年度までに研究分担者である相馬が中心となり開発した「96-wellプレートを使用した細胞培養および高速・高精度のサンプル調製法」を用いて3960種の大腸菌のデータ取得に着手した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

課題①の「エピメタボライトライブラリーの構築と代謝マップの拡張」については、(1)各種細胞の安定同位体in vivoラベリング(13Cグルコース、15N基質)、(2)Unified HILIC/AEX/HRMS/MSによるメタボローム測定、(3)非標識体および標識体由来のペアードピークフィルタリングおよび13C、15N情報を活用した組成式推定、(4)IEMDB(HRMSおよびHRMS/MS)によるピーク同定および構造の帰属、の研究計画に従い、大腸菌抽出液から90種類の親水性エピメタボライトの帰属に成功した。また、昨年、我々が考案したUnified HILIC/AEX/HRMS/MSによる新規のメタボローム分析法で取得した大腸菌代謝物ピークに対して構造アノテーションの精度を向上させるために、保持時間予測モデルを構築した。本研究成果は、分析化学の専門誌であるAnalytical Chemistryに受理され高い評価を得た。さらに、親水性代謝物の包括的分析法であるUnified HILIC/AEX/HRMS/MSを拡張し、親水性から疎水性に至る超網羅的な代謝物を一斉に測定可能な分析系へと発展させた。
また、課題②の「3960種の大腸菌単一遺伝子破壊株の網羅的定量メタボローム分析」においては、プレートの種類や植菌法、前培養・本培養の時間や播種量を最適化し、大腸菌がもつ親水性から脂質までの幅広い代謝物を包括的かつ効率的に抽出するための溶媒および前処理条件の最適化を行い、3960種の大腸菌のデータ取得に着手した。

Strategy for Future Research Activity

課題①の「エピメタボライトライブラリーの構築と代謝マップの拡張」については、引き続き、Unified HILIC/AEX/HRMS/MS分析法およびIEMDBを用いて大腸菌に含まれる未知の代謝物の帰属を進める。課題②の「3960種の大腸菌単一遺伝子破壊株の網羅的定量メタボローム分析」については、相馬らと連携しながら3960種の大腸菌のデータ取得を完了させる。課題③の「大腸菌の機能未知酵素遺伝子の包括的帰属」については、3960種の大腸菌KO株のノンターゲットメタボロームデータの中からIEMDBを用いて、エピメタボライトの帰属を網羅的に実施する。また、各遺伝子のKOによって存在量が大きく変動したエピメタボライトを探索し、KO遺伝子との関係性を多角的に考察しながら、大腸菌の機能未知酵素遺伝子候補の絞り込みを行う。

  • Research Products

    (25 results)

All 2024 2023

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 9 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results) Book (2 results)

  • [Journal Article] Wide-scope targeted analysis of bioactive lipids in human plasma by LC/MS/MS.2024

    • Author(s)
      Nakatani K, Izumi Y*, Umakoshi H, Yokomoto-Umakoshi M, Nakaji T, Kaneko H, Nakao H, Ogawa Y, Ikeda K, Bamba T*.
    • Journal Title

      Journal of Lipid Research

      Volume: 65(1) Pages: 100492

    • DOI

      10.1016/j.jlr.2023.100492

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Predicting retention time in unified-hydrophilic-interaction/anion-exchange liquid chromatography high-resolution tandem mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/HRMS/MS) for comprehensive structural annotation of polar metabolome.2024

    • Author(s)
      Torigoe T, Takahashi M*, Heravizadeh O, Ikeda K, Nakatani K, Bamba T, Izumi Y*.
    • Journal Title

      Analytical Chemistry

      Volume: 96(3) Pages: 1275-1283

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.3c04618

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Comparison of amine-modified polymeric stationary phases for polar metabolomic analysis based on unified-hydrophilic interaction/anion exchange liquid chromatography/high-resolution mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/HRMS).2024

    • Author(s)
      Ikeda K, Takahashi M, Bamba T, Izumi Y*.
    • Journal Title

      Mass Spectrometry

      Volume: 13(1) Pages: A0143

    • DOI

      10.5702/massspectrometry.A0143

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Efficient lipidomic approach for the discovery of lipid ligands for immune receptors by combining LC-HRMS/MS analysis with fractionation and reporter cell assay.2024

    • Author(s)
      Tomiyasu N, Takahashi M, Toyonaga K, Yamasaki S, Bamba T, Izumi Y*.
    • Journal Title

      Analytical and Bioanalytical Chemistry

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1007/s00216-023-05111-w

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nicotinamide-N-methyltransferase regulates lipid metabolism via SAM and 1-methylnicotinamide in the AML12 hepatocyte cell line.2023

    • Author(s)
      Yoda M, Mizuno R, Izumi Y, Takahashi M, Bamba T, Kawaoka S*.
    • Journal Title

      The Journal of Biochemistry

      Volume: 174(1) Pages: 89-98

    • DOI

      10.1093/jb/mvad028

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Modulation of host glutamine anabolism enhances the sensitivity of small cell lung cancer to chemotherapy.2023

    • Author(s)
      Kodama M, Toyokawa G, Sugahara O, Sugiyama S, Haratake N, Yamada Y, Wada R, Takamori S, Shimokawa M, Takenaka T, Tagawa T, Kittaka H, Tsuruda T, Tanaka K, Komatsu Y, Nakata K, Imado Y, Yamazaki K, Okamoto I, Oda Y, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Shimizu H, Yoshizumi T, Nakayama KI*.
    • Journal Title

      Cell Reports

      Volume: 42(8) Pages: 112899

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2023.112899

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Archaeal glycerolipids are recognized by C-type lectin receptor Mincle.2023

    • Author(s)
      Oka S, Watanabe M, Ito E, Takeyama A, Matsuoka T, Takahashi M, Izumi Y, Arichi N, Ohno H*, Yamasaki S*, Inuki S*.
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 145(33) Pages: 18538-18548

    • DOI

      10.1021/jacs.3c05473

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sulfur metabolic response in macrophage limits excessive inflammatory response by creating a negative feedback loop.2023

    • Author(s)
      Takeda H, Murakami S, Liu Z, Sawa T, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Sato H, Akaike T, Sekine H, Motohashi H*.
    • Journal Title

      Redox Biology

      Volume: 65 Pages: 102834

    • DOI

      10.1016/j.redox.2023.102834

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Trace impurities in sodium phosphate influences the physiological activity of Escherichia coli in M9 minimal medium.2023

    • Author(s)
      Soma Y, Tominaga S, Tokito K, Imado Y, Naka K, Hanai T, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T*.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13(1) Pages: 17396

    • DOI

      10.1038/s41598-023-44526-4

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Lipidome and metabolome analyses reveal metabolic alterations associated with MCF-7 cell apoptosis upon 4-hydroxytamoxifen treatment.2023

    • Author(s)
      Nishimoto K, Okahashi N, Maruyama M, Izumi Y, Nakatani K, Ito Y, Iida J, Bamba T, Matsuda F*.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13(1) Pages: 18549

    • DOI

      10.1038/s41598-023-45764-2

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Improved 2,3-butanediol production rate of metabolically engineered Saccharomyces cerevisiae by deletion of RIM15 and activation of pyruvate consumption pathway.2023

    • Author(s)
      Sugimura M, Seike T, Okahashi N, Izumi Y, Bamba T, Ishii J, Matsuda F*.
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 24(22) Pages: 16378

    • DOI

      10.3390/ijms242216378

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Unified-HILIC/AEXの保持時間予測と構造アノテーションの評価2023

    • Author(s)
      〇鳥越 大平,高橋 政友,Heravizadeh Omidreza,中谷 航太,池田 和輝,馬場 健史,和泉 自泰
    • Organizer
      第71回 質量分析総合討論会
  • [Presentation] Unified-HILIC/AEX/MS/MSによる親水性メタボロームとリピドームの同時分析2023

    • Author(s)
      〇中谷 航太,池田 和輝,高橋 政友,馬場 健史,和泉 自泰
    • Organizer
      第71回 質量分析総合討論会
  • [Presentation] Development of a 96-well plate sample preparation method for multi-omics analysis using metabolomics and proteomics2023

    • Author(s)
      〇Kazuki Ikeda, Masatomo Takahashi, Hata Kosuke, Kohta Nakatani, Shunsuke Aburaya, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
    • Organizer
      71th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics (ASMS 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simultaneous analysis of polar metabolome and lipidome by unified-hydrophilic interaction/anion-exchange liquid chromatography tandem mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/MS/MS)2023

    • Author(s)
      〇Kohta Nakatani, Kazuki Ikeda, Masatomo Takahashi, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
    • Organizer
      71th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics (ASMS 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A method for comprehensive investigation of lipid ligands using LC-FRC/HRMS/MS2023

    • Author(s)
      〇Noriyuki Tomiyasu, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Naoya Nishimura, Kenji Toyonaga, Sho Yamasaki, Takeshi Bamba
    • Organizer
      71th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics (ASMS 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Unified-HILIC/AEX/MS/MS:親水性メタボロームとリピドームの同時分析法2023

    • Author(s)
      〇中谷 航太,池田 和輝,高橋 政友,馬場 健史,和泉 自泰
    • Organizer
      第49回 BMSコンファレンス (BMS2023)
  • [Presentation] in silicoエピメタボライトデータベース (IEMDB) を用いた代謝物の 包括的構造推定法の開発2023

    • Author(s)
      〇鳥越 大平,高橋 政友,中尾 素直,Heravizadeh Omidreza,相馬 悠希,池田 和輝,中谷 航太,馬場 健史,和泉 自泰
    • Organizer
      第49回 BMSコンファレンス (BMS2023)
  • [Presentation] Unified-HILIC/AEX/MS/MSによる極性メタボロームとリピドームの同時分析2023

    • Author(s)
      〇中谷 航太,池田 和輝,高橋 政友,馬場 健史,和泉 自泰
    • Organizer
      日本プロテオーム学会 2023年大会
  • [Presentation] メタボローム・プロテオミクスによるマルチオミクス解析のための 96-well plate を用いた試料調製法の開発2023

    • Author(s)
      〇池田 和輝,高橋 政友,秦 康祐,中谷 航太,富安 範行,松本 雅記,馬場 健史,和泉 自泰
    • Organizer
      学術変革領域A 自己指向性免疫学 若手ワークショップ2023
  • [Presentation] Development of a 96-well plate sample preparation method for the assessment of drug-induced liver injury by multi-omics analysis based on mass spectrometry2023

    • Author(s)
      〇Masatomo Takahashi, Kazuki Ikeda, Kosuke Hata, Kohta Nakatani, Noriyuki Tomiyasu, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
    • Organizer
      日本薬物動態学会第38回年会 第23回シトクロムP450国際会議 国際合同大会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 次世代質量分析オミクス計測技術による微小試料からの代謝解析2023

    • Author(s)
      〇和泉 自泰
    • Organizer
      第96回 日本生化学会大会
    • Invited
  • [Presentation] LC/MSによるメタボロミクス2023

    • Author(s)
      〇和泉 自泰
    • Organizer
      第51回 質量分析講習会
    • Invited
  • [Book] 決定版 質量分析活用スタンダード, 発展編 発展的な分析法や役立つ情報など,Ⅰ. 発展的分析法,7. 1細胞プロテオームと1細胞メタボロームの技術開発.2023

    • Author(s)
      和泉自泰*
    • Total Pages
      11
    • Publisher
      羊土社
    • ISBN
      978-4-7581-2264-1
  • [Book] 決定版 質量分析活用スタンダード, 実践編 各分野の手法別の活用プロトコール,Ⅰ. 代謝物,6. LC-MSマルチターゲット分析培養細胞でエネルギー代謝を定量する.2023

    • Author(s)
      和泉自泰*
    • Total Pages
      5
    • Publisher
      羊土社
    • ISBN
      978-4-7581-2264-1

URL: 

Published: 2024-12-25  

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