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

• 研究課題/領域番号: 21K17850
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
• 研究機関: 新潟大学
• 研究代表者: 凌 一葦 新潟大学, 医歯学系, 助教 (70804540)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: プロテオミクス / がん変異 / プロテオゲノミクス / 変異タンパク質配列 / 予測システム

研究開始時の研究の概要

本研究は、プロテオゲノム解析の視点から出発し、癌ゲノム異常・タンパク質発現異常がどのような形でプロテオームレベルの変化をもたらし、細胞の表現型を規定しているのかについての機序を俯瞰的に描出する事を目的としている。質量分析結果のスペクトルからペプチド配列を推定するために、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。これにより、癌の発症メカニズムを検証し、癌患者のタンパク質の変異パターンに基づいて最適な標的治療を選択する事が可能になるための基盤を整備する事が可能になる。

研究実績の概要

昨年の研究進度報告では、質量分析に基づくプロテオミクスがゲノム配列決定技術と異なり、アミノ酸を1つずつ検出することができないこと、質量分析計から得られるスペクトルのパターンを理論上のタンパク質配列から推定されるパターンと一致させることで配列を推定することについて述べた。また、データベース内のペプチド配列と取得されたスペクトルを照合する必要性についても言及した。今年はこれらの研究をさらに発展させ、新たな進展があったので報告する。
1. 変異タンパク質データベースの構築と運用：
昨年の報告に基づき、個々の癌患者サンプルのゲノム情報を元にした変異タンパク質配列を含む参照データベースの構築を進めた。今年度はこのデータベースの運用を開始し、以下の具体的な成果を挙げた：（１）データベースの拡充：CPTACなどの大規模がんゲノムデータを活用し、変異・ゲノム情報・タンパク質質量分析データを統合することで、より包括的なリファレンスデータベースを構築。（２）変異からプロテインへの影響の可視化：プロテオゲノミクスデータの理解を深めるため、データの可視化技術の開発にも注力した。
2. 精度の向上と応用：プロテオゲノミクスの予測検証に広く応用するため、以下の取り組みを行った：（１）実際の癌患者サンプルにおいて、癌変異が反映されるプロテオミクス質量解析を検証。米国のNCBI Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium (CPTAC)から、変異やゲノム情報を同時に持つプロテオームレベルの質量分析データを取得。
検証結果の精度を向上させるため、Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE)の細胞株の癌変異とプロテオームデータの検証も補充した。
これらに基づき、汎用できる変異プロテオゲノミクスシステムの構築を実現。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

やや遅れている理由は主に以下の2点である：
１．変異からプロテインへの影響の可視化機能の追加：データベースウェブサイトにこの機能を追加することで、研究者が容易にアクセスし、データを視覚的に解析できるようにすることを目指している。ただし、インタラクティブな可視化ツールの導入やプロテオゲノミクスデータをインタラクティブに操作できる環境の整備が、当初の計画よりも難しく、予想以上に時間がかかっている。
２．CPTACやCCLEデータの変異プロテイン配列の構造と質量分析の精度向上：精度を上げるために、より多くのサンプルで検証することを計画していた。しかし、計算量や計算環境の制約により、計算時間が予想以上にかかっている。

今後の研究の推進方策

(1) 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などあらゆる組み合わせの質量分析精度検証を行う。これにより、プロテオミクスデータの解析結果が他の生物種や異なるゲノムバージョンでも有効であることを確認し、研究の汎用性と信頼性を高める。
(2) 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。これにより、疾患のメカニズムをより深く理解し、個別化医療や新たな治療法の開発に寄与する。
(3) より効率的で効果的な可視化技術の利用と開発を進める。具体的には、プロテオゲノミクスデータの視覚的な解析を支援するためのインタラクティブなツールや、データの動的な操作が可能なプラットフォームを導入し、研究者が直感的にデータを理解できる環境を整備する。また、新たな可視化技術の開発にも注力し、より多くの情報を効果的に伝える手段を探求する。これにより、研究成果の共有と応用を促進し、共同研究の機会を拡大する。

研究成果

• [雑誌論文] Mucin phenotype and genetic alterations in non-V600E BRAF-mutated colorectal cancer (2024)
  • 著者名/発表者名: Ozeki Hikaru、Shimada Yoshifumi、Nakano Mae、Kondo Shuhei、Ohashi Riuko、Miwa Yamato、Yamai Daisuke、Matsumoto Akio、Abe Kaoru、Tajima Yosuke、Ichikawa Hiroshi、Sakata Jun、Takii Yasumasa、Sugai Mika、Nagai Takahiro、Ling Yiwei、Okuda Shujiro、Wakai Toshifumi
  • 雑誌名: Human Pathology 巻: 145 ページ: 71-79
  • DOI: 10.1016/j.humpath.2024.02.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Copy number alteration is an independent prognostic biomarker in triple-negative breast cancer patients (2023)
  • 著者名/発表者名: Nagahashi M, Ling Y, Toshikawa C, Hayashida T, Kitagawa Y, Futamura M, Kuwayama T, Nakamura S, Yamauchi H, Yamauchi T, Kaneko K, Kanbayashi C, Sato N, Tsuchida J, Moro K, Nakajima M, Shimada Y, Ichikawa H, Lyle S, Miyoshi Y, Takabe K, Okuda S, Wakai T.
  • 雑誌名: Breast Cancer 巻: - 号: 4 ページ: 584-595
  • DOI: 10.1007/s12282-023-01449-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Clinical significance of metastatic tumor deposit foci in rectal cancer in the lateral pelvic lymph node area (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamai Daisuke、Shimada Yoshifumi、Nakano Masato、Ozeki Hikaru、Matsumoto Akio、Abe Kaoru、Tajima Yosuke、Nakano Mae、Ichikawa Hiroshi、Sakata Jun、Nagai Takahiro、Ling Yiwei、Okuda Shujiro、Watanabe Gen、Nogami Hitoshi、Maruyama Satoshi、Takii Yasumasa、Wakai Toshifumi
  • 雑誌名: International Journal of Clinical Oncology 巻: 28 号: 10 ページ: 1388-1397
  • DOI: 10.1007/s10147-023-02391-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] NKp44-based chimeric antigen receptor effectively redirects primary T cells against synovial sarcoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Yudai Murayama, Yasushi Kasahara, Nobuhiro Kubo, Chansu Shin, Masaru Imamura, Naoki Oike, Takashi Ariizumi, Akihiko Saitoh, Minori Baba, Tomohiro Miyazaki, Yuko Suzuki, Yiwei Ling, Shujiro Okuda, Keichiro Mihara, Akira Ogose, Hiroyuki Kawashima, Chihaya Imai
  • 雑誌名: Transl Oncol 巻: ahead ページ: 1-1
  • DOI: 10.1016/j.tranon.2022.101521
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Escherichia coli-derived outer-membrane vesicles induce immune activation and progression of cirrhosis in mice and humans (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Natsui, Atsunori Tsuchiya, Risa Imamiya, Mayuko Osada, Yui Ishii, Yohei Koseki, Nobutaka Takeda, Kei Tomiyoshi, Fusako Yamazaki, Yuki Yoshida, Riuko Ohashi, Yiwei Ling, Koji Ueda, Nobuko Moritoki, Kazuhiro Sato, Takahiro Nakajima, Yoshinori Hasegawa, Shujiro Okuda, Shinsuke Shibata, Shuji Terai
  • 雑誌名: Liver Int 巻: 43(5) 号: 5 ページ: 1126-1140
  • DOI: 10.1111/liv.15539
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Loss of <i>Atg2b</i> and <i>Gskip</i> Impairs the Maintenance of the Hematopoietic Stem Cell Pool Size (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakai Shun-suke、Hasegawa Atsushi、Ishimura Ryosuke、Tamura Naoki、Kageyama Shun、Komatsu-Hirota Satoko、Abe Manabu、Ling Yiwei、Okuda Shujiro、Funayama Manabu、Kikkawa Mika、Miura Yoshiki、Sakimura Kenji、Narita Ichiei、Waguri Satoshi、Shimizu Ritsuko、Komatsu Masaaki
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Biology 巻: 42 号: 1 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1128/mcb.00024-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Putrescine Production by Latilactobacillus curvatus KP 3-4 Isolated from Fermented Foods (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirano Rika、Kume Aiko、Nishiyama Chisato、Honda Ryosuke、Shirasawa Hideto、Ling Yiwei、Sugiyama Yuta、Nara Misaki、Shimokawa Hiromi、Kawada Hiroki、Koyanagi Takashi、Ashida Hisashi、Okuda Shujiro、Matsumoto Mitsuharu、Takagi Hiroki、Kurihara Shin
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 10 号: 4 ページ: 697-697
  • DOI: 10.3390/microorganisms10040697
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gene panel testing detects important genetic alterations in ulcerative colitis-associated colorectal neoplasia (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimada Y, Nakano M, Mizuno KI, Yokoyama J, Matsumoto A, Tanaka K, Oyanagi H, Nakano M, Hirose Y, Ichikawa H, Sakata J, Kameyama H, Takii Y, Sugai M, Ling Y, Takeuchi S, Okuda S, Terai S, Ajioka Y, Wakai T.
  • 雑誌名: Oncology Letters 巻: 24 号: 6 ページ: 442-442
  • DOI: 10.3892/ol.2022.13562
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unveiling microbiome profiles in human inner body fluids and tumor tissues with pancreatic or biliary tract cancer. (2022)
  • 著者名/発表者名: Okuda S, Hirose Y, Takihara H, Okuda A, Ling Y, Tajima Y, Shimada Y, Ichikawa H, Takizawa K, Sakata J, Wakai T.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 12(1) 号: 1 ページ: 8766-8766
  • DOI: 10.1038/s41598-022-12658-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] やってみようバイオインフォマティクス: エンリッチメント解析編 (2022)
  • 著者名/発表者名: 凌 一葦、永井貴大、奥田修二郎
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 282(7,8) ページ: 767-774
• [雑誌論文] やってみようバイオインフォマティクス: RNA-seq解析編 (2022)
  • 著者名/発表者名: 永井貴大、凌 一葦、奥田修二郎
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 282(3) ページ: 228-235
• [雑誌論文] やってみようバイオインフォマティクス: SNP解析編 (2022)
  • 著者名/発表者名: 永井貴大、凌 一葦、奥田修二郎
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 282(2) ページ: 158-168
• [雑誌論文] プレシジョン・メディシンI: がんゲノム医療 (2022)
  • 著者名/発表者名: 凌一葦
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 282(9) ページ: 837-849
• [雑誌論文] プレシジョン・メディシンII: がんゲノミクスの応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 凌一葦
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 282(11) ページ: 1017-1020
• [雑誌論文] Unveiling microbiome profiles in human inner body fluids and tumor tissues with pancreatic or biliary tract cancer (2022)
  • 著者名/発表者名: Shujiro Okuda, Yuki Hirose, Hayato Takihara, Akiko Okuda, Yiwei Ling, Yosuke Tajima, Yoshifumi Shimada, Hiroshi Ichikawa, Kazuyasu Takizawa, Jun Sakata, Toshifumi Wakai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 0 ページ: 0-0
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Plasma Sphingosine-1-Phosphate Levels Are Associated with Progression of Estrogen Receptor-Positive Breast Cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikarashi Mayuko、Tsuchida Junko、Nagahashi Masayuki、Takeuchi Shiho、Moro Kazuki、Toshikawa Chie、Abe Shun、Ichikawa Hiroshi、Shimada Yoshifumi、Sakata Jun、Koyama Yu、Sato Nobuaki、Hait Nitai C.、Ling Yiwei、Okuda Shujiro、Takabe Kazuaki、Wakai Toshifumi
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 22 号: 24 ページ: 13367-13367
  • DOI: 10.3390/ijms222413367
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Profiling of host genetic alterations and intra-tumor microbiomes in colorectal cancer. (2021)
  • 著者名/発表者名: Okuda S, Shimada Y, Tajima Y, Yuza K, Hirose Y, Ichikawa H, Nagahashi M, Sakata J, Ling Y, Miura N, Sugai M, Watanabe Y, Takeuchi S, Wakai T
  • 雑誌名: Comput Struct Biotechnol J 巻: 19 ページ: 3330-3338
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2021.05.049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Histopathological characteristics and artificial intelligence for predicting tumor mutational burden-high colorectal cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimada Yoshifumi、Okuda Shujiro、Watanabe Yu、Tajima Yosuke、Nagahashi Masayuki、Ichikawa Hiroshi、Nakano Masato、Sakata Jun、Takii Yasumasa、Kawasaki Takashi、Homma Kei-ichi、Kamori Tomohiro、Oki Eiji、Ling Yiwei、Takeuchi Shiho、Wakai Toshifumi
  • 雑誌名: Journal of Gastroenterology 巻: - 号: 6 ページ: 547-559
  • DOI: 10.1007/s00535-021-01789-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] プロテオゲノミクスにおける精密医療実現のため、変異タンパク質シーケンス作成アプローチの構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 凌 一葦、 姜瀚、奥田修二郎
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Copy number alteration is an independent prognostic biomarker in triple-negative breast cancer patients (2022)
  • 著者名/発表者名: M Nagahashi, C Toshikawa, Y Ling, T Hayashida, Y Kitagawa, M Futamura, K Yoshida, T Kuwayama, S Nakamura, H Yamauchi, T Yamauchi, K Kaneko, C Kanbayashi, N Sato, J Tsuchida, M Nakajima, Y Shimada, H Ichikawa, S Lyle, Y Miyoshi, K Takabe, S Okuda, T Wakai
  • 学会等名: San Antonio Breast Cancer Symposium 2022
  • 国際学会
• [学会発表] A Novel Approach to Construct Variant Protein Sequences for Precision Medical Proteogenomics (2022)
  • 著者名/発表者名: Yiwei Ling, Shujiro Okuda
  • 学会等名: HUPO2022
  • 国際学会
• [学会発表] 緑内障患者のQOVスコアに影響を与える視野領域の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 飯川龍、凌一葦、奥田修二郎、赤木忠道、坂上悠太、五十嵐遼子、有松真央、宮島誠、福地健郎
  • 学会等名: 第130回新潟眼科集談会
• [学会発表] 精密医療実現に向けたオミクス解析の利活用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 凌一葦
  • 学会等名: 2022年日本バイオインフォマティクス学会年会 第 回 生命医薬情報学連合大会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第32回日本消化器癌発生学会総会
• [備考] メディカルAIセンター / バイオインフォマティクス分野
  • URL: https://bioinfo.med.niigata-u.ac.jp
• [産業財産権] トリプルネガティブ乳癌の予後を診断する方法 (2022)
  • 発明者名: 永橋昌幸、奥田修二郎、凌 一葦、若井俊文、利川千絵、兒玉啓輔
  • 権利者名: 永橋昌幸、奥田修二郎、凌 一葦、若井俊文、利川千絵、兒玉啓輔
  • 産業財産権種類: 特許
  • 公開番号: 2023-111030
  • 出願年月日: 2022
  • 取得年月日: 2023