オルガネラメタボローム計測技術の開発

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K18924
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 和泉 自泰 九州大学, 生体防御医学研究所, 准教授 (70622166)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• キーワード: オルガネラメタボロミクス / メタボローム解析 / 細胞内小器官 / ノンターゲットメタボロミクス / 代謝物局在

研究実績の概要

本研究では、細胞内の代謝物局在情報を時期特異的に取得可能な「オルガネラメタボローム計測技術」を開発する。本年度は、昨年に引き続き「I. オルガネラメタボローム計測技術の開発」を中心に開発を行った。「① 1細胞ピッキング技術の開発」では、制御ソフトウェアおよびアクチュエータ (5軸) の高性能化・高速化に取り組み、顕微鏡下で狙った細胞を連続的に回収できるように改変した。「② 細胞小器官の単離・精製技術の開発」では、電気的・化学的・物理的な手法をいくつか検討し、細胞の破砕方法を詳細に検討した。続いて、核とミトコンドリアを迅速に単離・濃縮可能なマイクロ流路チップの作製にも引き続き取り組んだ。流路のデザイン（流路幅、長さなど）を変更したマイクロ流路チップを2度試作することで、顕微鏡下で核およびミトコンドリアがある程度の精度で単離できていることを確認した。「③ 新規の高感度・超網羅的メタボロ―ム測定技術の開発」では、世界最高の親水性代謝物の網羅性を有するメタボローム分析法「親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィータンデム質量分析法 (uified-HILIC/AEX/MS)」の潜在特性を拡張し、親水性から疎水性の超網羅的な代謝物分析系へと発展させた。具体的には、包括的脂質分析を達成するために、脂質の部分的な極性構造を利用し、従来のunified-HILIC/AEXの初期移動相の有機溶媒比率を高めることで，分析前半のHILICモードにおける分離・溶出が可能となった。これにより、unified-HILIC/AEX/MSは、ワンショットで低極性から高極性までの幅広い脂質・代謝物の分析を達成した。低極性から高極性までの代謝物を一斉に抽出可能な溶媒を選定し、さらに、同一試料からのメタボロームおよびプロテオーム測定が可能なプロトコルを構築した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究課題①「1細胞ピッキング技術の開発」においては、従来の我々の1細胞ピッキング技術の高性能化（速度および精度）を達成することで、顕微鏡下で注目すべき細胞種を迅速に回収できる装置へと発展させた。課題②「細胞小器官の単離・精製技術の開発」においては、昨年度を含めて合計4回のマイクロ流路チップの試作を行うことで、核およびミトコンドリアがマイクロチップ流路内である程度分離・単離されていることを確認した。課題③の「新規の高感度・超網羅的メタボロ―ム測定技術の開発」では、昨年度開発した親水性代謝物の網羅的観測手法であるunified-HILIC/AEX/MSを発展させ、脂質から親水性代謝物，すなわち真の意味でのメタボロームを1度で計測できる画期的な分離・分析法を確立した。さらに、包括的な脂質・極性代謝物分析に資する試料調製法についても最適化が完了し、「オルガネラメタボローム計測技術」の基盤技術が整った。
以上の結果から、現時点では、「おおむね順調に進展している」といえる。

今後の研究の推進方策

「I. オルガネラメタボローム計測技術の開発」については、今年度作製したマイクロ流路チップを用いて核・ミトコンドリア画分を迅速に回収し、今年度開発に成功したunified-HILIC/AEX/MS分析法および抽出法を用いてメタボロームおよびプロテオーム計測を実施し、当該技術の再現性を確認する。
「II. 活性調節因子として働く新規代謝物の同定」については、ヘテロながん生細胞集団から細胞周期をリアルタイムに観測できるFucci 3.2 (fluorescent ubiqutination-based cell cycle indicator) を発現させたHeLa細胞を用いて、細胞周期 (G1・Early S・Mid S・Late S・G2/M期) の異なる細胞集団 (100～1000細胞) の迅速かつ高精度の細胞サンプリングを行う。細胞単離・破砕後，課題②で開発したマイクロ流路チップを用いて直ちにオルガネラを分画し、前処理を行う。最終的に試料を全量Nano-HILIC/AEX/MSシステムへ導入することで、100～1000細胞の微量試料からの高感度かつ超網羅的なオルガネラメタボローム分析を達成する。

研究成果

• [雑誌論文] Wide-scope targeted analysis of bioactive lipids in human plasma by LC/MS/MS. (2024)
  • 著者名/発表者名: Nakatani K, Izumi Y*, Umakoshi H, Yokomoto-Umakoshi M, Nakaji T, Kaneko H, Nakao H, Ogawa Y, Ikeda K, Bamba T*.
  • 雑誌名: Journal of Lipid Research 巻: 65(1) ページ: 100492
  • DOI: 10.1016/j.jlr.2023.100492
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Torigoe T, Takahashi M*, Heravizadeh O, Ikeda K, Nakatani K, Bamba T, Izumi Y*.
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 96(3) ページ: 1275-1283
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c04618
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sulfated bile acid is a host-derived ligand for MAIT cells. (2024)
  • 著者名/発表者名: Ito E, Inuki S, Izumi Y, Takahashi M, Dambayashi Y, Ciacchi L, Awad W, Takeyama A, Shibata K, Mori S, Mak JYW, Fairlie DP, Bamba T, Ishikawa E, Nagae M, Rossjohn J, Yamasaki S*.
  • 雑誌名: Science Immunology 巻: 9(91) ページ: 100492
  • DOI: 10.1126/sciimmunol.ade6924
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Trans-omic analysis reveals opposite metabolic dysregulation between feeding and fasting in liver associated with obesity. (2024)
  • 著者名/発表者名: Bai Y, Morita K, Kokaji T, Hatano A, Ohno S, Egami R, Pan Y, Li D, Yugi K, Uematsu S, Inoue H, Inaba Y, Suzuki Y, Matsumoto M, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Hirayama A, Soga T, Kuroda S*.
  • 雑誌名: iScience 巻: 27(3) ページ: 109121
  • DOI: 10.1016/j.isci.2024.109121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Ikeda K, Takahashi M, Bamba T, Izumi Y*.
  • 雑誌名: Mass Spectrometry 巻: 13(1) ページ: A0143
  • DOI: 10.5702/massspectrometry.A0143
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Tomiyasu N, Takahashi M, Toyonaga K, Yamasaki S, Bamba T, Izumi Y*.
  • 雑誌名: Analytical and Bioanalytical Chemistry 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1007/s00216-023-05111-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nicotinamide-N-methyltransferase regulates lipid metabolism via SAM and 1-methylnicotinamide in the AML12 hepatocyte cell line. (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoda M, Mizuno R, Izumi Y, Takahashi M, Bamba T, Kawaoka S*.
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 174(1) ページ: 89-98
  • DOI: 10.1093/jb/mvad028
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oleic acid-containing phosphatidylinositol is a blood biomarker candidate for SPG28. (2023)
  • 著者名/発表者名: Morikawa T, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Moriyama K, Hattori G, Fujioka R, Miura S, Shibata H*.
  • 雑誌名: Biomedicines 巻: 11(4) ページ: 1092
  • DOI: 10.3390/biomedicines11041092
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] FOXK1 promotes nonalcoholic fatty liver disease by mediating mTORC1-dependent inhibition of hepatic fatty acid oxidation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujinuma S, Nakatsumi H, Shimizu H, Sugiyama S, Harada A, Goya T, Tanaka M, Kohjima M, Takahashi M, Izumi Y, Yagi M, Kang D, Kaneko M, Shigeta M, Bamba T, Ohkawa Y, Nakayama KI*.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42(5) ページ: 112530
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112530
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chronic hyperglycemia reduces the expression of intercellular adhesion molecules and increases intercellular hyperpermeability in the periodontal epithelium. (2023)
  • 著者名/発表者名: Narukawa Y, Sugiyama N, Miura J, Yamashita R, Tominaga S, Izumi Y, Bamba T, Ishihama Y, Kashiwagi Y*, Murakami S*.
  • 雑誌名: Journal of Periodontal Research 巻: 58(4) ページ: 813-826
  • DOI: 10.1111/jre.13140
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modulation of host glutamine anabolism enhances the sensitivity of small cell lung cancer to chemotherapy. (2023)
  • 著者名/発表者名: 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*.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42(8) ページ: 112899
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112899
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Adrenal steroid metabolites and bone status in patients with adrenal incidentalomas and hypercortisolism. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakao H, Yokomoto-Umakoshi M*, Nakatani K, Umakoshi H, Ogata M, Fukumoto T, Kaneko H, Iwahashi N, Fujita M, Ogasawara T, Matsuda Y, Sakamoto R, Izumi Y, Bamba T, Ogawa Y*.
  • 雑誌名: eBioMedicine 巻: 95 ページ: 104733
  • DOI: 10.1016/j.ebiom.2023.104733
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Archaeal glycerolipids are recognized by C-type lectin receptor Mincle. (2023)
  • 著者名/発表者名: Oka S, Watanabe M, Ito E, Takeyama A, Matsuoka T, Takahashi M, Izumi Y, Arichi N, Ohno H*, Yamasaki S*, Inuki S*.
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145(33) ページ: 18538-18548
  • DOI: 10.1021/jacs.3c05473
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sulfur metabolic response in macrophage limits excessive inflammatory response by creating a negative feedback loop. (2023)
  • 著者名/発表者名: Takeda H, Murakami S, Liu Z, Sawa T, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Sato H, Akaike T, Sekine H, Motohashi H*.
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 65 ページ: 102834
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.102834
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved endurance capacity of diabetic mice during SGLT2 inhibition: Potential role of AICARP, an endogenous AMPK activator in the soleus muscle. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura S, Miyachi Y*, Shinjo A, Yokomizo H, Takahashi M, Nakatani K, Izumi Y, Otsuka H, Sato N, Sakamoto R, Miyazawa T, Bamba T, Ogawa Y*.
  • 雑誌名: Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle 巻: 14 ページ: 2866-2881
  • DOI: 10.1002/jcsm.13350
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Trace impurities in sodium phosphate influences the physiological activity of Escherichia coli in M9 minimal medium. (2023)
  • 著者名/発表者名: Soma Y, Tominaga S, Tokito K, Imado Y, Naka K, Hanai T, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T*.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13(1) ページ: 17396
  • DOI: 10.1038/s41598-023-44526-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lipidome and metabolome analyses reveal metabolic alterations associated with MCF-7 cell apoptosis upon 4-hydroxytamoxifen treatment. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimoto K, Okahashi N, Maruyama M, Izumi Y, Nakatani K, Ito Y, Iida J, Bamba T, Matsuda F*.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13(1) ページ: 18549
  • DOI: 10.1038/s41598-023-45764-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved 2,3-butanediol production rate of metabolically engineered Saccharomyces cerevisiae by deletion of RIM15 and activation of pyruvate consumption pathway. (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugimura M, Seike T, Okahashi N, Izumi Y, Bamba T, Ishii J, Matsuda F*.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 24(22) ページ: 16378
  • DOI: 10.3390/ijms242216378
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Unified-HILIC/AEXの保持時間予測と構造アノテーションの評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第71回 質量分析総合討論会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 〇中谷 航太，池田 和輝，高橋 政友，馬場 健史，和泉 自泰
  • 学会等名: 第71回 質量分析総合討論会
• [学会発表] Development of a 96-well plate sample preparation method for multi-omics analysis using metabolomics and proteomics (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇Kazuki Ikeda, Masatomo Takahashi, Hata Kosuke, Kohta Nakatani, Shunsuke Aburaya, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
  • 学会等名: 71th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics (ASMS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous analysis of polar metabolome and lipidome by unified-hydrophilic interaction/anion-exchange liquid chromatography tandem mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/MS/MS) (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇Kohta Nakatani, Kazuki Ikeda, Masatomo Takahashi, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
  • 学会等名: 71th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics (ASMS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] A method for comprehensive investigation of lipid ligands using LC-FRC/HRMS/MS (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇Noriyuki Tomiyasu, Yoshihiro Izumi, Masatomo Takahashi, Naoya Nishimura, Kenji Toyonaga, Sho Yamasaki, Takeshi Bamba
  • 学会等名: 71th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics (ASMS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] ヒト初代肝細胞を用いたマルチオミクス解析によるin vitro肝毒性評価法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇池田 和輝，高橋 政友，秦 康祐，中谷 航太，油屋 駿介, 富安 範行，松本 雅紀，馬場 健史，和泉 自泰
  • 学会等名: 第50回 日本毒性学会学術年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 〇中谷 航太，池田 和輝，高橋 政友，馬場 健史，和泉 自泰
  • 学会等名: 第49回 BMSコンファレンス (BMS2023)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第49回 BMSコンファレンス (BMS2023)
• [学会発表] 細胞周期可視化プローブFucci3.2を用いた1細胞プロテオーム/メタボローム解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇和泉 自泰，秦 康祐，沢野 朝子，高橋 政友，中谷 航太，池田 和輝，平藤 衛，松本 雅記，宮脇 敦史，馬場 健史
  • 学会等名: 日本プロテオーム学会 2023年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 〇中谷 航太，池田 和輝，高橋 政友，馬場 健史，和泉 自泰
  • 学会等名: 日本プロテオーム学会 2023年大会
• [学会発表] 1細胞定量プロテオーム解析に向けた半自動前処理システムの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇秦 康祐，平藤 衛，馬場 健史，松本 雅記，和泉 自泰
  • 学会等名: 日本プロテオーム学会 2023年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 1細胞定量プロテオーム／メタボローム解析に向けた前処理方法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇秦 康祐，高橋 政友，平藤 衛，馬場 健史，松本 雅記，和泉 自泰
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 免疫センサーが認識する代謝物リガンドの包括的同定プラットフォームの構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇中田 佳佑，富安 範行，髙橋 政友，西村 直也，豊永 憲治，鳥越 大平，秦 康祐，馬場 健史，山﨑 晶，和泉 自泰
  • 学会等名: 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
• [学会発表] SILIS を基盤とした血漿メタボロームデータ統合システムの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇今戸 優理，高橋 政友，相馬 悠希，中谷 航太，和泉 自泰，馬場 健史
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Development of single-cell multi-omics analytical system using nano-LC/MS (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇Yoshihiro Izumi
  • 学会等名: 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
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a semi-automated preprocessing system for single-cell proteome/metabolome analysis and its application to drug hepatotoxicity assessment (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇Kosuke Hata, Masatomo Takahashi, Keisuke Nakata, Kazuki Ikeda, Maiko Goto, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
  • 学会等名: 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
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a 96-well plate sample preparation method for the assessment of drug-induced liver injury by multi-omics analysis based on mass spectrometry (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇Masatomo Takahashi, Kazuki Ikeda, Kosuke Hata, Kohta Nakatani, Noriyuki Tomiyasu, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
  • 学会等名: 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
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 〇和泉 自泰
  • 学会等名: 第96回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] LC/MSによるメタボロミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇和泉 自泰
  • 学会等名: 第51回 質量分析講習会
  • 招待講演
• [図書] 実験医学増刊号 あなたのラボから薬を生み出す アカデミア創薬の実践 ～All JAPAN体制の先端技術支援を利用した創薬の最前線～，第1章 最新の疾患標的分子の探索・評価技術，4. シングルセル/微小組織マルチオミクス解析． (2024)
  • 著者名/発表者名: 由良敬*，松永浩子，細川正人，和泉自泰，村松知成，福永津嵩，浜田道昭，馬場健史，竹山春子．
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-0416-6
• [図書] 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)
  • 著者名/発表者名: 和泉自泰*
  • 総ページ数: 11
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-2264-1
• [図書] 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)
  • 著者名/発表者名: 和泉自泰*
  • 総ページ数: 5
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-2264-1