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2012 年度 実施状況報告書

遺伝子機能の環境依存性に着目した代謝ネットワークのロバスト性機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23700353
研究機関立命館大学

研究代表者

遠里 由佳子  立命館大学, 生命科学部, 助教 (80346171)

キーワード国際情報交流
研究概要

本研究は、遺伝子機能の環境依存性に着目した代謝のロバスト性機構の解明を目的として、大腸菌の野生株と欠失株を対象にPhenotype MicroArray で測定されたデータに対し、無限関係モデル(IRM)とよばれるバイクラスタリングのアルゴリズムを適用した [1]。さらには、グルコース培地という環境条件に限定することで,解糖系を中心としたエネルギー代謝の数理モデルの計算機上に構築し、シミュレーションにより遺伝子の変異や欠失の影響を分析した [2]。加えて,代謝ネットワークを構成する酵素反応の比較法を提案した[3]。一方で,pgl-1欠失株に着目し、欠失株と野生株に対して、生育温度環境の違いに着目した2D-DIGEとLC-MS/MS、RT-PCRによる実験を行うことで、欠失株において、タンパク質やmRNAの発現量が大きく変動する遺伝子群を特定した[4]。そして、得られた技術を応用する形で、さまざまな共同研究を進めた[5,6]。
研究実績:[1] 杉澤仁, 伊藤將弘, 遠里由佳子, 立命館大学紀要, 2013, [2] Y. Tohsato, et al., Genes, 2013, [3] Y. Matsuta, Y. Tohsato, et al., Bioinformatics, 2013, [4] Yukako Tohsato, et al. J. Proteomics, 2012, [5] M. Ito, Y. Tohsato. et al., Genes to Cells, 2012, [6] H. Kojima, Y. Tohsato, Glycoconjugate Journal 2012.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成24年度の課題である「細胞の内部変動を考慮したモジュール構造の解析」を試みた結果,比較できるデータの不足などの原因で芳しい進展は見られなかった。しかしながら、平成25年の課題である「代謝ロバスト性の統合的モデル化と機能予測」を前倒しすることで、著しい進展がみられた。具体的には、「代謝における内部変動のモデル化」という課題に対し、Chassagnole らによる解糖系の数理モデルを計算機上で再現し、それに実数型遺伝的アルゴリズムを適用することでパラメータ感度解析を行った。その結果、モデルが再現できる大腸菌の増殖期間が40秒と短いながらも、状態の変化に弱い反応経路やそれを補うことのできる経路を明らかにした。そこで、構築したモデルを、Kadir らのモデルを参考にすることでTCA回路を含めた数理モデルに拡張し、グルコース培地におけるエネルギー代謝の挙動を計算機上で24時間のスケールで再現した。その結果、大腸菌の対数増殖期の細胞増殖は、主に解糖系によるところが大きいことを明らかにした。一方、「大腸菌機能未知遺伝子の機能推定」に対し、大腸菌の9種類の機能未知遺伝子を欠失した一遺伝子欠失株が、環境依存性が高く、ごく限られたアミノ酸培地条件で野生株と比べてNADH生産と細胞増殖が著しく低下することを明らかにした。これは、昨年度に提案したPhenotype MicroArrayのデータ前処理法にIRMを導入することにより実現しており、当初、適用する予定であった主成分分析や、従来のバイクラスタリング法と比べても、IRMが優れた解析を持つことが明らかとなった。これについては論文誌にまだ未公表であるため、現在、原稿を作成中である。

今後の研究の推進方策

2013年度はこれまで構築した数理モデルを、解糖系を中心とした数理モデルでありながら対数増殖期の終盤までの観測が可能なモデルに修正する。このとき、酢酸代謝経路の必要性を検討する。そして、パラメータ感度解析をあらためてモデルに適用することで、グルコース培地における代謝ネットワークのモジュール性を解析する。これにより、2012年度にPhenotype MicroArray データにおけるモジュール性が得られなかった原因を明らかにしたい。同時に、Flux Balance Analysis での解析結果や、論文から得られるタンパク質や代謝物質の実験データと比較することで、モデルの妥当性を検討する。そして、モデルにおける培地条件の変更、たとえば、ガラクトース培地やラクトース培地を試み、遺伝子の環境依存性をモデル上で比較する。一方、本課題の最終目的である「大腸菌の機能未知遺伝子の機能予測」に対して、候補となる機能未知遺伝子群が得られたため、これについて、実験系の研究者との共同研究を進め、実験よる検証を試みる。しかし、培地条件に対するクラスタリングの意味づけが不十分であることから、培地条件(環境)のオントロジーを構築することで問題解決を試みる。

次年度の研究費の使用計画

次年度繰越は、物品の納品が予定よりも遅れたため発生した。研究費の主な使用目的は以下(1)~(3)となっている。
(1)論文の英文校正および投稿費(約40万):IRMとモデル構築を分け、2本の論文として公表したい。
(2)Matlabソフトウェア(約30万):モデルの数理解析のソフトウェアの多くが、Matlab 対応であり、解析法の比較を目的として導入する。
(3)学会発表(約10万)

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (7件)

  • [雑誌論文] Parameter optimization and sensitivity analysis for large kinetic models using a real-coded genetic algorithm2013

    • 著者名/発表者名
      Yukako Tohsato, Kunihiko Ikuta, Akitaka Shionoya, Yusaku Mazaki, Masahiro Ito
    • 雑誌名

      Genes (Suppl. for Genome Informatics 2012)

      巻: Vol.518, No.1 ページ: 84-90

    • DOI

      10.1016/j.gene.2012.11.080

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ECOH: An Enzyme Commission number predictor using mutual information and a support vector machine2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiko Matsuta, Masahiro Ito, Yukako Tohsato
    • 雑誌名

      Bioinformatics

      巻: 29 ページ: 365-372

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/bts700

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Giochemical studies on sphingolipids of Artemia franciscana: complex neutral glycosphingolipids2013

    • 著者名/発表者名
      Hisao Kojima, Yukako Tohsato, Kazuya Kobayama, Saki Itonori, Masahiro Ito
    • 雑誌名

      10.1007/s10719-012-9436-8

      巻: 30 ページ: 257-268

    • DOI

      10.1007/s10719-012-9436-8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 無限関係モデルを用いた大腸菌の表現型マイクロアレイ解析2013

    • 著者名/発表者名
      杉澤仁,福田一,森浩禎,谷口忠大,伊藤將弘,遠里由佳子
    • 雑誌名

      立命館大学理工学研究所紀要

      巻: 71 ページ: 49-58

  • [雑誌論文] Intrinsically disordered proteins in Human mitochondria2012

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Ito, Yukako Tohsato, Hitoshi Sugisawa, Shohei Kohara, Satoshi Fukuchi, Ikuko Nishikawa, Ken Nishikawa
    • 雑誌名

      Genes to Cells

      巻: 17 ページ: 817-825

    • DOI

      10.1111/gtc.12000

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Comparative proteomic analysis reveals differentially expressed proteins in Caenorhabditis elegans pgl-1 mutants grown at 20°C and 25°C2012

    • 著者名/発表者名
      Yukako Tohsato, Kanami Monobe, Kenji Suzuki, Toshiya Hayano, Ichiro Kawasaki, Masahiro Ito
    • 雑誌名

      Journal of Proteomics

      巻: 75 ページ: 4792-4801

    • DOI

      10.1016/j.jprot.2012.04.038

    • 査読あり
  • [学会発表] 大腸菌における表現型マイクロアレイデータ解析と数理モデルの構築

    • 著者名/発表者名
      遠里由佳子
    • 学会等名
      第4回次世代創薬プロジェクトワークショップ
    • 発表場所
      立命館大学, 滋賀
  • [学会発表] Phenotype microarray analysis of Escherichia coli using infinite relational model

    • 著者名/発表者名
      Hitoshi Sugisawa, Hajime Fukuda, Hirotada Mori, Masahiro Ito, Tadahiro Taniguchi, Yukako Tohsato
    • 学会等名
      The 23nd International Conference on Genome Informatic
    • 発表場所
      Tainan, Taiwan
  • [学会発表] Modeling of central metabolism with regulation of rpoS gene in Escherichia coli

    • 著者名/発表者名
      Akitaka Shionoya, Kunihiko Ikuta, Hitomi Dose, Hirotada Mori, Masahiro Ito, Yukako Tohsato
    • 学会等名
      The 23nd International Conference on Genome Informatic
    • 発表場所
      Tainan, Taiwan
  • [学会発表] Parameter optimization and correlation analysis for a large kinetic model using a real-coded genetic algorithm

    • 著者名/発表者名
      Kunihiko Ikuta, Akitaka Shionoya, Masahiro Ito, Yukako Tohsato
    • 学会等名
      The 23nd International Conference on Genome Informatic
    • 発表場所
      Tainan, Taiwan
  • [学会発表] Analysis of the phylogenetic profile of human glycosyltransferases

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Tomono, Yukako Tohsato, Masahiro Ito
    • 学会等名
      The 23nd International Conference on Genome Informatic
    • 発表場所
      Tainan, Taiwan
  • [学会発表] Comparative proteomic analysis for Caenorhabditis elegans pgl-1 mutants grown at 20°C and 25°C using 2D-DIGE

    • 著者名/発表者名
      Yukako Tohsato, Kanami Monobe, Kenji Suzuki, Toshiya Hayano, Ichiro Kawasaki, Masahiro Ito
    • 学会等名
      5th East Asia C. elegans Meeting
    • 発表場所
      Taipei, Taiwan
  • [学会発表] Quantitative analysis of mRNA expression profiles of ceramide-related genes using qRT-PCR

    • 著者名/発表者名
      Haruka Yamaji, Kousuke Hori, Emiko Watase, Yukako Tohsato, Kenji Suzuki, Masahiro Ito
    • 学会等名
      5th East Asia C. elegans Meeting
    • 発表場所
      Taipei, Taiwan

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公開日: 2014-07-24  

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