コドンバイアスとコドン3文字目のG+C含量の相関は細菌ゲノム間で大きく異なる

Suzuki, H., Saito, R. and Tomita, M. Variation in the Correlation of G+C Composition with Synonymous Codon Usage Bias among Bacteria. EURASIP J Bioinform Syst Biol.(2007/9/4 )

 　遺伝子は細胞の部品であるタンパク質の設計図であり、コドンと呼ばれる連続した3文字のDNA分子でタンパク質を構成するアミノ酸を指定している。例えば、ATG-GTT-TTCというDNA塩基配列は、AUG-GUU-UUCというRNA塩基配列に転写された後、Met-Val-Phe（メチオニン-バリン-フェニルアラニン）というアミノ酸配列に翻訳される。

走化性受容体とCheタンパク質群の相互作用による新たな出力制御を示唆

Matsuzaki, Y., Kikuchi, S. and Tomita, M. Robust Effects of Tsr-CheBp and CheA-CheYp Affinity in Bacterial Chemotaxis. Artificial intelligence in medicine, 41(2) 145-150

　生物は、生きていくために重要な身の回りの環境の変化 — 明るさや気温などの生理的条件、栄養源や有害物質などの化学的条件の変化を感知し、適切に対処する機能を備えている。環境からの刺激に応答して運動が起こる性質は『走性』と呼ばれており、光に応答する光走性（走光性）、化学物質に応答する化学走性（走化性）など様々な走性が知られている。

世界初、複雑極まる細胞抽出液の大規模リン酸化プロテオーム解析に成功

Imami, K., Sugiyama, N., Kyono, Y., Tomita, M. and Ishihama, Y. Automated Phosphoproteome Analysis for Cultured Cancer Cells by Two-Dimensional NanoLC-MS using a Calcined Titania/C18 Biphasic Column. Anal. Sci. 24(1) 161.

　タンパク質のリン酸化は、細胞の増殖・分化・アポートシスなどを伝えるシグナル伝達において重要な意味を持つ。これらのシグナル伝達系では主に、反応経路の上流にあるタンパク質から順序だててリン酸化/脱リン酸化が行われることによって下流の転写因子に情報が伝えられ、最終的に目的遺伝子の転写が活性化される。どのようなタンパク質が、いつ、どこで、どの位リン酸化されているのか、という情報は、シグナル伝達機構を理解するための直接的な手がかりとなる。

複製するメディアとして最適化されたゲノムのデザインパターンを探る

Arakawa, K. and Tomita, M. The GC skew index: a measure of genomic compositional asymmetry and the degree of replicational selection. Evolutionary Bioinformatics, 3, 145-154  

Arakawa, K. and Tomita, M. Selection effects on the positioning of genes and gene structures from the interplay of replication and transcription in bacterial genomes. Evolutionary Bioinformatics, 3, 279-86  

　遺伝子はタンパク質の設計図であり、タンパク質をコードする領域のコドンとしての並び方や、mRNAに情報が転写されるタイミングを制御するための発現制御配列など、それ自体がメディア（媒体）としてさまざまな制約を受けている。見過ごされがちであるが、数千の遺伝子を内包するゲノムもまた複製される巨大なメディアである。約30分に一度という極めて短い時間で分裂をくりかえすバクテリアにおいては、このようなメディアとしての制約を無視することができない。

ヒトとウイルスの攻防戦、ヒト感染ウイルスにはヒトmiRNAが特異的に効く

Watanabe, Y., Kishi, A., Yachie, N., Kanai, A. and Tomita, M. (2007) Computational analysis of microRNA-mediated antiviral defense in humans. FEBS Letters 581(24) 4603-10  

　生物の体内には、異物の侵入を検知して排除することによって恒常的な体内環境を守る免疫機能が備わっている。近年、ヒトに関する生物の防衛機能のひとつとして、感染したウイルスの遺伝子発現を制御することによってその増殖抑制を行うmiRNAが数例報告された(Joplinget al.; Lecellier et al.)。

大規模な『リン酸化プロテオーム解析』に成功、がん細胞などに応用も  

Sugiyama, N., Masuda, T., Shinoda, K., Nakamura, A., Tomita, M. and Ishihama, Y. (2007) Phosphopeptide Enrichment by Aliphatic Hydroxy Acid-modified Metal Oxide Chromatography for Nano-LC-MS/MS in Proteomics Applications., Mol Cell Proteomics, 6, 1103-9

　細胞内のタンパク質は、リン酸化やアセチル化、メチル化などの修飾を受けてその機能や活性を制御されている。特にリン酸化、または脱リン酸化によるタンパク質活性のON/OFF制御機構は、細胞内のシグナル伝達や代謝の調節において重要な役割を果たしている。細胞内に発現している全てのタンパク質のリン酸化レベルを網羅的に解析しようという研究が、リン酸化プロテオーム解析である。

ペプチドの精製、濃縮、分画または貯蔵に利用可能、数fmolの試料も定量的に回収

Rappsilber, J., Mann, M. and Ishihama, Y. Protocol for micro-purification, enrichment, pre-fractionation and storage of peptides for proteomics using StageTips. Nature Protocols, 2, 1896-1906


　代謝反応を触媒する酵素や、遺伝子の転写を制御する転写因子など、細胞内では多様なタンパク質が生命を維持するために働いている。ゲノム上の遺伝子領域から転写・翻訳の過程を経て合成されたタンパク質は、リン酸化やメチル化、ユビキチン化などの翻訳後修飾を受けることでもその機能が制御されており、細胞の種類によって発現しているタンパク質の種類や修飾の状態は様々である。現在、細胞機能を理解するために、その細胞で発現しているタンパク質全て、すなわちプロテオーム（protein + -ome）の解析が進められている。
 

300以上の原核生物ゲノムを比較解析することで遺伝子の進化がみえてきた
 
Kochiwa, H., Tomita, M. and Kanai, A. Evolution of ribonuclease H genes in prokaryotes to avoid inheritance of redundant genes. BMC Evolutionary Biology 7(1) 128

　サイズの大きい真核生物ゲノムには、機能的に同じ役割を果たす遺伝子が複数存在している、遺伝的冗長と呼ばれる状態が数多くあることが知られていた。一方、さまざまな生物のゲノム配列が解読されるに従い、ゲノムサイズが小さい原核生物においてもこの遺伝的冗長が維持されている事が明らかになった。

あらゆる生物に応用可能。酵素を選り分け機能を探り、代謝の全体図を解き明かす

Saito, N., Robert, M., Kitamura, S., Baran, R., Soga, T., Mori, H., Nishioka, T. and Tomita, M. (2006) Metabolomics approach for enzyme discovery. J. Proteome Res., 5(8), 1979-87
 

　既に数百種以上の生物でゲノムが解読されている現在、生物の仕組みを解明するための次なるステージとして、遺伝子とタンパク質の機能解明が進められている。しかし、機能の多様性による困難のため、ゲノム解読の速度に比べ遅れを取っているのが現状である。実際、もっとも基礎的研究が進んでいる原核生物の大腸菌を例にとっても、約半分のORF(Open Reading Frame, 翻訳領域)はその詳細な機能が不明のまま残されている。これら機能未知の遺伝子とタンパク質の役割を明確にするためには、新しい機能解析手法の開発が必要であった。

わずか20分で全代謝物質量を測定、急性肝炎の判定など医療への応用も期待

Soga, T., Baran, R., Suematsu, M., Ueno, Y., Ikeda, S., Sakurakawa, T., Kakazu, Y., Ishikawa, T., Robert, M., Nishioka, T. and Tomita, M. (2006) Differential metabolomics reveals ophthalmic acid as an oxidative stress biomarker indicating hepatic glutathione consumption, J Biol Chem, 281, 16768-76

　メタボローム（全代謝物質）の一斉測定。それは、細胞の活動状態を把握するために、近年望まれた技術である。代謝産物の多くはイオン性物質であり、物理的・化学的性質が似通ったものから全く異なるものまでが細胞内に混在する。そのため、代謝物質を区別し、かつ同時に測定することは困難であった。さらに、微生物では数百種類、植物では数万種類にものぼる代謝中間体の存在がメタボローム分析を極めて難しくしていた。

アミノ酸配列に潜んだ周期性を指標に、知られざるセントラルドグマの担い手を見つけ出す
 
Fujishima, K., Komasa, M., Kitamura, S., Suzuki, H., Tomita , M and Kanai, A. (2007) Proteome-Wide Prediction of Novel DNA/RNA-Binding Proteins Using Amino Acid Composition and Periodicity in the Hyperthermophilic Archaeon Pyrococcus furiosus. DNA Res. 14(3):91-102.

 　ポストゲノム時代を迎えた今、300種類以上にもおよぶ生物種のゲノム情報が解読されており、その数は現在も加速的に増加している。一方で、ゲノム配列が明らかとなっている生物種における約半数のタンパク質は未だに機能がわかっておらず、更にその一部、全体の約25%は他の生物種と配列の保存性がほとんどない種特異的な“orphan（みなし子）”タンパク質であることがわかっている。

メタボロームデータとモデリング手法の融合を果たし、夢の全代謝シミュレーションへ近づく

Ishii, N., Nakayama, Y. and Tomita, M. (2007) Distinguishing enzymes using metabolome data for the hybrid dynamic/static method., Theoretical Biology and Medical Modelling, 4(1), 19

医薬品、食品、環境問題に取り組む微生物産業の現場で役だつ代謝解析手法を開発 − 使える科学技術へ

Toya, Y., Ishii, N., Hirasawa, T., Naba, M., Hirai, K., Sugawara, K., Igarashi, S., Shimizu, K., Tomita, M. and Soga, T. Direct measurement of isotopomer of intracellular metabolites using capillary electrophoresis time-of-flight mass spectrometry for efficient metabolic flux analysis. J Chromatogr A., 1159(1-2):134-41

　直接観察することができない細胞内の代謝流束、すなわちどの酵素がどれくらい反応しているかを定量的に推定し、制御機構を観察する方法として、同位体標識実験に基づいた代謝流束解析が注目されている。 

メタボローム研究の強力な助っ人は、ノイズピークの山に埋もれた本物を探り当てるトレジャーハンター

Morohashi, M., Shimizu, K., Ohashi, Y., Abe, J., Mori, H., Tomita, M. and Soga, T. P-BOSS: A new filtering method for treasure hunting in metabolomics. J Chromatogr A, 1159(1-2):142-8.

　質量分析装置（Mass Spectrometer, MS）は、標的分子の質量を解析することでその分子が何か同定するために現在広く用いられている。MSを使ってサンプル試料を分析すると含まれている分子の質量を示すピークスペクトラムが結果として得られ、これはMSデータと呼ばれる。
 

塩基組成の罠を解いて見えたのは、柔軟な適応性を持つ酵素の可能性

1.Arakawa K, Uno R, Nakayama Y, Tomita M,(2007) Significance of the genomic properties of Chi sites validated from the distribution of all octamers in Escherichia coli, Gene, 392(1-2):239-246.

　バクテリアの多くは約1時間以内に一度分裂する。そのため、バクテリアの細胞内では数百万塩基対にもなるDNA分子を常に複製しつづけている。DNAの複製は二重らせんをほどき、それぞれの鎖を鋳型として相補的な塩基をつなげることによって行われる。この時の二重らせんがほどかれて4本の複製途中のDNAに分岐する様子を、その構造から「複製フォーク」と呼ぶ。複製フォークは一本鎖の状態のDNAが存在する比較的不安定な構造なので、複製を担うタンパクがDNAの損傷や他のタンパク質と衝突することで壊れてしまうことがある。常に分裂する必要があるバクテリアにとって、正確かつ迅速な複製は死活問題であるため、壊れた複製フォークはすぐに修復しなければならない。バクテリアは、このような時に染色体の同じ配列部分を利用してDNAをつなぎ換える「相同組換え」という機構で複製フォークの修復を行っている。

テレビやラジオなどのデジタル信号処理で使われるノイズ除去フィルタをゲノム解析に応用

1.Arakawa K, Saito R, Tomita M,(2007) Noise-reduction filtering for accurate detection of replication termini in bacterial genomes, FEBS Letters, 581(2):253-258. 

　バクテリアの多くは環状のゲノムを持っている。環状ゲノムの複製はみな特定の一か所から開始され、180度反対側で終結する。現在すでに500種以上のバクテリアの完全長ゲノム配列が決定されているが、複製開始点と終結点の定義は、ゲノムが環状であるがゆえにその塩基配列の記述をどこから始めるか、というまさに「原点」の定義ともいえる重要な課題である。しかし、これを実験的に確かめるためには多大な労力と資金が必要であるため、事実上ほぼ全てのバクテリアゲノムにおける複製開始点と終結点はゲノムの配列情報そのものを使ったコンピュータ解析によって予測されている。

短いRNAによる新たな遺伝子発現の制御機構を明らかに

1.Watanabe, Y., Yachie, N., Numata, K., Saito, R., Kanai, A. and Tomita, M. (2006) Computational analysis of microRNA targets in Caenorhabditis elegans, Gene, 365, 2-10


　DNAからRNAが転写され、RNAからタンパク質が翻訳される。このセントラルドグマにおいてRNAと呼ばれる分子は、情報伝達役でありタンパク質合成のための鋳型となる様々な種類のmessenger RNA (mRNA)、タンパク質合成時にコドンに対応するアミノ酸を運搬するtransfer RNA (tRNA)、そしてリボソーマル複合体の部品として働くribosomal RNA (rRNA) の三種類であった。しかしながら、細胞内におけるDNAからの転写産物を網羅的に測定することが可能となった現在、翻訳されないRNAはtRNA、rRNA以外にも大量に存在していることが明らかになっている。

代謝物質、タンパク質、RNAを網羅的かつ定量的に計測、生命の強さの秘密が明らかに

1. Ishii N, Nakahigashi K, Baba T, Robert M, Soga T, Kanai A, Hirasawa T, Naba M, Hirai K, Hoque A, Ho PY, Kakazu Y, Sugawara K, Igarashi S, Harada S, Masuda T, Sugiyama N, Togashi T, Hasegawa M, Takai Y, Yugi K, Arakawa K, Iwata N, Toya Y, Nakayama Y, Nishioka T, Shimizu K, Mori H, Tomita M. (2007) Multiple high-throughput analyses monitor the response of E. coli to perturbations. Science. 316(5824),593-7.

『最先端のバイオ技術を駆使して、小さな一つの細胞の中で起きている代謝反応の全てを明らかにしよう。これは生物学史上最大規模の細胞分析実験だ。』

この冨田所長のよびかけによって立ち上がったのが、メタボローム、プロテオーム、トランスクリプトームのプロフェッショナルたちによる、大腸菌を使って細胞内の代謝物質を網羅的に測定し理解しようという研究チームであった。大腸菌が細胞内のふるまい（代謝）を安定に維持するために様々な戦略を持っているという「細胞の頑強性」を定量的に実証したものである。

生命の泉源である心臓の発生過程をコンピュータ上で再現

1. Itoh, H., Naito, Y. and Tomita, M. (2007) Simulation of developmental changes in action potentials with ventricular cell models, Systems and Synthetic Biology, 1, 11-23


　単一細胞の受精卵からはじまる「生命」は、有糸分裂（卵割）を数日間くり返し、体を形作るための形態形成運動とよばれる過程を経た後、心臓をはじめとする様々な器官の形成をはじめる。心臓の基礎となる原基は形態形成運動の直後に形成され、たったひとつの細胞であった時から10日たらずで最初の拍動を開始する。そしてその拍動の停止は生命個体の死を意味する。

コンピューター上で生命現象の解明に成功、情報学と生化学の融合へ大きな一歩を。

1. Kinoshita, A., Tsukada, K., Soga, T., Hishiki, T., Ueno, Y., Nakayama, Y., Tomita, M. and Suematsu, M. (2007) Roles of hemoglobin Allostery in hypoxia-induced metabolic alterations in erythrocytes: simulation and its verification by metabolome analysis, J Biol Chem, 282, 10731-41


　酸素や二酸化炭素などのガスを運搬する役割を果たす赤血球は、血液量の約50%を占める重要な細胞である。赤血球内にはヘモグロビンというタンパク質が多量に存在しており、ヘモグロビンにガスが結合し絶妙なタイミングで解離することで周辺の臓器や組織に必要な酸素を送り込んでいる。しかし、周辺組織の酸素状態を感知した赤血球がどのような仕組みで運搬する酸素量を調節しているのか、また赤血球細胞が自身の危険をどのように回避しているのかについてはあまり理解されていなかった。