迅速で簡便なタンパク質の一斉定量法を実現

　タンパク質は生体内で活躍する主力の分子であり、個体の成長や疾患等と大きく関わっている。このためタンパク質に焦点を当てた解析をする意義は大きく、多くの研究者がタンパク質に関する研究を盛り上げている。このようなタンパク質解析は、従来特定のタンパク質に着目してその機能を調べるものが主流であったが、近年では個別のタンパク質に着目することなく細胞全体のタンパク質を網羅的に同定•定量する手法が求められている。例えば、がん患者と健常者の組織からタンパク質を網羅的に調べ、差分をとることで がん患者、あるいは健常者に特異的なタンパク質を検出することができる。さらに、両者で差があった物質を測定することで、どのくらい異なるかということを定量的に数値化することが可能となる。がん患者と健常者など、比較したいサンプル間におけるタンパク質の種類や量の違いを知ることは、疾患のメカニズムを解明する上でも、また治療法を開発する上でも非常に役立つことが期待される。

既存の解析環境にWebサービスを安定的に連携させる新規ツール「KBWS」の開発

　 バイオインフォマティクスの分野では、数千のデータベースや約1500もの解析ツールがインターネット上で公開されており、研究者はそれらを自由に利用することが可能である。このようなWebサービスを活用することで、研究者は煩雑なツールのインストールやメンテナンスを意識することなく、計算資源が豊富なサーバを用いて効率よく解析を行うことができる。

DNAの複製終結とdif配列の関係性を解き明かす手がかりに

Kono, N., Arakawa, K. and Tomita, M. (2011) Comprehensive prediction of chromosome dimer resolution sites in bacterial genomes. BMC Genomics, 12(1), 19.

　生物はみな、細胞内に染色体という遺伝情報を担う物質を持っているが、ヒトやマウスなどの真核生物の染色体の形状は線状であるのに対し、多くのバクテリアのそれは輪っか状（環状）である。このような環状ゲノムには複製開始・終結点が正反対に位置し、この他にもさまざまな極性が存在する。例えば遺伝子の向きの偏り、DNA塩基組成の偏りなどである。このような環状ゲノムの極性はバクテリア特有の複製機構によって形づくられていて、一点の複製開始点から左右に複製が進む時に、それぞれが二本あるDNAの異なる鎖を鋳型としていることに由来している。

ゲノム構築法への応用と水平伝播での役割解明にむけて

Itaya. M, and Kaneko. S. (2010) Integration of stable extra-cellular DNA released from Escherichia coli into the Bacillus subtilis genome vector by culture mix method. Nucleic Acids Res, 38(8), 2551-2557.

　 遺伝子工学、ゲノム工学では、大腸菌で組換え DNA を調製することから始まる。大腸菌では遺伝子操作系が完備しており、短い DNA なら問題なく調製できるが、巨大な DNA の扱いは不得手である。従って、ゲノム全体 (>500 kbp) のような巨大 DNA のクローニング操作では、現状では枯草菌、酵母のような特殊な宿主を利用しなければならない。枯草菌、酵母での巨大 DNA (=ゲノム DNA) のクローニング操作は、実際には図に示したように分割設計した小型 DNA (ドミノ DNA ) をつなぎ合わせて再構築する。しかもこの分割 DNA は大腸菌で用意できる範囲で試されており、比較的大きな DNA (約 100 kbp 程度) でも BAC (Bacterial artificial chromosome) と呼ばれるプラスミドベクターで準備できる。ドミノ DNA は、大腸菌を破壊して生化学的な精製ステップを経て、最終的に試験管 (マイクロチューブ) に純度の高い DNA 溶液として取り出すのが一般的である。

構造が類似しながらも基質が異なるタンパク質の比較解析

Kitamura. S, Fujishima. K, Sato. A, Tsuchiya. D, Tomita. M, and Kanai. A. (2010) Characterization of RNase HII substrate recognition using RNase HII-Argonaute chimeric enzymes from Pyrococcus furiosus. Biochem. J, 426(3), 337-344.

　 タンパク質はアミノ酸が重合したものであるので、一般的に類似したアミノ酸配列を持つタンパク質どうしは構造もまた似ている。一方、アミノ酸配列を比較した時にはほ とんど相同性が見られないのに、その立体構造が酷似していることもある。例えば、 RNase H と Argonaute (Ago)タンパク質(そのなかの PIWI ドメイン)の間にはアミノ 酸配列からは想像できなかった構造の類似性がある。ここで、RNase H は、DNA 複製時における不連続の短い DNA 断片(岡崎フラグメント)に見られるような、DNA 鎖と RNA 鎖がハイブリッドを形成した領域の RNA 鎖を分解する酵素である。また、Ago は 遺伝子発現を制御する RNA 干渉に関わる主要な因子の一つであり、2 本鎖 RNA 分子を認識して、その RNA を分解するタンパク質である。このように、構造が類似しながらも基質が若干異なるタンパク質の比較解析は、タンパク質の機能ドメインの役割を明らかにする上で有用であると考えられる。そこで、北村さや香氏らは、超好熱性の古細菌 (アーキア)である Pyrococcus furiosus にはこの両方のタンパク質(Pf-RNase HII と Pf-Ago)が存在することに着目し、これらのタンパクそれぞれの部分から構成され るキメラ分子を解析すれば、RNA と DNA とを区別するような領域が分かるのではない かと考えた。

細胞種・培養条件による制限を受けない普遍的な定量法

 Imami, K., Sugiyama, N., Tomita, M. and Ishihama, Y. (2010) Quantitative Proteome and Phosphoproteome Analysis of Cultured Cells Based on SILAC Labeling without Requirement of Serum Dialysis, Mol Biosyst., 6(3), 594-602.

　 質量分析計を用いたタンパク質の大規模解析（プロテオーム解析）において、SILAC (Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture) 法はいまや最も実用的かつ正確なタンパク質定量法として確立されつつある。SILAC法とは、細胞中のタンパク質を質量の異なるアミノ酸で標識することにより、数千個ものタンパク質の大規模な定量を可能にする手法である。例えば細胞に刺激（増殖因子、薬剤、紫外線など）を与えた時と与えていない時の細胞内のタンパク質発現量を比較したい時にSILAC法が利用されている。SILAC 法は2002年の最初の報告以来すでに 1,000 回以上も引用されていることや、一流学術誌であるScience誌やNature Methods誌において近年注目すべき技術としてハイライトされていることからも、その汎用性と重要性がうかがえる。

コンピュータシミュレーションと細胞実験で概日時計の仕組みに迫る

 Y. Ogawa, N.Koike, G. Kurosawa, T. Soga, M. Tomita, and H Tei. (2011) Positive Autoregulation Delays the Expression Phase of Mammalian Clock Gene Per2. PLoS ONE, 6(4): e18663.

　 多くの生物の体内には、睡眠や覚醒に代表される約24時間周期の体内リズムを維持するための「概日時計」と呼ばれる仕組みが備わっている。概日時計は時計遺伝子と呼ばれる遺伝子群により構成され、これらの相互発現制御によって安定なリズムを自律的に刻み続けている。また、環境の光や温度の条件を感知し、リズムを外部環境に同調させる機能も兼ね備えている。

漢方の複合的薬効の科学的理解へ

K. Iino, M. Sugimoto, T. Soga, and M. Tomita. (2011) Profiling of the Charged Metabolites of Traditional Herbal Medicines Using Capillary Electrophoresis Time-of-Flight Mass Spectrometry. Metabolomics.

　漢方薬はアジア圏を中心に数千年以上使用されてきた。経験医学に基づく伝統的処方薬であり、近年では西欧圏においてもその使用が広がり効果が注目されている。処方される漢方薬は複数の生薬を組み合わせて作られており、日本で利用されている生薬だけでも100種類以上が登録されている。生薬には、薬草、鉱物、動物などが含まれるが、これらの組み合わせによって薬効を持つ漢方薬のメカニズムに関しては、含有成分の分析が難しいことなどから、まだ不明な点が多い。

細胞内シグナル伝達ネットワークの全貌解明へ向けて

Y. Kyono, N. Sugiyama, M. Tomita, Y. Ishihama. (2010) Chemical dephosphorylation for identification of multiply phosphorylated peptides and phosphorylation site determination. Rapid Commun. Mass Spectrom., 24 , 2277-2282

　 生物はさまざまな刺激に反応を示すことで、環境への適応をおこなっている。例えば外界が暑くなると、人は汗をかくことで体温を調節している。具体的には、この応答はまず皮膚の温度を感知するセンサーの情報が脳の視床下部に伝達され、発汗の命令を受けた後にその情報が皮膚に伝達されることで実現されている。このような情報の伝達は個体レベルだけでなく細胞レベルでも行われている。細胞外からの刺激はそれを受け取る受容体タンパク質に伝えられ、そのタンパク質が酵素活性を帯びることで、さらにその下流のタンパク質が連鎖的に活性化し、細胞外からの信号を細胞核に伝えて、特定遺伝子の転写調節を促すことで細胞応答を引き起こす。このようにタンパク質が他のタンパク質を活性化あるいは不活性化することで、下流のタンパク質へと次々に情報が伝達される。その過程は、リレー走者が次々とバトンを渡していくかのようであり、この時の「バトン」の受け渡しに相当する細胞内情報伝達方法の一つにタンパク質の代表的な翻訳後修飾であるリン酸化が挙げられる。

Research highlight

Researcher Interview

　第７回　伊 藤 卓 朗 研究員（代謝学・植物学）
　　　　　オイルを産出する微生物の代謝メカニズム解明へ。
　第８回　斉 藤 菜 摘 講師（生化学・メタボロミクス）
　　　　　この手で未来を切り拓く。メタボロームのプールで酵素機能の解明へ。

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遺伝子をコードしないRNA配列の起源やスプライシング機構の一端を明らかに

Fujishima, K., Sugahara, J., Tomita, M., Kanai, A. (2010) Large-scale tRNA intron transposition in the archaeal order Thermoproteales represents a novel mechanism of intron gain. Mol. Biol. Evol., 27(10), 2233-2243.

　遺伝情報の基本単位である遺伝子は、一度RNAに情報が書き写されたのち、RNAのまま機能する領域やタンパク質として翻訳される領域（エキソン）以外は一連の切断反応によって除去（スプライシング）されてしまう。この除かれる不要な領域はイントロンと呼ばれており、タンパク質によって切断されるタイプ、タンパク質とRNAの複合体であるスプライソソームによって切り出されるタイプ、そしてリボザイムによって自己スプライシングするタイプの３種類に大きく分けられる。一般的に知られる真核生物の遺伝子が持つイントロンはこのうちのスプライソソームによって切り出されるタイプのイントロンであるが、その他のイントロンの多様性や役割も注目されてきている。

自由に実験データを可視化することができる操作性にすぐれたツールの実現

Kono, N., Arakawa, K., Ogawa, R., Kido, N., Oshita, K., Ikegami, K., Tamaki, S. and Tomita, M. (2009) Pathway Projector: Web-Based Zoomable Pathway Browser Using KEGG Atlas and Google Maps API. PLoS One, 4(11), e7710.

　 細胞内の物質は、主にDNA・RNA・タンパク質・代謝物の４階層に大分されており、これらの要素が複雑にからみあって細胞のふるまいを制御している。このような細胞内物質を同定するための高度な技術が近年急速に発展してきているが、それに伴い蓄積される膨大な実験データをどのように解析するかは、現代の生命科学における大きな課題である。そこで注目されるアプローチの一つに、「可視化」がある。例えば、当研究所付近の街並みについて知りたいとしよう。住所のみの文字情報などと比較して、研究所の隣が高校であることや大型スーパーが近くにあるなどといったことを視覚的に示した地図を用いると、相対的な位置関係や周囲の環境などのさまざまな情報を一度に直感的に理解することができる。このように、データの「可視化」は複雑な細胞のふるまいをある程度複雑なまま体系的かつ直感的に理解することを助けることができ、生物学者には必須のツールとなっている。

大腸菌のタンパク質を短期間で一斉同定することに世界で初めて成功

Iwasaki M, Miwa S, Ikegami T, Tomita M, Tanaka N, Ishihama Y.. (2010) One-dimensional capillary liquid chromatographic separation coupled with tandem mass spectrometry unveils the Escherichia coli proteome on a microarray scale. Anal Chem., 82(7):2616-20.　

　私たちの体は約60兆個の細胞から成っており、その細胞を構成している大部分の物質はタンパク質である。タンパク質はアミノ酸が鎖状につながったもので、アミノ酸の組み合わせや化学修飾によってタンパク質の性質が決まるが、現在、生体内で働くヒトのタンパク質は少なくとも数十万種類あるといわれている。これらのタンパク質は細胞をつくるための素材としての役割だけではなく、化学反応の触媒や生体組織の維持など幅広い機能を担っていることからも、その重要性が認知されている。

タンパク質のリン酸化情報を使うことで、シグナル伝達経路の再構築が可能に

Imamura H, Yachie N, Saito R, Ishihama Y, Tomita M.. (2010) Towards the systematic discovery of signal transduction networks using phosphorylation dynamics data. BMC Bioinformatics, 11:232.　

　 私たちのような多細胞生物の体内では、細胞同士がコミュニケーションをとりながら細胞組織を構成し、一つの生命体として統合されている。ホルモンや神経細胞における活動電位などの刺激が個々の細胞に届くと、細胞内にある多数の分子がドミノ倒しのように連鎖的に情報を伝達することで、その外界からの刺激を核に伝え、転写やアポトーシスなどを制御する。例えば、タンパクAがその下流のタンパクBを活性化し、活性化されたタンパクBがタンパクCを活性化する。このようにあるタンパク質が他のタンパク質を活性化または不活性化し、下流のタンパク質に情報を伝えていく過程や機構をシグナル伝達という。このような細胞内シグナル伝達による綿密な制御は、生命の恒常性を維持するために非常に重要な役割を果たしている。

Research highlight

Researcher Interview

　第５回　中 東 憲 治 准教授（分子遺伝学・ゲノム機能学）
　　　　　モデル生物大腸菌を使って生命の謎を解き明かす。
　第６回　小 知 和 裕 美 助教（分子生物学・バイオインフォマティクス）
　　　　　代謝から生命の老化現象を解き明かす。世界を舞台に活躍する女性研究者を目指したい。

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メタボローム技術を駆使して患者に負担の少ないがん診断法の確立をめざす 

Masahiro Sugimoto, David T. Wong, Akiyoshi Hirayama, Tomoyoshi Soga, Masaru Tomita. (2010) Capillary electrophoresis mass spectrometry-based saliva metabolomics identified oral, breast and pancreatic cancer-specific profiles. Metabolomics, 6(1), 78-95.　

World Wide Webの仕組みを使うことで，ブラウザさえあれば誰でも簡単にゲノム解析が可能に

Kazuharu Arakawa*, Nobuhiro Kido, Kazuki Oshita and Masaru Tomita. (2010) G-language genome analysis environment with REST and SOAP web service interfaces. Nucleic Acids Research, 38, W700-W705.

　 バイオインフォマティクスの発展は目覚ましく，多様化する研究に合わせてさまざまな分野でうみだされる膨大なデータを解析するために，多数のソフトウェアツールが開発され，公開されている．これらの解析ツールは通常単独で完結するものではなく，実際に研究を行う過程では，複数のツールを組み合わせることによって複雑な生命現象を明らかにしていく．そんな時に問題になるのがソフトウェアの相互運用性（Interoperability）だ．一般のソフトウェア同様に，Windows専用，Linux専用，あるいはMacOS X専用のツールが存在することはもちろん，研究のためのソフトウェアは特定のバージョンのOSを要求したり，依存する外部ツールやソフトウェアライブラリすることが少なくない．また，各ソフトウェアが入出力するファイルの形式もさまざまで，実際にこれらを組み合わせて使うには多くの労力が必要だ．そこで注目されているのが，ウェブサービスという新しいソフトウェア形態である．ソフトウェアをサービスとして提供することで，研究者はインターネットを介して，プラットフォームやバージョンなどの違いを意識することなくソフトウェアを利用することができる．

ヒトの系譜を辿ることで，祖先生物の遺伝子制御の解明へ

Takane, K., Fujishima, K., Watanabe, Y., Sato, A., Saito, N., Tomita, M. and Kanai, A., (2010) Computational prediction and experimental validation of evolutionarily conserved microRNA target genes in bilaterian animals. BMC Genomics, 11(1), 101.

　複雑な生命システムのなかでも，遺伝子の発現をコントロールすることは細胞にとって非常に重要な作業であり，きわめて緻密に行われる必要がある．遺伝子発現とは，細胞の部品をその設計図である遺伝子のDNA配列から読み取り，青写真のコピーであるmRNAに「転写」した後にさらにタンパク質を構成するアミノ酸配列に「翻訳」するまでを指すが，この過程は単に遺伝子のオンとオフを切り替えるだけではなく，時間的にも量的にも綿密なコントロールを要求する．このような遺伝子発現の細やかな制御にはmicro-RNA (miRNA) と呼ばれる短いRNA断片がもちいられ，標的遺伝子の転写産物にmiRNAが結合することで発現を阻害するという仕組みが働いていることがこれまでに示されてきた．そして近年，ヒトや線虫などの左右相称動物のmiRNAは進化的に保存されていることが明らかとなり，miRNAと標的遺伝子が共に進化してきた可能性が示唆や報告例がでてきている(Moss et al 1997, Wu et al 2005)．一方で，左右相称動物のmiRNA-標的遺伝子をペアとしてその進化に着目し，網羅的に解析を行った例はまだ存在しない．そこで，修士課程2年の高根香織氏らのグループはmiRNAの標的遺伝子抽出において進化的な保存性を考慮する新規手法を開発し，高効率・高精度な予測をもとにmiRNA-標的遺伝子ペアの進化をたどることを可能にした．

植物プランクトンの「種」の正体に迫る

Nakada, T., Shinkawa, H., Ito, T. and Tomita, M. (2010) Recharacterization of Chlamydomonas reinhardtii and its relatives with new isolates from Japan. J. Plant Res., 123(1), 67-78.
　

Research highlight

Researcher Interview

　第１回　板 谷 光 泰 教授（ゲノムデザイン）
　　　　　生命とともに歩み、生命と語り合う。そして、新たな生命を作り出すゲノムデザインへ
　第２回　金 井 昭 夫 教授（分子生物学・分子進化学・発生学）
　　　　　セントラルドグマへの挑戦 - オリジナルストーリーで生命の暗号を解き明かしたい

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Research highlight

Researcher Interview

　第３回　柘 植 謙 爾 講師（ゲノムデザイン）
　　　　　遺伝子断片に夢をのせて。DNA配列情報から新たなゲノムの具現化へ
　第４回　曽 我 朋 義 教授（メタボロミクス・分析化学）
　　　　　こだわりが生む楽しみ。全代謝物質一斉測定法を携え、飽くなき知識の探求へ

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ゲノムの配列からその複製メカニズムを推定できる画期的新手法

Arakawa, K., Suzuki, H., and Tomita, M. (2009) Quantitative analysis of replication-related mutation and selection pressures in bacterial chromosomes and plasmids using generalised GC skew index. BMC Genomics, 10, 640.

　地球上の全ての生物は，バクテリアから私たち人類を含む現存するあらゆる生き物，そして，恐竜のようにかつては地上を闊歩したものたちにいたるまで，全てがAとTとGとCの４文字で書かれたゲノムを持っている．多くの真核生物のDNAではこれらの文字はほぼ均等に20~30%程度ずつ使われているが，単細胞微生物であるバクテリアではGC含量と呼ばれるGとCの文字の総量は，実に10%から90%程度までさまざまである．また，DNAは決まった方向（5’末端から3‘末端方向）にしか複製ができないため，複製を開始する場所を中心に，順方向に複製されるリーディング鎖と逆方向なラギング鎖に二分でき，これらの領域においても，塩基（文字）の使われ方には偏りが生じる．例えば漢字が多い文章が難解に思え，ひらがなが多い文章が詩的な，あるいは幼稚な印象をあたえるように，このようなDNAの塩基組成の偏りは，どのような遺伝子がゲノムに存在し，それらがどのように配置されるか，という基本的な枠組みを方向づける．

古細菌の断片化されたtRNAを連結する酵素を発見、新しいRNA連結メカニズムの存在を示唆

Kanai, A., Sato, A., Fukuda, Y., Okada, K., Matsuda, T., Sakamoto, T., Muto, Y., Yokoyama, S., Kawai, G. and Tomita, M., Characterization of a heat-stable enzyme possessing GTP-dependent RNA ligase activity from a hyperthermophilic archaeon, Pyrococcus furiosus, RNA,15(3), 420-431.

tRNAはmRNAの有する情報をタンパク質へ変換する上で不可欠な分子である。多くの真性細菌（バクテリア）ではtRNAはそのまま転写される形でコードされているが、ヒトや酵母などの真核細胞生物や、高熱・高塩・高酸などの極限環境に生息する古細菌（アーキア）のtRNAには、DNAからの転写後に切りとられるイントロンを有するものが存在する。このイントロンを切り出すためにtRNAエンドヌクレアーゼと呼ばれる切断酵素が使われることはよく知られているが、イントロンを切り出した後に、断片化したtRNAを再び連結するような酵素に関してはほとんど分かっていなかった。

最新のインターネットアプリケーション開発技術を駆使して、広大なゲノム情報の世界を探索可能に

Arakawa, K., Tamaki, S., Kono, N., Kido, N., Ikegami, K., Ogawa, R. and Tomita, M. Genome Projector: zoomable genome map with multiple views, BMC Bioinformatics., 10, 31.

　21世紀初頭からの測定技術の急速な発展により、ゲノム・RNA・タンパク・代謝物質などといったさまざまな細胞内物質の情報が蓄積されてきている。その一方で、これらの情報はゲノム・トランスクリプトーム・プロテオーム・メタボロームなど、対象とする物質レイヤーや対応する実験手法ごとにデータベース化されているのが現状である。生命現象というのはあくまでこれらの集合なので、実際にデータを観察する際には複数のデータベースを横断的に見ていく必要がある。そして、データの全体像とともに各要素の挙動を把握できることも重要であり、多角的かつ多尺度的に観察しなければならない。

Tri-split tRNAの発見からゲノム進化の道筋を探る

Fujishima, K., Sugahara, J., Kikuta, K., Hirano, R., Sato, A., Tomita, M. and Kanai, A. Tri-split tRNA is a transfer RNA made from 3 transcripts that provides insight into the evolution of fragmented tRNAs in archaea. , Proceedings of the National Academy of Sciences U. S. A., 106(8), 2683-7.

　生命の主要な構成成分であるタンパク質は，２０種類のアミノ酸が連続的に結合したものである。どのアミノ酸をどの順番で結合するかという情報は遺伝子としてDNAに書かれており、これがDNAからMessenger RNA (mRNA) に転写され、さらにmRNAがリボソームと呼ばれるタンパク質と核酸の複合体に取り込まれてアミノ酸配列に翻訳される。具体的には、リボソーム内でmRNAは3塩基ごとに読まれ、それぞれの3塩基（コドン）に対応するアミノ酸が正確にリボソームまで運搬され、つぎつぎに連結していくことでタンパク質が合成される。このアミノ酸の運搬はリボ核酸であるTransfer RNA(tRNA)が担っていることから、tRNAの進化や原型を調べることで、核酸 (DNAやRNA) からタンパク質への遺伝情報伝達（翻訳系）の生い立ちを明らかにできる可能性がある。

酵素機能同定の新手法，メタボロームプロファイリングによる新発見

Saito, N., Robert, M., Koichi, H., Matsuo, G., Kakazu, Y., Soga, T. and Tomita, M. Metabolite profiling reveals YihU as a novel hydroxybutyrate dehydrogenase for alternative succinic semialdehyde mtabolism in Eschericha coli. J. Biol. Chem., 284, 16442-16451.

　生物の代謝には，酵素と呼ばれる数多くのタンパク質が関わっている．しかし，最もよく研究されている原核生物の大腸菌ですら，半分近くの酵素機能は実際に明らかにされていない．酵素の機能を同定することは代謝の研究において非常に重要なことから，斎藤菜摘講師らのグループではメタボローム解析手法を用いた新しい酵素機能同定方法の開発に着手し，その成果をすでに報告している（Saito et al., JPR, 2006）．これは数百種の化合物混合液に精製した酵素を入れて反応させ，その前後のメタボロームを測定することで基質と生成物を同定することができる画期的な手法である．

コンピュータ解析と実験科学の融合がもたらす、膜プロテオミクスへの大きな一歩

　我々生物の細胞膜には，多数のタンパク質（膜タンパク質）が埋め込まれ，細胞内外の情報を伝達する仲介役としての役割を担っている．現在市販されている薬剤の約65%が膜タンパク質を標的としていることからもわかるとおり，これらは生物にとって非常に重要であり，さかんに研究がおこなわれている．膜タンパク質はきわめて疎水的な性質をもつことで，疎水的な膜上に局在し，重要な機能を発揮することができるが，一方ではその性質ゆえに，現在の実験手法では網羅的な同定（細胞内に存在している多数のタンパク質を一気に見つけること）が困難である．

がん組織における未知のエネルギー獲得機構の解明へ

　がん細胞が，比較的酸素濃度が高い条件下においても，主に酸素を使わない解糖系によってエネルギー産生を行う現象はワーバーグ効果と呼ばれ，これまでに様々な がん種において観察されている．また，がん細胞は活発な増殖のために多量のグルコースを必要とし，近年のPET診断はまさにこの特性を利用した診断技術である．しかし，一部のがん種においては血流が乏しいために，慢性的な低酸素や極度の栄養不足状態にありながら生存・増殖していることが知られている．つまり，このような がん細胞におけるエネルギー産生は大量のグルコースを必要とする解糖系の亢進だけで説明することは難しく，血流量が多い栄養的に恵まれた環境下で増殖する がん種とは異なったエネルギー代謝を行っている可能性がある．そこで今回，平山研究員らのグループは，キャピラリー電気泳動-飛行時間型質量分析計(CE-TOFMS)を用いたメタボローム測定により，大腸がんおよび胃がん患者から採取した がん組織および正常組織の代謝物質を一斉分析し，がん組織のエネルギー産生のメカニズムに迫った．

ゲノムスケールシミュレーションとフェノーム･メタボローム・トランスクリプトーム解析の組み合わせから新規代謝経路の発見へ

Nakahigashi, K., Toya, Y., Ishii, N., Soga, T., Hasegawa, M., Watanabe, H., Takai, Y., Honma, M., Mori, H. and Tomita, M. Systematic phenome analysis of Escherichia coli multiple-knockout mutants reveals hidden reactions in central carbon metabolism. Mol. Syst. Biol., 5, 306.

　中心炭素代謝系は生物がエネルギーを得るために主要な役割を担っている代謝系であり，過去１００年にわたり詳しく解析されてきた経路である．その解析には大腸菌がモデル生物として用いられ，他の生物種と比べ非常によく研究されてきた．しかし，今回 中東憲治准教授らのグループはこの代謝系に未知の反応経路が潜んでおり，条件によって誘導されることをあきらかにした．

複雑系カオス理論を応用した新規ゲノム可視化手法を開発

Arakawa, K., Oshita, K. and Tomita, M. A web server for interactive and zoomable Chaos Game Representation images. Source Code Biol. Med., 4, 6.

　「シェルピンスキーのギャスケット」や「コッホ曲線」で知られるフラクタル図形は，図形の部分と全体が自己相似形になっているもので，自然界でも海岸線や樹木の枝の形など，いたるところで見つけることができる．また，フラクタル図形は有限の面積の中に無限の長さを持つことができるため，わたしたち人体内でも血管の分岐構造や腸の内壁など表面積を必要とする器官はフラクタル構造をもつことが多い．「シェルピンスキーのギャスケット」と「コッホ曲線」は共に正三角形をもとにして，単純なルールを繰り返すことによって描くことができるが，同様に一見不規則な変動（カオス）を元にしても，隠された法則性と十分な反復回数があれば，無作為な手順によってグラフを描くことでカオスアトラクターと呼ばれるフラクタル図形を得ることができる．このようにしてカオスからフラクタル図形を作ることは「カオスゲーム」と呼ばれる．

臨床応用へ向けたヒト赤血球シミュレーションの新たな一歩

Nishino, T., Yachie, A. K., Hirayama, A., Soga, T., Suematsu, M. and Tomita, M. (2009) In silico modeling and metabolome analysis of long-stored erythrocytes to improve blood storage methods. J. Biotechnol.,144(3), 212-223.

　通常輸血を行う際は，輸血パックに保存された血液を用いるが，日本で最も一般的に用いられている血液保存法では，4℃で3週間しか保存できない．そこで，限られた血液資源を有効に利用するために，保存期間の長期化，そして保存血液の品質向上が求められている．輸血用の血液製剤（保存血液）を長期に渡って保存するためには，赤血球中のエネルギー通貨物質であるATP，および，2,3-ビスホスホグリセリン酸(2,3-BPG)の濃度を高く保つことが重要である．これは，ATPが豊富ならば赤血球細胞は壊れにくくなり，また2,3-BPG濃度が正常に保たれることによって輸血の本来の目的である酸素運搬能力を高めることができる効果による．しかし，血液の保存中には赤血球のATPと2,3-BPGの著しい減少が起こることが知られているが，この作用機序については明らかになっていない．

DNA遺伝子領域の重なりに込められた生命の謎にせまる

Okada, Y., Tashiro, C., Numata, K., Watanabe, K., Nakaoka, H., Yamamoto, N., Okubo, K., Ikeda, R., Saito, R., Kanai, A., Abe, K., Tomita, M. and Kiyosawa, H. Comparative expression analysis uncovers novel features of endogenous antisense transcription. , Hum. Mol. Genet. , 17(11) , 1631-40.

生物が細胞内に持つ生体高分子DNAは二重らせん構造になっており、すべての遺伝子情報が書き込まれている。遺伝子領域はDNA二本鎖のどちらにも散在し、着目する遺伝子が存在する鎖はセンス鎖、その逆鎖はアンチセンス鎖とよばれる。近年、タンパク質をコードしない遺伝子転写産物であるノンコーディングRNAが細胞内に多く存在することが明らかになりつつあるが、これまでに見出されたノンコーディングRNAの多くは生体内での機能や意義がわかっていない。DNAアンチセンス鎖からの転写産物であるアンチセンスRNAもその一例である。

多細胞生物を理解する方法論の確立を目指したバイオシミュレーションの応用

Ohno, H., Naito, Y., Nakajim, H., Tomita, M. Comstruction of at Biological Tissue Model based on a Single-Cell Model: A Computer Simulation of Metabolic Heterogeneity in the Liver Lobule. Artif Life 14(1) 3-28.

分子レベルから生命の謎を解明するという分子・細胞生物学の飛躍的な発展にともない、生命現象を担う構成要素についての膨大な知識が蓄積されつつある。しかしながら、ヒトをはじめとする多細胞生物を包括的に理解しようとするならば、この状況は「木を見て森を見ず」といえるのではないだろうか。

新種tRNA遺伝子の発見からその進化の軌跡をたどる

Sugahara, J., Kikuta, K., Fujishima, K., Yachie, N., Tomita, M. and Kanai, A. Comprehensive analysis of archaeal tRNA genes reveals rapid increase of tRNA introns in the order Thermoproteales.  Molecular Biology and Evolution, 25(12) 2709-16. 
 

Transfer RNA（tRNA）は、細胞内のタンパク質合成系においてmRNAのコドンとアミノ酸を対応させる役割を持つRNA分子である。セントラルドグマの中心を担う本分子の多様性や分子進化を研究することは、遺伝暗号などの本質的な生命システムの理解やその起源に迫れる可能性がある魅力的なテーマである。

新技術によって植物細胞におけるチロシンリン酸化部位の大量同定に成功

Sugiyama, N., Nakagami, H., Mochida, K., Daudi, A., Tomita, M., Shirasu, K. and Ishihama, Y. Large-scale phosphorylation mapping reveals the extent of tyrosine phosphorylation in Arabidopsis. . Mol Syst Biol. 4 :193.

ほとんどの生物種にとって、タンパク質のリン酸化はもっとも重要な翻訳後修飾のひとつである。細胞はタンパク質のリン酸化･脱リン酸化反応をくりかえることによって細胞内のシグナル伝達や代謝反応を調節し、細胞機能を維持している。リン酸化は主にタンパク質のセリン･スレオニン・チロシン残基でおこるが、その中でも生物学的に特に重要なシグナル伝達に関与しているのがチロシンのリン酸化であるといわれている。

体内時計は精巧な転写フィードバック制御で安定したリズムを刻む 

 Ogawa, Y., Arakawa, K., Kaizu, K., Miyoshi, F., Nakayama, Y. and Tomita, M. Comparative study of circadian oscillatory network models of Drosophila. Artif Life. 14(1) 29-48.


地球上の数多くの生物にそなわる概日時計（体内時計ともよばれる）は、睡眠や摂食などの基本的な生命活動を効率よく行うために重要な役割を担っている。体内時計がきざむリズムは生物種によって異なるものの、1日約24時間（よって概日）を周期とする規則性はどの生物にも共通にみられ、一定範囲の温度条件下では周期が変わらないという温度補償性や、光の刺激により時計をリセットすることで環境に同調する機能をかねそなえている。

3種類の tRNA の進化的な関連性と、2つの遺伝子の組み合わせによる tRNA の起源を示唆

Fujishima, K., Sugahara, J., Tomita, M. and Kanai A. Sequence Evidence in the Archaeal Genomes that tRNAs emerged Through the Combination of Ancestral Genes as 5' and 3' tRNA Halves. PLoS ONE 3(2) e1622

　進化系統樹において、生命の起源に最も近い枝から分岐したとされる生物はナノ古細菌と呼ばれる。2005年、このナノ古細菌において、5’側と3’側の2つに分断された遺伝子領域がそれぞれひとつの遺伝子としてコードされている tRNA 遺伝子（split型 tRNA）が初めて発見された（Randau et al.）。

tRNA進化の解明へ、バイオインフォマティクスで大きく貢献

Soma, A., Onodera, A., Sugahara, J., Kanai, A., Yachie, N., Tomita, M., Kawamura, F. and Sekine, Y. Permuted tRNA Genes Expressed via a Circular RNA Intermediate in Cyanidioschyzon merolae" Science, 3118(5849) 450-453

　地球上のすべての生物の細胞は、主にタンパク質で構成されている。タンパク質は、ゲノム配列中に記された遺伝暗号に従い、20種類のアミノ酸が鎖状につなぎ合わされることで合成される。この時、遺伝暗号を読み取って必要なアミノ酸を運搬し、タンパク質の合成を担っている分子がトランスファーRNA分子（以下、tRNA）であり、tRNAをコードする遺伝子はtRNA遺伝子と呼ばれる。

枯草菌をベクターに用いて、新たな「合成生物学」のパラダイムへ

Itaya, M., Fujita, K., Kuroki, A., Tsuge, K. Bottom-up genome assembly using the Bacillus subtilis genome vector. Nature methods. 5(1) 41-43.

 
　ゲノム全塩基配列が迅速に決定される現代、ゲノム中に特定の遺伝子（群）の有無については比較的容易に予想することができる。その次なる段階として、遺伝子群がどのような機能を担っているのかを詳しく調べるために、ゲノムを丸ごと再構築できる実験手法が期待されている。 

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。

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。

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。
 

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。

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。

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。

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。
 

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。

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。

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。

Restauro-G：ゲノム再アノテーションソフトウェアの開発
メタゲノム時代を支援する高速再アノテーションソフトウェアで、比較ゲノム解析前にアノテーションの統一を

1.Tamaki S, Arakawa K, Kono N, Tomita M.(2007) Restauro-g: a rapid genome re-annotation system for comparative genomics.
Genomics Proteomics Bioinformatics. 5(1):53-8.

　ゲノム配列の高速シーケンシングが可能となり、大量のゲノム情報が蓄積されてきたことを受け、生物種間で遺伝子の配列や構成を比較しようとする、いわゆる比較ゲノム解析が盛んである。また、メタゲノム解析と呼ばれる、同じ環境の中にいる大量の微生物のゲノムを一気に読んで比較し、環境と遺伝子の関係を解析しようとする試みも注目されている。

tRNAを網羅的に予測するソフトウェアSPLITSの開発、そして未知のtRNA発見へ

1. Sugahara, J., Yachie, N., Arakawa, K. and Tomita, M. (2007) In silico screening of archaeal tRNA-encoding genes having multiple introns with bulge-helix-bulge splicing motifs, Rna, 13, 671-81


2. Sugahara, J., Yachie, N., Sekine, Y., Soma, A., Matsui, M., Tomita, M. and Kanai, A. (2006) SPLITS: a new program for predicting split and intron-containing tRNA genes at the genome level, In Silico Biol, 6, 411-8


　生物の重要な構成要素であるタンパク質は、原料のアミノ酸を正しい順番でつなげていくことで合成される。この時、messenger RNA上に書かれた遺伝暗号を読み取り、対応したアミノ酸を運んでつなげる役割を担っているのが transfer RNA（tRNA）である。タンパク質を決める遺伝暗号はたった4つの文字ATGCで書かれており、3文字の組み合わせ61種類がアミノ酸を指定している。つまり、生命活動を維持するためには61種類のtRNA遺伝子をゲノム上に持っている必要がある。

相互作用を自在に描画、細胞内ネットワークを視覚的にとらえて、一段上の理解へ。

1. Negishi, Y., Nakamura, H., Yachie, N., Saito, R. and Tomita, M. (2007) eXpanda: an integrated platform for network analysis and visualization, In Silico Biology, 7, 0013


　実験手法の改良や情報処理的な予測手法の確立によって、細胞内のタンパク質同士の相互作用や酵素による基質の触媒作用などを含む、分子間相互作用ネットワークのデータが急速に蓄積されている。この "interactome"と呼ばれるネットワークの集合は今や巨大であり、補助的なツールを使わずに観察することは非常に難しい。また、大量のデータをあつかう必要性があるバイオインフォマティクス解析では、さらにこのような可視化をコンピュータプログラミングによって自動化できなければならない。一方で、プログラミングはどうしてもハードルの高い、労力を必要とする作業である。

ゲノム、メタボローム、プロテオームなどの大量データ解析の為のパスウェイ可視化webサービスを公開

1. Kono, N., Arakawa, K. and Tomita, M.(2006). MEGU: Pathway mapping web-service based on KEGG and SVG. In silico biology.


　さまざまな計測機器の発展により、細胞内の分子の定量的な情報を得ることができるようになってきている。しかし、そこから生み出される数千・数万もの数字の羅列から細胞を理解することはむずかしく、これらの情報をわかりやすく見せる方法　−データ可視化技術− が重要になってきている。

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。

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。

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。