セミナー詳細

Proteomes in 3D

Paola Picotti教授

Institute of Molecular Systems Biology, ETH Zurich

【要旨】

Biological processes are regulated by molecular events, such as intermolecular interactions, chemical modification and conformational changes, which do not affect protein levels and therefore escape detection in classical proteomic screens. Reasoning that these events affect protein structure, we tested whether a global readout of protein structure could detect various types of functional alterations simultaneously and in situ. We tested this idea using limited proteolysis coupled to mass spectrometry (LiP-MS), which monitors structural changes in thousands of proteins within a complex, native-like environment. In bacteria adapting to different nutrient sources and in yeast responding to acute stress, the structural readout, visualized as structural barcodes, captured enzyme activity changes, allosteric regulation, phosphorylation, protein aggregation and protein complex formation, with the resolution of individual regulated functional sites such as binding and active sites. Comparison with prior knowledge, including flux, phosphoproteomics and metabolomics data, showed that LiP-MS detects many known functional alterations within well-studied pathways. It suggested novel metabolite-protein interactions and enabled identification of a fructose-1,6-bisphosphate-based regulatory mechanism of glucose uptake in E. coli. The structural readout dramatically increases the coverage of classical protein expression profiling, generates mechanistic hypotheses, better links holistic and reductionist approaches, and paves the way for a new in situ structural systems biology.

日時： 2021年5月17日（月） 16:00～16:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

参加希望の方は
info.kuroda-lab [at] bs.s.u-tokyo.ac.jp
までメールをいただければZoomのURLを送付いたします。所属機関のメールアドレスでお願いします。個人のメールアドレスはお控えください。その際には、氏名と所属も合わせてお願いいたします。

染色体構造を介した遺伝子発現制御を読み解くゲノム解析

中戸 隆一郎 講師

東京大学 定量生命科学研究所

【要旨】

次世代シーケンサを利用した大規模なデータセットの横断的解析により、前提知識に依存することなく重要な新規知見を獲得する「データ駆動形エピゲノム解析」への期待が飛躍的に高まっている。一方、そのための情報解析技術開発は未だ発展途上であり、大規模解析の律速となっている。本日は主にエピゲノム、立体構造解析を含めた大規模ゲノム情報解析に関する我々の取り組みについて紹介する。

日時： 2021年4月13日（火） 14:00～15:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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非冬眠動物における冬眠様状態の誘導

砂川 玄志郎　博士

国立研究開発法人理化学研究所　生命機能科学研究センター　網膜再生医療研究開発プロジェクト

【要旨】

冬眠中の動物は正常時と比べて数％まで酸素消費量が低下し、外気温よりも数度高い程度の低体温を呈するが、何ら組織障害を伴うことなく自発的に元の状態に戻ることができる。このような“制御された低代謝”は、疾患によって組織が受けるダメージを回避できる可能性があり臨床応用が期待されている。しかし、冬眠のメカニズムはほとんど分かっていない。冬眠研究を困難にしている理由の一つが、通常使用される実験動物であるマウス等が冬眠をしないことであった。
本研究では、マウスの脳（視床下部）の一部に存在する神経細胞群を興奮させると、マウスの体温・代謝が数日間にわたって著しく低下することを発見した。この神経細胞群をQ神経（Quiescence-inducing neurons : 休眠誘導神経）と名付け、このQ神経を刺激することにより生じる低代謝をQIH（Q neurons—induced hypometabolism）と名付けた。

QIH中のマウスは動き・摂食がほぼなくなり、体温セットポイントが低下するため著しい低体温を呈する。行動解析・組織学的解析ではQIHの前後で異常が見らなかった。本研究によって、哺乳類に広く保存されているQ神経を選択的に刺激することで、非冬眠動物に冬眠様状態を誘導できることが明らかとなり、人間でも冬眠を誘導できる可能性が示唆された。

日時： 2020年9月18日（金） 16:00～17:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

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テンソル分解を用いた教師無し学習による変数選択法の一細胞RNA-seq解析、マルチオミックスデータ解析、インシリコ創薬への応用

田口 善弘 教授

中央大学理工学部物理学科

【要旨】

深層学習をはじめとする教師あり機械学習は大きな成功を収めているが、ラベル付きのサンプルが非常に多数個ある場合以外は適用が難しい。ＧＡＮや転移学習を用いることで大量のラベル無しデータを有効活用する方法も提案されてきているが、ゲノムデータの場合、一サンプルの費用が高額なため、この様な方法を使っても有効な結果が出せるほどの良質なデータを多数用意することは難しい。一細胞RNA-seqの場合は、細胞数のサンプルがあるため、従来のゲノム科学の場合に比べれば数千個程度のサンプル数を確保できるという利点があるが、今度は欠損値が多いという欠点がある。今回紹介する「テンソル分解を用いた教師無し学習による変数選択法」は教師無し学習であり、サンプルが数個しかない場合でも生物学的な意味があるデータをさせることが知られており、また、条件が複数（被験者×臓器×遺伝子発現プロファイル）の場合もあつかうことができ、また、欠損値補完の能力ももっているため、これらの問題を同時に解決できる有望な方法である。今回はこの様な方法について説明する。

日時： 2020年5月14日（木） 15:00～16:30
場所： Zoom
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

参加希望の方は
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代謝系のミクロ経済学/必須代謝物の漏出による細胞の成長促進

山岸 純平 氏

東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻

【要旨】

　本セミナーでは、代謝系に関する我々の理論研究の、現時点での成果と今後の方向性について話したい。

　前半では、ミクロ経済学の枠組みを細胞内代謝系の振る舞いに適用するという試み[1]をとりあげる。
　細胞内代謝系は、成長率やバイオマス生成速度を最大化するように、進化を通して最適化されていると考えられている。実際、flux balance analysisを中心としたconstraint-based modelingにおいて、最適化の仮定の下、様々な環境下での代謝系の振る舞いが予測・実証されたきた。一方、ミクロ経済学は、経済主体が利益を最大化するという仮定の下でその振る舞いを議論するための体系である。したがって、最適化問題としての素朴なアナロジーから、ミクロ経済学は代謝系の理解のために応用できると考えられる。
　ここでは具体例として、生物学における「オーバフロー代謝」と経済学における「ギッフェン財」に注目する。オーバーフロー代謝とは、呼吸よりATP生成効率の劣る発酵や嫌気性呼吸を酸素存在下でも使用するという振る舞いであり、一見不合理に思えるものの、バクテリアから真核単細胞生物、さらにはがん細胞や免疫細胞まで、普遍的に観測される。一方のギッフェン財とは、価格が上がると需要が増えるような財であり、価格が上がると需要が減るという一般の需要法則に反するためにギッフェンのパラドックスとも呼ばれる。
　本セミナーでは、細胞内代謝系の制御をミクロ経済学における消費者選好の理論にマップすることで最適化問題として定式化し、オーバーフロー代謝における呼吸経路とギッフェン財が対応することを示す。このマッピングから、オーバーフロー代謝とギッフェン財を引き起こす普遍的な構造・条件が明らかになる。また、ギッフェン財の性質から、代謝系の薬剤応答について新規な予言が得られる。
　代謝制御の理解のために経済学を用いることの利点や、一般の代謝システムへのミクロ経済学の適用可能性についても議論する予定である。

　後半では「多くの化学反応によって成長する系」としての細胞内代謝系の性質に焦点を当てた研究[2]をとりあげる。
　微生物は栄養成分を取り込んで成長する一方で、たくさんの代謝物を環境中へ漏らしている。単なる毒や細胞成長に不要なゴミだけでなく、細胞成長にとって不可欠な代謝物すらも漏出しているのだが、これは細胞にとって一見不利益でしかない。細胞が必須代謝物を漏らさぬように進化してこなかった理由は未知であった。
　今回我々は、細胞成長を粗視化した力学系モデルについて解析計算と数値計算を用いて調べ、細胞成長に必須な物質の排出によりかえって成長が促進されるメカニズムを明らかにした。これは、定常成長状態において非線形な化学反応群と体積成長に伴う濃度希釈の間のバランスが要請されることの帰結であり、たとえばバイオマス成分の前駆体（アミノ酸など）の漏出によってすら成長率が上昇しうることが示る。ランダムに生成した反応ネットワークの数値計算の結果からは、多くの化学成分からなる複雑な代謝反応ネットワークにおいては、このような漏出がありふれた振る舞いとなることも示唆される。
　また、漏れ出た必須代謝物は他の細胞種にとっても有用であり、漏出代謝物を異なる種の間でやりとりすることで多種共生が可能になると考えられる。時間が許せば、このような形の相利共生の可能性についても議論したい。

[1]Jumpei F. Yamagishi and Tetsuhiro S. Hatakeyama. Microeconomics of
metabolism: Overflow metabolism as Giffen behavior. bioRxiv 613166.
[2]Jumpei F. Yamagishi, Nen Saito, and Kunihiko Kaneko. Advantage of
leakage of essential metabolites for cells. Phys Rev Lett, 124:048101, 2020.

日時： 2020年3月12日（木） 11:00～12:00
場所： 理学部3号館4F 412室
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

エンハンサー遺伝学の活用: 免疫、概日リズム、がん悪液質

河岡 慎平 博士

京都大学 ウイルス・再生医科学研究所

【要旨】

　本セミナーでは、エンハンサー遺伝学をうまく活用することで、免疫をはじめとする複雑な生命現象をより良い解像度で理解できるようになることを示したい。
　エンハンサーは、標的遺伝子がいつ・どこで・どのくらい発現するかを決める非コードDNA領域の総称である。マウスやヒトのゲノムには10万以上のエンハンサーが存在する。エンハンサーの多くが臓器やシグナルに特異的な機能を有し、標的遺伝子の文脈特異的な機能を成立させている。
　エンハンサーの機能解析は、ゲノム科学的な実験手法としても、ゲノム資源の利用という観点からも重要だ。適切なエンハンサーを欠失させれば、標的遺伝子の文脈特異的な機能を破壊し、その意義を探れる。機能が解明されたエンハンサーをゲノム資源として活用し、興味のある遺伝子に特定の調節を付与することもできる。
　ところが、欠失実験により個体における生理機能が解明されたエンハンサーは全体の0.3%未満である。つまり、有用な性質を持つエンハンサーのほとんどがゲノムに埋もれたままの状態である。その主な理由は、エンハンサーの同定・機能解析に、複数の技術的な障壁があるからだ。これは、ゲノム科学分野における重要な課題のひとつといえる。
　演者は、新しいエンハンサーの機能解析という切り口・アプローチを、免疫や概日リズム、がん悪液質といった複雑かつ重要な生命現象のメカニズムの解明に応用している。エンハンサー遺伝学とオミクス解析をくみあわせ、免疫では胸腺細胞の自己・非自己認識機構を、概日リズムではひとつの遺伝子のリズムの意義を、がん悪液質ではがんに起因する宿主の病態生理のメカニズムを探っている (これらのプロジェクトは互いに関連しあっている)。本セミナーでは、これらのプロジェクトを概説してエンハンサー遺伝学の強みを共有しつつ、研究の今後の展開を議論したい。

[参考文献]
1) Hojo, H., Enya, S., Arai, M., Suzuki, Y., Nojiri, T., Kangawa, K., Koyama, S., and Kawaoka, S.: Remote reprogramming of hepatic circadian transcriptome by breast cancer. Oncotarget. 8(21), 34128-34140, 2017
2)  Enya, S., Kawakami, K., Suzuki, Y., and Kawaoka, S.: A novel zebrafish intestinal tumor model reveals a role for cyp7a1-dependent tumor-liver crosstalk in causing adverse effects on the host. Dis. Model Mech., 11, dmm032383, 2018  
3)  Hojo, M.A., Masuda, K., Hojo, H., Nagahata, K., Yasuda, K., Ohara, D., Takeuchi, Y., Hirota,  K., Suzuki, Y., Kawamoto, H., Kawaoka, S.: Identification of a genomic enhancer that enforces proper apoptosis induction in thymic negative selection. Nat. Commun., 10, 2603, 2019

日時： 2019年11月29日（金） 17:00～18:30
場所： 理学部3号館4F 412室
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

ゲノムの３次元高次分子構造を解く

谷口 雄一 博士

理化学研究所 生命機能科学研究センター

【要旨】

生命の遺伝情報を担うゲノムは、細胞内において、160〜200 塩基対毎にヒストン8量体に巻きついて形成される“ヌクレオソーム”を最小構造単位として存在している。しかしながら、実際の細胞内でこのヌクレオソームがどのように並んで存在しているのかは、これまでの研究ではあまりよくわかっていなかった。そこで我々は、ゲノムの3次元構造をヌクレオソーム分解能で決定する手法の開発に取り組み、最近これに成功した[1]。この開発のため、従来の次世代シーケンサーを用いた実験法(Hi-C 法)の高分解能化を行うと共に、ゲノム内の全てのヌクレオソームを3次元モデリングする新たな計算法の開発を行った。実験法の開発では、ゲノム上の各ヌクレオソームの DNA 巻きつき開始・終了点間の近接関係をそれぞれ解析できる方法を構築した。これに対し計算法の開発では、大規模な分子動力学計算をスーパーコンピューター上で実験データに基づいて行い、各ヌクレオソームの位置と配向を含む全ゲノムの3次元分子構造を決定する方法を構築した。開発した技術は、”Hi-C” with nucleosome “O”rientation の略からと、さらに「配向」が解析できる特徴から、「Hi-CO」法と名付けた。結果、1つ1つのヌクレオソームのレベルから全染色体のレベルに至る、ゲノムの階層構造が初めて実験的に明らかになった。面白いことに、出芽酵母のゲノム構造の解析を行ったところ、これまで規則的に並んでいると考えられていたヌクレオソームの配列が、実は2通りのヌクレオソーム配列(正四面体型とひし形型)の組み合わせによって成り立っていることが見えてきた。タンパク質の折り畳み構造の基本構造である α ヘリックス・β シートにちなんで、両者を α テトラへドロン・β ロンバス構造と命名した。さらには、ヌクレオソームの配置構造が、遺伝子の発現制御の性質と密接に関連して有意に変化していることを見つけた。この結果は、細胞がどのようにして分化や発生などの際に、それぞれの遺伝子の発現をコントロールしているか、その分子機序を知るための重要な基礎となると考えられる。今後、ヒトを含む様々な生物種に解析を拡張することにより、ヌクレオソーム配置構造とゲノム機能のさらなる詳細な相関性や、ゲノム構造による遺伝子発現の制御原理、疾患や薬剤存在下におけるゲノム構造の可変性などが明らかになってくると期待される。
[1] Ohno, M. et al., Cell, 176, 520-534 (2019)

日時： 2020年01月15日（水） 17:00～18:30
場所： 理学部3号館4F 412室
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

Metabolic Coordination Through Metabolite-Protein Interactions

Uwe Sauer 博士

Institute of Molecular Systems Biology, ETH Zurich, Switzerland

【要旨】

How do bacteria know what goes on in their environment and how do they make appropriate decisions? While some bona fide extracellular sensors are known, there are far more environmental conditions and cellular responses than could possibly be dealt with through dedicated sensors. Instead, most microbial responses are based on direct intracellular consequences of environmental changes. One of the first affected networks to just about any extracellular change is metabolism that passively responds to nutritional or chemical/physical challenges. Since fluxes and intracellular metabolite levels respond within seconds, allosteric binding of metabolites to regulatory proteins and enzymes is a highly effective and rapid sensing mechanism. Different from well-establish methods to assess physical interaction between proteins and between proteins and nucleic acids, however, methods to assess metabolite-protein interactions are still in their infancy. At present we know on the order of 1500 unique regulatory metabolite-protein interactions (1). I will present results on experimentally mapping this network out further in E. coli. The current results indicate that the known interactions are only the tip of the iceberg (2). Beyond mapping the regulation network, I will focus on the even more challenging and conceptual problem: understanding which of the many regulation mechanisms actually matter for a given adaptation to elicit an appropriate physiological response. The surprising result is that only very few regulation events appear to be required for a given transition, typically involving less than a handful of active regulators (3).

1. Reznik, Christodoulou, Goldford, Briars, Sauer, Segre & Noor. Cell Reports 20: 2666-2677 (2017).
2. Piazza, Kochanowski, Cappelletti, Fuhrer, Noor, Sauer & Picotti. Cell 72:358-372 (2018).
3. Kochanowski, Gerosa, Brunner, Christodoulou & Sauer. Molecular Systems Biology 13: 903 (2017).

日時： 2019年10月18日（金） 17:00～18:30
場所： 理学部3号館4F 412室
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

Systematic mapping of protein-metabolite interactions in central metabolism of Escherichia coli

Maren Diether 博士

Institute of Molecular Systems Biology, ETH Zurich, Switzerland

【要旨】

   Metabolite binding to proteins regulates nearly all cellular processes, but our knowledge of these interactions originates primarily from empirical in vitro studies. Here, we report the first systematic study of interactions between water-soluble proteins and polar metabolites in an entire biological subnetwork. To test the depth of our current knowledge, we chose to investigate the well-characterized Escherichia coli central metabolism. Using ligand-detected NMR, we assayed 29 enzymes towards binding events with 55 intracellular metabolites. Focusing on high confidence interactions at a false-positive rate of 5%, we detected 98 interactions, amongst which purine nucleotides accounted for one third, while 50% of all metabolites did not interact with any enzyme. In contrast, only five enzymes did not exhibit any metabolite binding and some interacted with up to 11 metabolites. About 40% of the interacting metabolites were predicted to be allosteric effectors based on low chemical similarity to their target’s reactants. For five of the eight tested interactions, in vitro assays confirmed novel regulatory functions, including ATP and GTP inhibition of the first pentose phosphate pathway enzyme. With 76 new candidate regulatory interactions that have not been reported previously, we essentially doubled the number of known interactions, indicating that the presently available information about protein-metabolite interactions may only be the tip of the iceberg.

日時： 2019年09月02日（月） 11:00～12:00
場所： 理学部3号館4F 412室
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）

iScience, a new interdisciplinary journal by Cell Press

Dorota Badowska 博士

Scientific Editor, iScience, Cell Press

【要旨】

   Interdisciplinary research has a great potential to advance science, but faces many specific challenges. Among them, finding the right place to publish interdisciplinary findings can be challenging. To promote and increase the visibility of interdisciplinary research, Cell Press launched iScience, a new open access journal that aims to fill this gap. Dorota Badowska, an iScience editor, will present the scope and the goals of the journal and explain how manuscripts are processed from submission till publication.

日時： 2019年09月03日（火） 17:00～18:30
場所： 理学部3号館4F 412室
連絡先： 理学系研究科 生物科学専攻 生物情報科学科
黒田 真也（skuroda AT bs.s.u-tokyo.ac.jp）