ネットワーク解析 (1/8) - ネットワーク解析の必要性 - 遺伝子同士の相互関係制御関係はわかるだろうか? 1min. 5min. 10min. 20min. 30min. gene 1 gene 2 gene

Size: px

Start display at page:

Download "ネットワーク解析 (1/8) - ネットワーク解析の必要性 - 遺伝子同士の相互関係制御関係はわかるだろうか? 1min. 5min. 10min. 20min. 30min. gene 1 gene 2 gene"

ゆゆこふじた
5 years ago
Views:

02 1.01 0.89 0.04 3.07 1.06 1.33 gene 4 2.00 1.02 0.88 0.98 0.80 gene 5 1.02 0.99 0.

1 ネットワーク解析 (1/8) - ネットワーク解析の必要性 - 遺伝子同士の相互関係制御関係はわかるだろうか? 1min. 5min. 10min. 20min. 30min. gene 1 gene 2 gene gene gene gene n regulatory network として gene 1 gene 2 gene 3 gene 5 gene 4

2 ネットワーク解析とは? ネットワーク解析 (2/8) - ネットワーク解析とは?- マイクロアレイから得られた発現プロファイルデータを統合的に解析することで細胞内における遺伝子間相互作用の解明を目的とした研究ネットワーク解析のアルゴリズム Boolean Model (Akutsu et al. 1999) Bayesian Model (Friedman et al. 2000) 微分方程式 (Chen et al. 2000) Graphical Gaussian Model (Toh & Horimoto 2002) ネットワーク解析の目的遺伝子制御ネットワークの解明ゲノム創薬への応用

3 ネットワーク解析 (3/8) -Boolean Model ( 多階層有向グラフ )- Gene Expression Matrix Binomial relationship Adjacency Matrix G4 affects G3 Gene G1 G2 G3 G4 G3 affects G G G2 affects G G G2 affects G G G1 affects G G G1 affects G G1 affects G4 Wild type G4 deletion G3 deletion G2 deletion G1 deletion G1 G2 G3 G4 Multi-level digraph G1 Skeleton Matrix G1 G2 G3* Partition genes into equivalence sets G1 G2 G3* G2 G1 G G1 G G3*={G3,G4} G3* G3* G3*={G3,G4} G3*={G3,G4} Maki Y., et al., (2004) J.B.C.B.2(3),

ネットワーク解析 (4/8) -Boolean Model 解析例 - Energy generation ROX1 Cell cycle Other metabolism THI2 DAL82 DAL80 FZF1 HAP1 IXR1 HAP4 DST1 SWI6 SWI5 Differentiation Lipid fatty-acid metabolism PDR1 INO2 INO4

4 ネットワーク解析 (4/8) -Boolean Model 解析例 - Energy generation ROX1 Cell cycle Other metabolism THI2 DAL82 DAL80 FZF1 HAP1 IXR1 HAP4 DST1 SWI6 SWI5 Differentiation Lipid fatty-acid metabolism PDR1 INO2 INO4 PIP2 ECM22 SPS18 FLO8 MSN2 MSN4 TAP1 RFX1 RPH1 DNA repair Cell stress CHA4 HAL9 MAC1 CUP9 CIN5 HAC1HSF1 CUP2 CAD1 SDS3 SPT8 SUM1 BAS1 LYS14 SSN6 UGA3 MET28 MET4 GAT1 LEU3 GCN4 ADR1 CBF1 SPT6 SNF6 HDA1 SNF2 Chromatin/ Chromosome structure Amino acid metabolism ASH1 RME1 SKN7 HMS2 IME1 Carbohydrate metabolism YFL052W YPR196W CAT8 RTG1 GAL4 RTG3 MIG1 HAP2 PHO4 NRG1 RGT1 MIG2 MAL33 ALPHA1 STE12 SIN3 UME6 IME4 ALPHA2 KAR4 Meiosis/Mating response Boolean Model による転写因子の相互作用ネットワーク細胞分裂から DNA 複製への転写因子ネットワーク Aburatani, S. et al. DNA Res. 2003

5 ネットワーク解析 (5/8) - Bayesian Model- 各遺伝子が他の遺伝子から受ける影響を条件付き確率で表したグラフ G G2 G G4 G5 0.5 ある遺伝子が 1 になったときその遺伝子の影響を受ける他の遺伝子が 1 になる確率非循環グラフ初期状態を決め次のステップの各遺伝子の発現確率を求める適用例が最も多い計算時間がかかる

6 ネットワーク解析 (6/8) -graphical Gaussian model- 相関係数行列 A B C 偏相関係数行列 A B C

7 ネットワーク解析 (7/8) -graphical Gaussian model 解析例 - E.coli の SOS 応答遺伝子群の制御ネットワーク Aburatani, S. et al. Res. Commun. Biochem. Cell Mol. Biol. in press Aburatani, S. et al. Genome Informatics 2005

8 ネットワーク解析 (8/8) - 薬剤ターゲット遺伝子の同定 - 既存の市販抗真菌剤 Griseofulvin フェノタイプ有糸分裂時の紡錘体並びに染色体構造に阻害紡錘体形成に関連する遺伝子

9 プロテオームプロテオーム解析とは? 発現プロテオーム発現プロテオームとは? 発現プロテオームの実験的手法発現プロテオームのインフォマティクス相互作用プロテオーム相互作用プロテオームとは? 相互作用プロテオームの実験的手法タンパク質相互作用のインフォマティクス

10 プロテオーム解析とは?(1/3) - プロテオームの基本 - 定義由来生物のゲノムの産物の総和すなわち個体あるいは一つの細胞で発現しているタンパク質全ての動態を要素とする集合タンパク質を意味する Protein と Genome を組み合わせて作られた造語目的従来のように 1 つあるいは少数のタンパク質に限らずタンパク質群が生物活性を発現する様子を系統的網羅的に解析することを目的としている

11 プロテオーム解析とは?(2/3) - 代表的プロテオーム解析 - 1. タンパク質の同定質量分析法 2. タンパク質のプロファイリング ( 発現プロテオーム ) 二次元電気泳動法 3. タンパク質の相互作用解析 ( 機能プロテオーム ) 酵母 2 ハイブリッド法 (Y2H) PD-MS 法

12 プロテオーム解析とは?(3/3) - プロテオーム解析のフローチャート - タンパク質の分離精製遺伝子の同定ゲノム情報相同性検索タンパク質の特性動態翻訳後修飾代謝速度会合タンパク質の機能解明立体構造相互作用発現量発現時期阻害作用酵素活性アミノ酸組成局在性生理作用データベース化

13 質量分析法 (1/6) - 質量分析法とは?- タンパク質の質量 ( 分子量 ) を測定する技術質量分析装置タンパク質やタンパク質をプロテアーゼ処理して得られるペプチドの質量を正確に測定する装置ペプチドを質量分析計内部で断片化し断片の質量解析から構造情報 ( アミノ酸配列やアミノ酸組成など ) を得ることができる装置

14 質量分析法 (2/6) - 質量分析装置 (MS) の構成 - イオン源試料をイオン化し生成イオンを質量分析計の方向へ加速質量分析計イオンを m/z( 質量 / 電荷 ) に従い分離イオン検出器分離されたイオンを検出

15 ペプチドの単離質量分析法 (3/6) - 質量分析装置 (MS) のストラテジー - 質量分析による配列決定データベースとの照合 ( 質量タグ法 ) Database LVNEVTEFAK

16 質量分析法 (4/6) - 質量タグ法 - タンパク質の酵素消化断片の質量値と MS/MSによる部分的な内部配列情報を用いてデータベース検索を行いタンパク質を同定する方法 m/z = MS MS/MS Database 大田佳宏実験医学別冊羊土社 2003 LVNEVTEFAK L V N E V T E F A K

17 質量分析法 (5/6) - 質量分析装置 (MS) を用いたプロテオーム解析 - 二次元電気泳動染色画像解析スポットの切り出しプロテアーゼ処理ペプチドの抽出 MALDI-TOF MS ナノ LC-MS/MS プロファイリングタンパク質同定

18 質量分析法 (6/6) - プロテオーム解析における MS の役割 - タンパク質の同定タンパク質の定量ペプチドマスフィンガープリンティング MS/MS による配列分析ショットガン分析同位体標識法タンパク質の翻訳後修飾の解析タンパク質タンパク質相互作用の解析 BIA-MS 表面プラズモン共鳴測定

19 網羅的プロテオーム解析 - 発現プロテオームと相互作用プロテオーム - 発現プロテオーム生体細胞内において発現しているタンパク質の網羅的解析相互作用プロテオームプロテオームレベルでのタンパク質間の相互作用の解析システムとしての生命現象の解明疾患関連タンパク質パスウェイ発見による発病の機構解明薬物の作用機構の解明

20 発現プロテオームの実験的手法二次元電気泳動質量分析発現プロテオーム (1/6) - 実験的手法 - 同位体標識法分子スキャナーアフィニティークロマトグラフィー

21 発現プロテオーム (2/6) - 発現プロテオームとは?- 網羅的解析細胞内のタンパク質を網羅的に解析し全てのタンパク質の機能を解明しようとする研究ディファレンシャルディスプレイ病気薬物ストレス成長分化などで特異的に変動するタンパク質を解析する研究生体細胞内で発現しているタンパク質の同定発現しているタンパク質の機能の解明

22 プロテオーム解析発現プロテオーム (3/6) - 二次元電気泳動とは?- 数千個程度のタンパク質の解析問題高速液体クロマトグラフィー SDS-PAGE IEF 100 種類程度の分離能分離分析法を多次元的に複合が必要解決の 2 つのパラメータで網羅できるタンパク質における物理化学的パラメータ

23 発現プロテオーム (4/6) - 二次元電気泳動法 -

24 発現プロテオーム (5/6) - ディファレンシャルディスプレイ -

25 発現プロテオーム (6/6) - 発現プロテオームにおけるインフォマティクス -

26 相互作用プロテオーム (1/12) - 相互作用プロテオームとは?- 高次の生命現象はタンパク質間のネットワークに担われているタンパク質間相互作用の網羅的解析が必要

27 相互作用プロテオーム (2/12) - 相互作用プロテオーム研究 - 相互作用プロテオームの実験的手法 PD-MS 法 ( プルダウンー質量分析法 ) TAP 法 Y2H ( 酵母 2 ハイブリッド法 ) タンパク質の相互作用の情報解析ドッキングシミュレーション : 相互作用の分子機構に関する解析予測タンパク質間相互作用のインフォマティクス : ゲノム情報を利用したタンパク質間の相互作用の予測

28 相互作用プロテオーム (3/12) - 質量分析によるタンパク質複合体解析法 - プルダウン - 質量分析法 (PD-MS 法 ) TAP 法

29 相互作用プロテオーム (4/12) -PD-MS 法 - 発現プラスミド細胞アフィニティービーズプルダウン bait タンパクトランスフェクション細胞の可溶化複合体の分離質量分析によるアミノ酸配列の決定複合タンパク質の同定タンパク質間相互作用の解明プロテアーゼによる限定分解家村俊一郎実験医学別冊注目のプロテオミクスの全貌を知る羊土社 pp

30 相互作用プロテオーム (5/12) -TAP 法 - 原理の異なる 2 種類の PD により非特異的吸着を極力排し質の高いデータを獲得 bait TAP タグプロテアーゼ処理タンパク質複合体の分離複合タンパク質の同定家村俊一郎実験医学別冊注目のプロテオミクスの全貌を知る羊土社 pp

31 相互作用プロテオーム (6/12) -Y2H の原理 - X と Y が相互作用する場合 DBD DNA 結合ドメイン AD 転写活性化ドメイン X Y AD ON DBD cis element 基本転写装置 reporter gene X と Z が相互作用しない場合 Z AD X DBD cis element 基本転写装置 OFF reporter gene Fields, S. et al. Nature vol

32 相互作用プロテオーム (7/12) - 大規模 Y2H 解析からのプロテインネットワーク - 大規模 Y2H 解析時間的空間的には共存しない複合体を含んだ巨大ネットワーク既存知識の参照同定された Y2H 相互作用に生物学的なもっともらしさの判断基準となる情報を付加局所的ネットワークの構築

33 相互作用プロテオーム (8/12) - タンパク質間相互作用に関するインフォマティクス - タンパク質間相互作用の分子機構に関する解析予測ドッキングシミュレーションゲノム情報を利用したタンパク質間相互作用推測 Conservation of Gene Neighborhood Phylogenetic Profile 法 Rosetta Stone 法 Mirror Tree 法 in silico 2-hybrid 法 Sequence Motif 法 Joint 法藤博幸市原寿子実験医学別冊注目のプロテオミクスの全貌を知る羊土社 pp

34 相互作用プロテオーム (9/12) -Conservation of Gene Neighborhood- 複数の細菌ゲノムにおいてオーソロガスな遺伝子のペアが近接してもしくは同じ順序で存在する場合その遺伝子がコードするタンパク質は機能的に関連があると考えてネットワークを再構築する方法 Berend, S. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol.99; ;2002

35 相互作用プロテオーム (10/12) -Phylogenetic profile 法 - 相互作用する遺伝子は進化の過程でゲノム中でともに保存されるかあるいは消滅するという仮定のもとゲノム上における有無の挙動が類似するものは機能的にリンクしたものであると推測していく方法 Pellegrini, M. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol.96; ;1999

36 相互作用プロテオーム (11/12) -Rosetta Stone 法 - あるゲノムでは別の遺伝子としてコードされている 2 つのタンパク質が別のゲノムでは融合した 1 つの遺伝子としてコードされている場合この 2 つのタンパク質は機能的に関連があると推測する Enright, A.J., et al. Nature Vol.402;86-90;1999 Marcotte, et al. Science Vol.285; ;1999

37 ホモロジー検索サーバ相互作用プロテオーム (12/12) - プロテオーム解析用ソフトウェア - FASTA BLAST MOTIF ペプチドの質量スペクトルからタンパク質を同定するためのソフトウエアアミノ酸組成によるタンパク質の同定 AACompIdent ProteinProspector 翻訳後修飾の推定 FindMod GlycoMod ペプチドマスフィンガープリンティングシークエンス検索 Mascot MassSearch h_form_select.html

38 まとめトランスクリプトームプロテオーム研究の目指すものトランスクリプトームプロテオーム研究とバイオインフォマティクス

39 まとめ (1/2) - トランスクリプトームプロテオーム研究の目指すもの - トランスクリプトームプロテオーム研究とはこれまでの個々の遺伝子やタンパク質を対象とした研究と異なり生体細胞内で実際に機能している遺伝子やタンパク質全体を対象とした網羅的包括的な解析研究トランスクリプトームプロテオーム研究の目的とは未知遺伝子やタンパク質の機能推定遺伝子間タンパク質間の相互作用の解明トランスクリプトームプロテオーム研究の将来は高次生命システムの解明医薬への応用

40 まとめ (2/2) - バイオインフォマティクスの役割 - 大量データのデータベース化から数理モデルによる数値データの解析に数値データの解析によって最終的な生物学的知見を得るまでの解析研究網羅的実験データマイクロアレイ Y2H Biological meaning? = その他の生物学的情報 KEGG EcoCyc PDB 既知の配列情報 GenBank Transfac TIGER

41 トランスクリプトーム解析プロテオーム解析入門於独立行政法人科学技術振興機構住宅棟 1 階会議室産業技術総合研究所生命情報工学研究センター油谷幸代

1_alignment.ppt

1_alignment.ppt " " " " n " n n " n " n n n " n n n n " n LGPSSKQTGKGW-SRIWDN! + +! LN-ITKSAGKGAIMRLGDA! " n -------TGKG--------!! -------AGKG--------! " n w w w " n w w " " " 11 12 " n w w w " n w w A! M! O! A!

ネットワーク解析 (1/8) - ネットワーク解析の必要性 - 遺伝子同士の相互関係 制御関係はわかるだろうか? 1min. 5min. 10min. 20min. 30min. gene 1 gene 2 gene

ネットワーク解析 (1/8) - ネットワーク解析の必要性 - 遺伝子同士の相互関係制御関係はわかるだろうか? 1min. 5min. 10min. 20min. 30min. gene 1 gene 2 gene