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2 Saito R.

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4 1 [1, 2] 1950 microorganism 10µm 1µm Escherichia coli bacteria 1 1: 17 ( 1) (Gene) ( 2) 2: ( ) [3] 1900 DNA deoxyribonucleic acid 1 ( ) 1-4

5 1928 Streptococcus pneumoniae DNA DNA 1953 ( 3) DNA 1. DNA (A) (G) (C) (T) 4 (4 ) 2. (A T C G) DNA DNA mrna (, central dogma) ( : DNA promoter

6 1: 2 70% (H 2 O) 1 20 ( 7) (6 ) 4 3 DNA mrna RNA: ribonucleic acid RNA mrna (central dogma) 3-6

7 DNA RNA mrna ( ) mrna RNA DNA (mrna ) ( ) 4: 3 5 RNA 4 2 DNA RNA DNA DNA (A: adenine) (G: guanine) (C: cytosine) (T: thymine) 4 (DNA ) ( 6) RNA 3 mrna( RNA: messenger) trna( RNA: transfer) rrna( RNA: ribosome) 2 RNA (U: 2 srna mirna RNA [4] 4-7

8 laci lacz ( ) ( ) 水 素 結 合 5: Lac NH 2 リン 酸 基 塩 基 NH 2 N - O O P O O - CH 2 O N N O 2.0 nm -O O P O - O CH 2 O N O - O O P O O - NH 2 N 3.4 nm OH OH 糖 CH 2 O N O ヌクレオチド OH 6: DNA P: S: A: G: C: T: 4-8

9 uracyl) 4 (RNA ) DNA (base pair) DNA base (b) base pair (bp) (-COOH) (NH2-) 4 1. Ara, Val, Leu, Ile, Met, Trp, Phe, Pro 2. Gly, Ser, Thr, Cys, Tyr, Asp, Gln 3. Lys, His, Arg 4. Asp, Glu α- β ( 8) 8: [5]

10 gly G Glycine ala A Alanine arg R Arginine asn N Asparagine asp D Aspartic acid cys C Cysteine gln Q Glutamine glu E Glutamic acid his H Histidine ile I Isoleucine leu L leucine lys lysine met M Methionine phe F Phenylalanine pro P Proline ser S Serine thr T Threonine trp W Tryptophan tyr Y Tyrosine val V Valine 7:

11 転 写 開 始 点 コード 領 域 プロモーター aactataatgaaccaactgcttac ctggagatgaatatgagctatacc gcgaaaaaataatcatttg ttgatattacttggttgacgaatg gacctctacttatactcgatatgg cgcttttttattagtaaac 転 写 開 始 コドン 終 止 コドン Caacugcuuac cuggagaugaauaugagcuauacc gcgaaaaaauaaucauuug 翻 訳 M S Y T アミノ 酸 配 列 A DNA mrna タンパク 質 9: DNA ( ) soda soda DNA 2 DNA mrna mrna genetic code 2 9 AUG (M) AGC (S) 2 3 DNA DNA 7 7 4,000 4,000,000 DNA 30, ,000 3,000,000,000 DNA 5 100,

12 UC A G U C A G 終 止 Trp 終 止 UUU Phe F UCU Ser S UAU Tyr Y UGU Cys C UUC Phe F UCC Ser S UAC Tyr Y UGC Cys C UUA Leu L UCA Ser S UAA Ochre UGA Opal UUG Leu L UCG Ser S UAG Amber TrpW CUU Leu L CCU Pro P CAU His H CGU Arg R CUC Leu L CCC Pro P CAC His H CGC Arg R CUA Leu L CCA Pro P CAA Gln Q CGA Arg R CUG Leu L CCG Pro P CAG Gln Q CGG Arg R AUU Ile I ACU Thr T AAU Asn N AGU Ser S AUC Ile I ACC Thr T AAC Asn N AGC Ser S AUA Ile I ACA Thr T AAA Lys AGA Arg R AUG Met M ACG Thr T AAG Lys AGG Arg R GUU Val V GCU Ala A GAU Asp D GGU Gly G GUC Val V GCC Ala A GAC Asp D GGC Gly G GUA Val V GCA Ala A GAA Glu E GGA Gly G GUG Val V GCG Ala A GAG Glu E GGG Gly G 2: 止 UGGTrp 1 3 mrna T U 7-12

13 genome: gene chromosome ( 10) 1995 TIGR The Institute for Genomic Research Mycoplasma genitalium 1,000 [6] [7, 8] ( 11) bioinformatics [9] 10: (homology search) ( 12) BLAST [10, 11] (10 ) [12]

14 塩 基 数 90,000,000,000 80,000,000,000 70,000,000,000 60,000,000,000 50,000,000,000 40,000,000,000 30,000,000,000 20,000,000,000 10,000,000,000 塩 基 数 エントリー 数 エントリー 数 90,000,000 80,000,000 70,000,000 60,000,000 50,000,000 40,000,000 30,000,000 20,000,000 10,000, 年 (12 月 ) 11: GenBank in vitro 13: 100 ( 13) 8-14

15 ヒットした 配 列 #1 入 力 配 列 類 似 部 分 データベースに 登 録 があった 類 似 配 列 >ref NP_ FOS-like antigen 2 [Gallus gallus] Length=323 配 列 情 報 配 列 類 似 性 に 関 する 情 報 Score = 143 bits (361), Expect = 3e-32 Identities = 115/252 (45%), Positives = 155/252 (61%), Gaps = 21/252 (8%) Frame = +1 Query 133 GSFLFTAACGTGNSPHLCPEPARSRRLSPSVLF*DFCTDLAVSSANFIPTVTAISTSPDL 312 GSF ++ +G+ H PEP + F D+ S + FIPT+ AI+TS DL Sbjct 7 GSFDTSSRGSSGSPGH--PEPYSAGAAQQ-----FRVDMPGSGSAFIPTINAITTSQDL 59 Query 313 QWLVQPALVSSVAPSQTRAPHPFGVPAPSAG------AYSRAGVVTMTGGRAQSIGRRG 474 QW+VQP +++S++ +R+ HP+ P P A R GV+T+ ++GRR Sbjct 60 QWMVQPTVITSMSSPYSRS-HPYSHPLPPLSSVAGHTALQRPGVITI----GTTVGRRR 114 Query 475 VEQLSPeeeekrrirrerNMAAACRNRRRELTDTLQAETDQLEDESALQTEIANll EQLSPEEEERRIRRERN+AAACRNRRRELT+ LQAET+ LE+ES LQ EIA L Sbjct 115 RDEQLSPEEEERRIRRERNLAAACRNRRRELTELQAETEVLEEESVLQEIAELQ 174 Query 655 kekeklefilaahrpaci-pddlgfpeemsvasl--dltgglpevatpeseeaftlpll 825 EELEF+L AH P CI P++ P S+ S+ +G + P EE + L+ Sbjct 175 EELEFMLVAHSPVCISPEERRSPPTSSLQSVRTGASGAVVVQEPVEEEIPSSSLV 234 Query 826 NDPEPPSVEPV 861 D + ++P+ Sbjct 235 LDAQRSVIPI 246 ヒットした 配 列 #2 >gb AAS proto-oncogene protein c-fos [Phodopus roborowski] Length=108 Score = 142 bits (357), Expect = 9e-32 Identities = 84/89 (94%), Positives = 84/89 (94%), Gaps = 1/89 (1%) Frame = +1 Query 913 FPASSRPSGSET-ARSVPDMDLSGSFYAADWEPLHSGSLGMGPMATELEPLctpvvtctp 1089 F ASSRPSGSET ARSVPDMDLSGSFYAADWEPLHS SLGMGPMATELEPLCTPVVTCTP Sbjct 1 FSASSRPSGSETTARSVPDMDLSGSFYAADWEPLHSSSLGMGPMATELEPLCTPVVTCTP 60 Query 1090 sctaytssfvftypeadsfpscaaahrg 1176 SCT YTSSFVFTYPE DSFPSCAAAHRG Sbjct 61 SCTTYTSSFVFTYPETDSFPSCAAAHRG 89 12: FOS 8-15

16 (7 ) 2 1 DNA F F F F 1973 DNA ( 12 ) 9 DNA PCR 6 DNA 7 [13, 14] X 6 (Polymerase Chain Reaction) DNA

17 溶 液 中 の 様 々な 物 質 が 一 定 の 方 向 へ 移 動 ピーク 物 質 の 性 質 の 違 いによって 物 質 が 分 かれ ピークの 面 積 からそれぞれの 物 質 の 濃 度 が 得 られる 14: ( ) ( ) 9-17

18 l s x l,s, y l,s y l,s = L l S s x l,s (1) L l S s l s ˆl, ŝ l s 1 xˆl,s / yˆl,s = x l,s / y l,s = S ŝ (2) xˆl,ŝ yˆl,ŝ x l,ŝ y l,ŝ S s (xˆl,s ) (xˆl,ŝ ) (yˆl,s, yˆl,ŝ ) x l,ŝ (y l,s, y l,ŝ ) 2 x l,s [15] ( ) 14( ) [16] 8 9 (m/z) 10-18

19 15: expanda (edge) 10 [17] 10 (Systems biology)

20 8. AATF 9. Asn-syn Oxaloacetate Aspartate Asparagine I III Glutamate α G NH 3 ATP PPi AMP ATP 1. A I,II,III ADP NAD 2. ASD 3. HDH 4. HS 5. TS + NADH+H+ Aspartyl-P ASA Homoserine Homoserine-P Threonine 7. TDH Pi NADPH+H + NADP+ NADPH+H + NADP + ATP ADP H 2O Pi 10. Lys-syn 12. Met-syn NH 3 6. TDA Aminacetone Lysine Methionine Isoleucine 11. Lys-degr 16: [20] RNA ) [18] 2000 Curagen [19] RNA 11 ( 15)[25, 26] ATP CE-MS 12 ( 17) [13] (-ome) (Genome) (Gene) 3 11 RNA

21 17: CE-MS( - )( ) ( ) Genome DNA cdna Transcriptome CAGE RNA-Seq MALDI-TOFMS Proteome LC-MS Protein Chip CE-MS LC-MS Metabolome GC-MS 3: 10-21

22 dasp = V1 dt daspp = V1 V dt dasa = V2 V3 dt dhs = V3 V4 dt dhsp = V4 V5 dt dthr = V5 dt dnadph = dt 2 ( V + V ) 2 3 V = 1 V = V V V = 5 ( ) Vm 11 ASP Vm 13 ASP + V 2 m ASP + 11 L ASP L ASPP NADPH ASA Vm2F Vm 2B 2ASPP 2NADPH 2ASA ASPP NADPH ASA ASPP 2NADPH 2ASA ASA NADPH HS Vm3F Vm3B 3ASA 3NADPH 3HS ASA NADPH HS ASA 3NADPH 3HS Vm 4F HS V B L T + 1 HS + + 4HS 1 4L 4T Vm5.HSP 1 HSP + 5HSP T + 1 5T 1B ASPP NADP = = 2NADP 3NADP NADP 3NADP 2NADP NADP NADP.HSP 18: ( 19) 1996 E-CELL ( 20)[21, 22, 23] (7 ) 480 (7 )

23 denom 2] 1][ [ 2] 1][ [ ] [ = eq er ef P P S S E v iq ms er eq ef is eq mp ef er eq mp ef eq mp ef ms er ms er P S P P P S S S P P S S 2] 2][ [ 2] 1][ [ 1] 1][ [ 2] 1][ [ 2] [ 1] [ 2] [ 1] [ denom = 3-ketoacyl-CoA thiolase Acyl-CoA dehydrogenase Enoyl-CoA hydratase 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (X)anoyl-CoA ETF(ox) 3-Oxo(X)anoyl-CoA NADH NAD+ -hydroxy(x)anoyl-coa trans-(x)-2-enoyl-coa ETF(red) substance /CELL/CYTOPLASM/ATP ATP 12000; substance /CELL/CYTOPLASM/ADP ADP 14000; reactor t t = t = 19: (wet) 11-23

24

25 20: E-CELL 11-25

26 グルコース 排 出 脂 肪 酸 グリセロール 解 糖 系 ATP 乳 酸 リン 脂 質 二 重 膜 の 生 成 脂 質 生 合 成 系 リン 脂 質 ATP 127 遺 伝 子 タンパク 質 分 解 転 写 機 構 ATP mrna trna rrna 翻 訳 機 構 21: TIGR Claig Venter ATP RNA ATP trna 2 rrna RNA E-CELL 13 mrna

27 22: E-Cell 3D ( ) ATP ATP E-CELL 2005 [24] E-CELL E-Cell 2010 (GUI) E-Cell IDE 11-27

28 (a) (b) (c) ゲノム プラスミド 23: (a) ( ) DNA ( DNA ) (b) PCR (c) 3 ( 22)[27] 12 8 DNA ( ) ( ) (transformation) ( 23) ( ) DNA 24 DNA DNA DNA DNA (ES ) 12-28

29 DNA mrna タンパク 質 遺 伝 子 変 異 転 写 翻 訳 タンパク 質 の 変 異 24: DNA DNA ( ) 1 (a) (b) (c) (d) c <200 <10 <500 25: (a) (b) DNA (c) (d) ( 1 kbp, 1,000 ) [30]

30 [28] Venter ( 25)[29, 30]

31 1. (central dogma) (a) DNA RNA (b) mrna 2. thr catccatgaaacgcatt...ggtgcgggctgacgcgt 9 (a) DNA (b) DNA DNA

32 [1] Alberts B et al. Molecular Biology of the Cell (4th edition) Garland Pub (2002/03) [2] Alberts B et al., Essential ( 2 ) (2005/09) [3] G., Gordon Edlin( ),,,,,, ( ) (1992/04) [4] ( ) Non-coding RNA (2006/04) [5] Zhang Y, Baranov PV, Atkins JF, Gladyshev VN (2005) Pyrrolysine and selenocysteine use dissimilar decoding strategies. J Biol Chem. 280(21): [6] Fraser CM et al.(1995) The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science 270(5235): [7] Lander ES et al.(2001) Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature. 409(6822): [8] Venter JC et al.(2001) The sequence of the human genome. Science. 291(5507): [9] ( ) ( ) (2005/07) [10] Altschul SF et al.(1990) Basic local alignment search tool. J Mol Biol 215(3): [11] ent WJ.(2002) BLAT the BLAST-like alignment tool. Genome Res. 12(4): [12] Arakawa, Mori, Ikeda, Matsuzaki T, obayashi Y, Tomita M(2003) G-language Genome Analysis Environment: a workbench for nucleotide sequence data mining. Bioinformatics 19(2): [13] ( ) (2003/11) [14] (2009/4) [15] (2001/03) [16] (2001/10) [17] Ishii N, Nakahigashi, Baba T, Robert M, Soga T, anai A, Hirasawa T, Naba M, Hirai, Hoque A, Ho PY, akazu Y, Sugawara, Igarashi S, Harada S, Masuda T, Sugiyama N, Togashi T, Hasegawa M, Takai Y, Yugi, Arakawa, Iwata N, Toya Y, Nakayama Y, Nishioka T, Shimizu, Mori H, Tomita M(2007) Multiple High-Throughput Analyses Monitor the Response of E. coli to Perturbations Science 316(5824):593-7

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34 DNA, 1-4, 4-7 mrna, 3-6 RNA, 4-7, 3-6, 6-9, 7-11, 1-4, 2-5, 4-7, 12-28, 2-5, 3-6, 4-7, 3-6, 9-16, 12-28, 2-5, 4-7, 1-4, 9-16, 3-6, 10-20, 11-22, 1-4, 9-16, 12-28, 8-13, 10-20, 3-6, 7-11, 7-11, 10-19, 11-22, 9-16, 2-5, 3-6, 8-13, 10-20, 1-4, 3-6, 6-9, 2-5, 3-6, 3-6, 4-7, 10-18, 8-13

35 Committee Molecular Biology Ohashi Y. Simulation ikuchi S., Saito R. Remaining Parts Saito R.(Editor), Ito T., Saito N. Manuscript Proofreading Ishii N., Sato A., Tsuge., Masuda T., Otomo., ochiwa H., Otani N., uroki A., Tomita M. Special thanks to Prof. Itaya M. & Dr. Takahashi. SBC SBC SSC BFG

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