研究内容

研究概要

  製剤機能解析学分野は、分析科学を基軸とし、生体構成分子の計測を通じて細胞や分子の機能を解明することを標榜しています。中でも、質量分析、微量分離分析、計算科学や細胞生物学等を駆使したプロテオーム解析の方法論開発やそれに基づく細胞機能解析や医薬品開発への応用などに挑戦しています。具体的には、以下の5つの項目について研究を行っています。

  1. プロテオミクス新規計測技術の開発
  2. ヒトプロテオーム一斉定量分析に基づく細胞機能解析
  3. 細胞内リン酸化ネットワークの解明
  4. 微量組織試料の大規模定量解析と臨床プロテオミクスへの展開
  5. プロテオミクス技術を用いた分子標的創薬に関する研究
  プロテオーム研究は、ゲノムや遺伝子研究とは違い、いまだに計測技術がボトルネックとなっており、細胞内で発現しているタンパク質のすべてをまとめて計測することができていません。また、プロテオーム研究の対象となる(1)タンパク質の発現、(2)タンパク質の局在、(3)タンパク質間相互作用、(4)タンパク質の翻訳後修飾・プロセッシング・スプライシングといったことについても、計測技術的な課題がバリアとなり、十分に研究が進んでいません。私達は、これらの計測技術的な課題に取り組むとともに、新技術開発で拓かれた分野については生物学的な展開までやりきることを目標にしています。

TT5600 MS analysis 図1 NanoLC-MSによるプロテオーム一斉解析例
左:3.5メートル長の自作カラムを用いたnanoLC-MSシステム。
右:大腸菌タンパク質一斉解析におけるトータルイオンカレントクロマトグラム。マイクロアレイ規模でのタンパク質同定が可能となった。

  新規計測技術として、複雑でダイナミックレンジの広い試料を究極の分離分析法でオンライン分離しながら質量分析計で測定し、独自のデータ処理システムで解析するシステムの開発に取り組んでいます。具体的には、ガスクロマトグラフィーで用いるようなメートル長のキャピラリーカラム(理論段数1,000,000段を超える世界最高性能の液体クロマトグラフィー用カラム)を研究室内で作製し、この超高分離能システムを用いて細胞内で発現している全タンパク質の一斉分析を行っています(図1)。すでに大腸菌などの生物では発現している全タンパク質の一斉分析が可能になっており、ヒトなどの高等生物のプロテオーム解析への展開も進んでいます。また定量解析や高感度化のための技術開発も行っています。
  さて、細胞内シグナル伝達ネットワークにおいて、キナーゼやホスファターゼによる可逆的リン酸化修飾反応は中心的な役割を果たしています。リン酸化を受けるタンパク質は全ヒトタンパク質の30%程度であると推測されていました。私達は、独自のリン酸化ペプチド濃縮法を開発し、リン酸化プロテオーム解析に応用してきました。その結果、当研究室での成果が、公共データベースUniProt中に集積されている世界中の研究成果の合計よりも2倍以上優れており、ヒトタンパク質の70%以上がリン酸化修飾をうけていることが分かってきました。ところがそれらの責任キナーゼやホスファターゼのほとんどは不明です。細胞内のリン酸化ネットワークがどのように構成されているかを実験的および計算科学的手法を用いて解明することが次の課題となっています。
  細胞内シグナル異常に基づく様々な疾病のうち、特にがんは我が国の死亡率第1位を占めています。私達が開発したリン酸化プロテオミクスシステムをがん分子標的薬のin vivoプロファイリングに応用し創薬支援ツールとして開発するとともに、様々な疾病におけるリン酸化異常をスクリーニングするシステムとしての応用研究も展開中です。さらに、新規に見つかってきた機能未知のリン酸化タンパク質のシグナル伝達ネットワーク解析も行っています。また、リン酸化修飾に加え、他の翻訳後修飾プロテオミクスについてもその測定システムを開発中です。

主要論文

  • Iwasaki et al., One-dimensional capillary liquid chromatographic separation coupled with tandem mass spectrometry unveils the Escherichia coli proteome on a microarray scale. Anal. Chem., 82, 2616-20, 2010.
  • Imamura et al., Towards the systematic discovery of signal transduction networks using phosphorylation dynamics data. BMC Bioinformatics 11(1), 232, 2010.
  • Sugiyama et al., Phosphopeptide enrichment by aliphatic hydroxy acid-modified metal oxide chromatography for nano-LC-MS/MS in proteomics applications. Mol. Cell. Proteomics 6, 1103-9, 2007.
  • Ishihama et al., Quantitative mouse brain proteomics using culture-derived isotope tags as internal standards. Nat. Biotechnol. 23, 617-21, 2005.