生物医学研究の新しい基軸としてのGenome-Omics-Pathway Network-Digital

神沼 二眞（かみぬま つぐちか）
広島大学大学院理学研究科
量子生命科学プロジェクト研究センター

ヒトゲノム解読計画終了後の新目標• Human genome near complete: Oct. 21, 2004, Nature• Sequencingの継続、遺伝的多様性の解明
ヒトの遺伝的変異の解析：SNPs、HapMap解析
遺伝子の多様性⇒発現量、Non-coding領域の解明へ
疾患と遺伝子の関係解明• Sequenceからタンパク質の構造や機能へ• 転写因子機構の解明：
Histon-DNA, クロマチン構造、RNAi・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• Pathway/Networkの解明：Systems Biology？
• Digital Developmental Biology• Digital Physiology

Pathway/Networkへの関心が急浮上！
• 代謝マップ
Ｍｅｔａｂｏｌｉｃ Map/Ｐａｔｈｗａｙ• 信号伝達系
Signal Transition Network• 遺伝子制御網
Ｇｅｎｅ Ｒｅｇｕａｌｔｏｒｙ Ｎｅｔｗｏｒｋ

Pathway/Networkを制御する薬• 最初の分子標的薬: Gleeveck(imtinib mesylate)• Novartis• Abl(Abelson eukemia virus)
Kinase阻害剤• 競合構造約 500• 急性骨髄性白血病薬, 2001年
5月承認
・・・・・・• EGFR tyrosine kinase阻害剤• Iressa, Tarceva
M.E.M. Noble,.. Science, 303, 19 March, 2004, pp. 1800-1804.

Putative pathways for immune drug discovery
PI3K

P13K, AKT/PKB, PDK, PTEN, mTOR, GSK3β

Cancer、 rheumatoid arthritis,
inflammation, respiratory
diseaseMAPK

ERK pathway: ERK1, ERK2, EGFR (RTK),HER2(RTK), B-RAF, MEK1, MEK2JNK pathway: JNK1, JNKKP38 pathway: p38α,β,γ,σ, MAPKAPK2Inflammation, rheumatoid
arthritis, cancer, andneurological diseases(Parkinson)

Tyrosinkinase (RTK )EphB3, c-Met, EGFR, HER2, VEGFR, FGFR, PDGFR, Cancer, diabetes,
FLT3, Src, Lck AbI
rheumatoid

arthritis/inflammation

Integrin

ILK, Integrin (αV/β3, α2/β1, α4/β1)

Inflammation, cancer, peripheral
vascular disease, respiratory
disease

Proinflammatory

TNF-α, TNF-α receptor, TACE, IKK-α,-β,-γ,IL-1, IL-1R, IRAK1, IRAK2, IRAK3, IRAK4, IL-6, IL6R, Toll-like receptors, BlyS (BAFF), CD40L,LT-β, GM-CSF

Rheumatoid arthritis andinflammatory disorders,autoimmune disorders, cancer

Antiinflammatory

IL-2, IL-2R, IL-4, IL-4R, IL10, IL-10R

Inflammation, cancer

ChemokineCXCR2, CCR3, CCR4, CCR5, CCR6, ERK, AKT, p38

Cardiovascular disease,inflammation, infection,
metabolic disease, respiratory
disease, cancer

T-Cell, B-Cell

TCR, calcineurin, IgE, FceRI, FceRII, kinases

Immune response, allergicdisorders生物医学の新時代: 新しい研究の基盤軸
GenomeOmics
Transcriptomics
Proteomics

Pathway

現実の世界を変える

Metabon/lomics
Protein-Protein

NetworkDevelopmentToxicity

従来型の研究Disease

個別事象の解明薬の開発・毒性
新生物合成
ゲノム医療
ゲノム栄養学

Genome-Omics-Pathway/Network-Disease

健康法

基礎生物医学から臨床医学
Level
Physiology

Etiology Model

Information Model
Physical Exams.
X-ray, MRI, ECG

Tissue/Organ
Cell

Cellular Assays

Path/Net
Proteins
Metabolites
Genes

Chemical Analysis
Genetic Test/Omics

生命科学の潮流の変化• 総合科学としての性格が強くなった
Integrated Biology• 理論計算の専門家の協力が不可欠
いわゆるSystems Biologyへの関心• 基礎生物学のゴールが見えてきた• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• 医学健康科学への基礎研究者の関心増大• 生物の改変、創造技術 Synthetic Biology• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• 研究組織が学際的になってきた• Project Managementが難しくなってきた

情報計算手法の役割が急拡大• 入手可能なデータと知識の爆発• 膨大なデータの解析には理論と道具が必要
生物医学統計⇒Omicsデータ解析
Modeling/Simulation• 知識の爆発に対処する環境と専門家の支援
Data/Knowledge Base, Ontology, Semantic Net.
• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• 実験グループに理論計算の専門家が参加• 理論生物物理学への関心増加• 学会のTutorial、大学の講座、共同研究のための訓練

NIHのRoadmap• Elias A. Zerhouni( IBC's 9th Annual Drug Discovery Technology WorldCongress, http://www.drugdisc.com/ )・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
新戦略項目• New Pathways to Discovery- Building Blocks, Pathways, and Networks- Molecular Libraries and Imaging- Structure Biology- Bioinformatics and Computational Biology- Nanomedicine• Research Teams of the Future• Re-engineering the Clinical Research Enterprise行動目標：機会をいかす！
• 自律的な研究課題を発見する努力• 支援的な活動と自律的な研究のバランス感覚• 実験家との対話の機会を増やす• 生物学と関連科学を深く理解する努力• 生物関連科学の超高速学習法、教材の開発• Job Market/Carrier Up Programの整備• 学校と学会の改革

発生過程の再構成：線虫：C.elegans (Caenorhabditis elegans)

体細胞数 約１０００； 受精卵は２１度C, 約１１時間で孵化、３日で親となる

ＣＥＲＳ（http://geo.nihs.go.jp/cers/） Developmental Animation
C.elegans

1980-90年代

Cell-lineageand positions

中央大学

VRML

学部卒研&JAVA

物理学科

ヒトの生物学＝医学への関心増大• 関心増大の要因（１）基礎生物学の進歩（２）公的な金を出せば、成果を問うのは当然• ヒト遺伝解析データ提供源としての臨床医学• ヒトの遺伝学、疾患との関係の研究の促進• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• 基礎と臨床研究を支援する情報計算専門家が必要• 配列解析Bioinformaticsと比較して参入障壁が高い• 人材育成に時間がかかり、場所と機会が少ない

データ解析

現在、学術会議は生物医学統計家の養成を提言している！

数値解析

波形解析

例 死亡構造解析

例 血圧曲線解析

画像解析

例 CTイメージ処理
演繹的推論

グラフィックス研究者の思考支援システム
例 環境と健康“ミネルヴァ
例 分子の立体表示

データベース

例 推論ツリー

ネットワーク

実験室の支援分子の原子座標
核酸・タンパク質･･･ＡＡＧＣ・・・
l l l l l･･･TTCGG・・・

国内
ネット
ワーク

海外ネッ
トワーク

例 発生過程解析道具だけでなく、解析の相談に乗れる専門家と、彼らのための組織の保障が必要！

１９８５年頃：医学のための明日の計算センター （東京都臨床研）

米国の統合的ながん研究計画• National Cancer Institute $12.6M/5years• 代表：Todd Golub• 中核機関：The Broad Institute/MIT &Dana-Faber Cancer Institute• 他の８研究機関も参加• 実験家＋情報計算の専門家• 焦点となる目標: 「すべてのリン酸化酵素kinase
分子の性質を明らかにする」• Cancer predictive modelの開発• がん生物学と情報計算技法を結ぶ人材育成プロ
グラムを含む研究課題: NR-SX計画
目標
情報計算の立場から、核内受容体と生活習慣病Nuclear Receptor & Syndrome Xに取り組み、問題解決に寄与する。
そのために、多くの研究者、多様な情報計算技法をこの領域に集中するとともに、必要なら新しい技法の開発に挑む。
提案の動機
情報計算技法、とくに計算化学、化学情報学、Bioinformaticsを実際問題に役立て、Success Storyをつくりたい。
生物医学に情報計算から主体的に取り組む実例をつくりたい。
情報計算の専門家と実験家とのEqual Partnershipを確立したい。

核内受容体研究の意義• 基礎生物学：遺伝子の転写制御機構、細胞の分化• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• 臨床医学：内分泌、代謝、生活習慣病• これらの疾患の治療薬の開発• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• 医薬品一般のADME/Tox：
医薬品の副作用と相互作用、個別医療• 環境問題：内分泌かく乱、ダイオキシン• 食品の効用とメカニズム（栄養学）• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

リガンドと各アミノ酸残基とのフラグメント間相互作用解析
FMO-HF/STO-3G10
LEU5250
HIS524E(kcal/mol)

ARG394

Arg394-10-20-30
GLU353Glu353-400

50

100

150200

残基番号

His524

Leu525安定化している残基：GLU353, HIS524, ARG394, （水）不安定化している残基：LEU525, MET388, LEU391, ARG352等

残基名

相互作用エネルギー(kcal/mol)

GLU353-39.26

HIS524-5.97

ARG394-5.25

THR347-1.92

水分子-1.02

GLU3391.05

ILE424

1.11

ARG352

1.84

LEU391

2.34

MET388

2.53

LEU5255.13

外来因子のセンサーとしての核内受容体とフィードバックループ
外来 リガンド薬、サプリメント
栄養分
環境汚染物質Paracrine

Feedback loop (Autocrine)
NR
Hsp90
Hsp90

Dimerization
Homodimer
Heterodimer

RNA splicing
Translation
Post
transcriptional
rodification

Pathway/Network
Cofactor

TBP
Response Element

TATABox

RNA PolⅡ
Target gene

Gene expression

遺伝的な多様性Polymorphismの探索

Nuclear Receptors
CYPs
Transporters
Other genes…

NRを介した制御信号経路網
Ligands

体外物：栄養物、薬、汚染物質

体内･細胞内物質: ホルモン、 FA、…

Primary Genes

NRs

ER, TR, GR,…

PXR, CAR, LXR,VDR,… PPARα,β/δ,γSREBP*

Target Genes

Proteins

Function

Pathway

Transporters CYPs

iNOS

IBAT

細胞分化・死輸送・代謝取り込み・分解

IBAT: Acid Transporter, iNOS: Nitric oxidate sythase

その他

制御経路網を推定整理する意義
••••
••
•••
•

NR ligandsは multi-hits の可能性がある
Key-Lock Model ではリガンドの解析、解釈が不十分
Selective Nuclear Receptor Modulators 開発に不可欠
副作用、相互作用、個人差を考慮した、医薬品の適正使用には、この種の知識とデータベースが不可欠
疾病関連遺伝子の解析、解釈にも経路網が必要
経路網作成は、実験データ＋情報計算の技法
情報計算技法はデータ・知識の整理と Algorithm
Omicsデータの解析、解釈にも経路網が必要
経路網の全容は徐々に解明され、詳細になっていく
この仕事は、積み重ね。小さな問題もある。

脂肪細胞分泌因子Adipokine の構造と機能

Apo ELeptin

Adiponectin
PAI-1

Prostaglandin

TNF-αIL-6

Adipocyte

androgenestrogenResistin

Visfatin（PBEF)FFA

TGF

Adipogenesis

Modelingの例：Insulin Signaling

Adipocytes

Pancrea
glucoseglucoseβcellsInsulin receptor
GLUT４

GLUT2

mitochondria

GLUT4K+ATP↑Ca++

Insulin release

Hepatic
portal vein

MuscleLiverglucoseInsulin receptor
GLUT2

glucoseHepaticvein

glucoseInsulin receptor

glycogen

GLUT４

GLUT4

肥満、 内臓脂肪からのシグナルと生活習慣病

CNS
Food intake

Adiposity signals
Leptin/Insulin
VesselAdipocyte

LiverMuscle

Pancreas
Energy metabolism

Physical activity

GastrointestineATP: 生体のエネルギー供給分子
NH2NOOCHOCN

CHN C
O P O P O P O CH2NOOO
O
HHHHHOOH

Department of Biology, Davidson College(http://www.bio.davidson.edu/)

生体の物質代謝とエネルギーのバランス• 最近の進歩が著しい• 核内受容体とその標的遺伝子産物
細胞内への物質流入Senser/Processor• ATP合成の分子メカニズム• Protonポンプと合成モーター• ATP合成のカギ：APM Kinase Cascade• Kinase阻害剤（分子標的薬物）• がんとKinaseの役割解明へ• 生物時計：代謝リズムの回路

「生物医学の重要問題に情報計算技法を集中する」
NR-SX計画の方法論の拡張性• NR-SX計画：内分泌、代謝疾患、生活習慣病• がん• 免疫疾患• 脳・神経系疾患• 感染症• 環境汚染物質の作用メカニズム解明
情報計算技法を重要視する海外には事例がある !

脳科学および認知科学• Network研究の流れ
Perceptron/Adaline,Nerual Net, GA• Neruoinformaticsの関心拡大• さまざまな脳（意識）のModeling• 場の理論、• RealisticなModelVortex Model (中田力）、• 学習や高齢者対策の視点• 思惟の方法論の視点•・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・•

M.C. Roco and W.S. Bainbridge, Converging Technologies for Improving Human
Performance Nanotechnology, Biotechnology, Information Tecnology, and CognitiveScience, NSF/DOC-sponsored Report(wtec.org/ConvergingTechnologies/Report/NBIC_report.pdf)

1.情報計算技法のAlgorithmを含む基礎知識
2.情報計算環境に関する仕事能力literacy
3.生物医学の専門家と深い対話ができる知識

研究

教育

NR-SX研究支援サイト

Tutorial教材

超高速(独）学習/Tutorial教材の作成

自然科学教育の変革• 早い時期に業績に貢献するように訓練される• 理論を与えられたものとしてその使い方に只管、習熟させられる⇒深い理解や自分で考える習慣が乏しくなる、転職が難しくなる• 物理学帝国主義、還元主義的思想が支配的
力学⇒量子力学⇒素粒子論• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• Discovery Learning Project （UT,Pｈ）:Goal is
To improve students’ ability as independent thinkers andlife-long learners.(www.ph.utexas.edu/~gleeson/• 日本の弱点：大学院レベルの独習用の教科書がない。

自然科学系の理論科学の教育改革• 短期間に戦力とする教育以外に、自分で考え、自分で問題を設定し、学び続ける能力を涵養する教程と教材を開発する• 歴史的考察、分野横断的な理論の紹介を考慮した講座と教材を開発する• 生物学爆発への適応を考慮する
NSF:The Role of Theory in Biological Physics and Materials (biophysics.asu.edu/workshop)
Philip Nelson, Biological Physics-Energy, Information, Life, Freeman, NY, 2004

• 学校間、学会間で連係する• Internetの革新性を最大限に利用する:講座開放、MIT

情報計算教育の改革• 即席で役に立つ（支援）技術に位置づけられている• 学問の歴史、基盤となる概念、体系に欠ける• 情報学では「何でもあり」で、評価が不適切• よい教科書がない：難し過ぎるか特殊過ぎる• ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・• 工学的な色彩だけでなく、理学的なセンスがあり、しかも役に立つ教科書を作成する• 情報学技法を思惟の方法論の立場から体系化する

仕事の機会と情報• 新しい分野の研究者と雇用の機会を増やす• 米国はダイナミック、日本は動きが遅い• 博士を含め専攻分野を越えた求人求職活動• 中年（３５歳）のボットルネックの解消• 人材派遣業に任せるだけでよいか？
• Carrier Up Programづくりを急げ