糖鎖医工学研究センター

平成25年10月５日
トーゴーの日シンポジウム2013

糖鎖科学を整理し発信するための標準化と統合化－その利用の実例を含めて

成松 久（独）産業技術総合研究所 糖鎖医工学研究センター©2013 成松 久 (産業技術総合研究所 ) licensed under CC表示2.1日本
NATIONAL INSTITUTE OF ADVANCED INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY (AIST)

Image courtesy of Carolyn
Bertozzi, Scott Laughlin,
and Jeremy Baskin糖鎖は細胞（タンパク質）の洋服のようなもの
個体差
種特異性
臓器特異性

発生

分化細胞の発生・分化
未成熟細胞(幹細胞、未分化)

老化細胞

成熟細胞
(分化細胞)

応答

機能

病気の細胞
（疾患状態）

糖鎖は・・・ 細胞特異的老化細胞の状態（発生分化や疾患状態）を反映している(細胞の状況に合わせて) 様々な機能を有する

バイオマーカーとしての資質を有する（疾患マーカー、分化マーカー、機能マーカー）水に溶けやすくなる

タンパク質分解酵素から守る

行き先を明確にする
レクチンやホルモン、増殖因子と結合する糖鎖の機能
細胞と細胞を接着させる

糖タンパク質の代謝を決定する

病原菌やウィルスの受容体となってしまう

タンパク質の品質管理

NEDO糖鎖プロジェクト
1990

2000

現在

ゲノム世代
塩基配列解析

発現解析（ゲノム構造）多型解析

プロテオーム世代
相互作用解析

タンパク同定タンパク質構造解析

ポストプロテオーム世代（グライコプロテオーム）
リン酸化

糖鎖付加
第３の生命鎖「グライコプロテオーム」が将来的なライフ分野の重要研究課題

糖鎖合成関連遺伝子ライブラリーの構築
プロジェクト（GlycoGene / GG Project）
成果

糖鎖エンジニアリングプロジェクト
糖鎖構造解析技術開発(Structural Glycomics / SG project)

複合糖質生産利用技術開発プロジェクト（Complex Crabohydrate/ CC Project）
実施期間：

H13年4月〜
H16年3月成果

H15年3月〜
H18年3月

糖鎖機能解析・バイオマーカー探索プロジェクト（ Medical Ｇlycomics / ＭG project)

H18年4月〜
H23年2月Research Center for Medical Glycoscience

産総研糖鎖研究とNEDOプロジェクト
2000 2001

2002

2003

GlycoGene/ GG Project

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

April 2001〜March 2004

Structural Glycomics/ SG project

April 2003 〜 March 2006

Medical Glycomics/ MG project
April 2006 〜 March 20112000 2001

工業技術院

2002

2003

2004

2005

2006

糖鎖工学研究センター

April 2002
AIST founded June 2002 RCG founded

2007

2008

2009

2010

2011

糖鎖医工学研究センター
Dec 2006 RCMG founded○○○○部門糖鎖研究の三本柱
糖鎖の産業利用
医用応用（新たな診断技術、バイオマーカー）など

糖鎖の基礎科学への貢献
糖鎖技術の実用化の促進

はたらき
合成糖鎖（機能性オリゴ糖）
糖鎖改変糖タンパク質生産（医薬等）など糖鎖の産業利用・医用応用の促進（糖タンパク質製剤、幹細胞の品質管理）など

機能バイオマーカー[MG Project]

つくる

有用糖鎖の機能合成

構造

機能分子
合成
糖鎖の利用 の構造情報[GG Project][SG Project]かたち

モデル系（疾患）の提示

遺伝子改変体[SG Project]（糖鎖改変技術)

酵素

糖鎖遺伝子改変体
・酵素[GG Project]
有用糖鎖の構造情報
構造解析

糖鎖遺伝子ライブラリー構築プロジェクト: GG project、糖鎖エンジニアリングプロジェクト(構造解析技術): SG project
糖鎖機能活用技術開発プロジェクト (糖鎖機能解析、糖鎖バイオマーカー開発): MG project糖鎖医工学研究センターは世界屈指の糖鎖解析技術開発ファクトリー
糖鎖遺伝子ライブラリー

バイオインフォマティクス技術
データベース (JCGGDB)

成松ら(2004) Glycoconj J.
岩井、成松ら (2005) PNAS.
佐藤、成松ら (2006) Glycobiology.
他 J. Biol. Chem 15報、FEBS lett. 5報など

菊池、成松ら(2006) Biochim Biophys Acta.
O-glycans

糖鎖合成(糖鎖, 糖ペプチド, 糖タンパク質)

糖鎖遺伝子改変技術
糖鎖改変細胞/マウス個体 (KO, Tgマウス)
栂谷内、成松ら(2007) PNAS.
栂谷内、成松ら(2010) PNAS.
佐藤、成松ら(2011) J. Biol. Chem.

N-glycans

糖鎖（糖ペプチド）ライブラリー
伊藤、成松ら(2005) Angew Chem Int Ed Engl.
伊藤、成松ら(2007) Nat Methods.
天野、成松ら(2008) PNAS.

glycolipid

糖鎖病理学・技術
ドラッグデリバリー(DDS)技術

レクチンマイクロアレイ技術

糖鎖被覆リポソーム技術
池原、成松ら(2006) Cancer Res. 66, 8740
池原、成松ら (2008) Cancer Lett. 260, 137

GlycoStationTM

糖鎖構造解析システム

グライコキャッチ法/IGOT法
グライコプロテオミクス技術
平林、梶ら(2002) J. Biochem.
梶ら (2003) Nature Biotechnol.
梶ら (2006) Nature Protocol.

糖鎖遺伝子 qPCRアレイ
遺伝子発現解析システム
伊藤、久野、成松ら(2009) J Proteome Res.

久野ら (2005) Nature Methods.
加藤、成松ら (2006) BBRC.
松田、久野ら (2008) BBRC.
久野、成松ら (2009) Mol Cell Proteomics.
松田、久野、成松ら (2010) Hepatology.
久野、成松ら (2011) Clinical Chemistry.

質量分析 SMME法 SE法亀山、成松ら(2005) Anal Chem.
亀山、成松ら (2006) J Proteome Res.
豊田、成松ら (2008) Anal Chem.
松野、成松ら (2009) Anal Chem.
豊田、成松ら (2009) Anal Chem.
松野、成松ら (2011) Electrophoresis.

糖タンパク質バイオマーカー開発の基本理念“がん化・病態の変化により糖鎖構造は変化する”：MGコンセプト
タンパク質部分が同じであっても、疾患(細胞)状態の変化に伴って、その上の糖鎖構造が異なっている
体液(血液)中のタンパク質

がんマーカー探索の戦略
正常細胞由来の糖タンパク質

タンパク質部分は同じ

分泌

分泌

正常細胞

がん細胞

がん細胞由来の糖タンパク質

がん特異的糖鎖構造変化

コンセプトと戦略
Narimatsu et al.
FEBS J. 277: 95-105 (2010)
J Proteome Res. 8:1358-67 (2009).

世界初血中線維化糖タンパク質マーカーの直接迅速自動測定系開発に成功
RCMG発
新規マーカー測定系

1. 採血

FibroScan

比較

2. On-site assay(<30 min)

抗ウイルス薬の迅速治療効果判定も可能に！

PLT counting
Biochemical assay
HBV DNA

死亡例

新規マーカー

3. 同日診断

改善例

051005

治療経過（年）
Kuno, Mizokami, Narimatsu et al. in preparation (2011)

10・安価
・全自動・全行程１７分（180検体/時間）・前処理なし・炎症などの影響なし
・既存マーカーを超える(FIB-4, APRI,ヒアルロン酸, コラーゲン)

JCGGDB
データベース開発

現在公開中のデータベース

リソース（サンプル・技術・情報）共有

技術支援（底上げ）

異分野との共同研究への発展
16

JCGGDB Alliance
産総研・糖鎖センターのＤＢ

野口研究所

立命館大学

名古屋大学・産総研

GlycoGene Inhibitors database

Knockout Mouse DB

Pathway database

創価大学

FlyGlyco DB
名古屋市立大学
Glycan Synthesis DB

GlycoGene DNA
microarray database
Glycosidase database• データの拡充• 検索機能強化• 統合化推進野口研・産総研

KEGG
京都大学

生化学工業

LipidBank構築委員会

Glycotechnology
Patents database
JCGGDB Report

理研・システム糖鎖

N-glycanConformation DB

Worm database九州大学

５つの検索インターフェースを開発
キーワード
横断検索

構造検索
CFG 単糖シンボル

共起を利用した統合検索
化学構造から検索
構造の組み合わせ検索

糖鎖構造検索システム
糖鎖生物学者用と化学者が使い慣れた検索インターフェースを公開している。
同じデータを検索することができる。
Searching Mode
Full structure
Substructure
Super Structure

GlycosideDB

70000 entries

Organic Chemical
Synthesis database

GG Inhibitior DB
286 entries

JMSDB
950 entries

StructureDB6248 entries

CompndDB:3975構造
反応経路DB:反応数：887
件
Noguchi Institute
Gifu Univ. others(supported by AIST)

19

キーワード検索や統合化のために糖鎖構造の名称や構造表記のシノニム整備
Sialyl Lewis x

Gb3

ＤＢや論文で利用されている名称には著者の書き方の違いでシノニムが増えている。
シノニムを整備しＤＢに格納している糖鎖構造ＩＤに結びつけるhttp://jcggdb.jp/rcmg/gpdb/• ヒトの培養細胞(HepG2, Huh-7)の培地由来、健常者と肝細胞癌（HCC）患者の血清由来の糖タンパク質446種類の糖鎖付加位置の情報を公開した。
Glycoproteomic Discovery of Serological Biomarker Candidates
for HCV/HBV Infection-Associated Liver Fibrosis andHepatocellular Carcinoma

Kaji et al., J Proteome Res. 2013 Jun 7;12(6):2630-40

実験プロトコルデータベース~GlycoPOD~
GlycoPODとは、経験に依存する部分が多い
糖質科学の実験において、糖鎖研究の初心者にもわかりやすい実験手法を掲載したDBである。
約195名の糖鎖科学研究者に執筆依頼し、平成25年度末までに15分野の約220プロトコルの公開を予定している。また、米国のグループも参加している。
各操作のノウハウや注意書きも追記できる。
現在は、ユーザが執筆者とQ&Aについてシステム上でやり取りできるようになっている。

立命館・産総研

立命館

GlycoEpitope Database
http://www.glyco.is.ritsumei.ac.jp/epitope2/
平成25年度
新規抗体30件を収載予定

糖鎖抗原・抗体の機能データベース<背景＞平成17年 立命館大学糖鎖工学研究センタ―に創設研究者がインターネット経由でデータベースの作成に参加<内容＞ 174 Epitopes, 613 Antibodies (2013.09.28)
糖鎖エピトープを発現する糖タンパク質、糖脂質、プロテオグリカン、植物多糖
糖鎖エピトープの合成や分解に関与する生合成酵素および分解酵素
糖鎖エピトープの発現する時期・場所、糖鎖エピトープの関連する疾病
糖鎖認識抗体の入手先
データの管理・JCGGDBとの連
引用文献：PubMedへのリンク, PDFファイルに直接リンク 携できるように新システム導入

糖鎖合成支援ツールの開発
有機化学による糖鎖合成のプ
ロトコル・合成反応をＤＢ化
Noguchi

糖質合成データベースワーキンググループ(CSDWG)によるデータ収集。野口研＆産総研によるデータ入力。

RIKENAIST

構造確認のための情報提供
JCGGDBの構造検索や詳細画面からアクセスできる

ＷＧ参加：東北大学・東海大学・東京工業大学・新潟薬科大学・岐阜大
学・大阪大学1D NMR

合成支援

・反応物・生成物などの構造検索
・合成経路検索・ツールの開発

2D NMR
化学構造Noguchi
AIST

構造のチェック・NMRのスペクトル比較ツール
・実験条件の統一化されたデータ

糖鎖医工学研究センター

糖鎖関連データベースの利用例
Query=Sialyl Lewis x
JCGG-STR013232
EP0012
Gene

MUC1

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Semantic Web• リンクしている情報を自動的に取得するため、データベースを統合する必要がある• JCGGDBのデータベースおよび海外の糖鎖データベースを統合するために、Semantic Web技術が不可欠 → 標準化＋海外連携で達成する• 糖鎖構造の標準化– WURCS：糖鎖配列の表記法を考案した• 曖昧な構造も立体異性も含む• 糖鎖関連の情報の標準化– 糖タンパク質、糖脂質情報– 実験情報（環境、試料、プロトコルなど）– 文献情報– 格納されているデータベース

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海外連携• Hackathon– 2012年富山• GlycomeDB, UniCarbKB, CSDB, MonosaccharideDB, JCGGDBの共同参加• 糖鎖データベースのRDF化• SPARQLクエリー• WURCSの開発– 2013年つくば糖鎖ハッカソン• WURCSの開発（つづき）• 日本版糖鎖オントロジーの開発– 2013年大連糖鎖ハッカソン（東京バイオハッカソンと同時開催）• GlycomeDB, UniCarbKB, CSDB, GlycoNAVI, JCGGDBの共同参加• 糖鎖オントロジーの開発

糖鎖医工学研究センター

富山BioHackathonの成果• 既存のデータベースのRDF化（プロトタイプ）が完成• SPARQLクエリーの使用実例の作成及び成功• WURCSの基盤開発

糖鎖医工学研究センター

富山BioHackathonの成果• RDF 化されたデータ：– GlycomeDB,– Bacterial Carbohydrate Structure Database (BCSDB),– MonosaccharideDB,– GlycoEpitope,– UniCarbKB and– LfDB and GlycoProtDB (JCGGDBの一部)• トリプルストアに全RDFデータを格納した• SPARQLの実行に成功した

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SPARQL Queries• JCGGDBに格納されている糖鎖構造に関連するタンパク質のUniProt IDは何か？
• あるレクチンに関連する糖鎖構造全てを取得したい• 糖鎖のエピトープを持つ糖タンパク質は何か？

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JCGGDBに格納されている糖鎖構造に関連するタンパク質のUniProt IDは何か？

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あるレクチンに関連する糖鎖構造全てを取得したい

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糖鎖のエピトープを持つ糖タンパク質は何か？

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富山BioHackathonの成果• 既存のデータベースのRDF化（プロトタイプ）が完成• SPARQLクエリーの使用実例の作成及び成功• WURCSの基盤開発

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WURCS• WURCS: Web 3.0 Unique Representation of
Carbohydrate Structures• 曖昧な糖鎖構造を含め、論文に記述される全糖鎖構造を表すことのできる線形表記法– 未確定の糖結合情報– 多糖類– 繰り返し構造– 単糖組成のみの構造情報– 環状の糖鎖構造– 稀な単糖• WURCS ワーキンググループを結成– http://wurcs-wg.org/

糖鎖医工学研究センター

WURCS の例
単糖名（複数可）:β-D-Galp
β-D-GlcpNAc?-D-GlcpNAc
α-L-Fucp or α-L-6-deoxy-Galp
α-D-Manp
β-D-Manp

WURCS: 単糖
12112h-1:5
12122h-1:5||2:2*NC(C)=Ox2122h-1:5||2:2*NC(C)=O11221m-1:5
21122h-1:5
11122h-1:5

WURCS=1.0/15,14/[a1d21122h|2,6|5*NCC/3=O][a1d21122h|2,6|5*NCC/3=O][12112h|1,5][12122h|1,5|2*NCC/3=O][a1d21122h|2,6|5*NCC/3=O][12112h|1,5][12122h|1,5|2*NCC/3=O][a1d21122h|2,6|5*NCC/3=O][12112h|1,5][12122h|1,5|2*NCC/3=O][21122h|1,5][21122h|1,5][11122h|1,5][12122h|1,5|2*NCC/3=O][X2122h|1,5|2*NCC/3=O]1+2,(2+?)/(3+?)/(4+?)/(5+?)/(6+?)/(7+?)/(8+?)/(9+?)/(10+?)|2+1,3+3|3+1,(4+3)/(4+4)|4+1,(11+2)/(12+2)|5+1,6+3|6+1,(7+3)/(7+4)|7+1,(11+2)/(12+2)|8+1,9+3|9+1,(10+3)/(10+4)|10+1,(11+4)/(11+6)/(12+4)/(12+6)|11+1,13+6|12+1,13+3|1
3+1,14+4|14+1,15+4

糖鎖医工学研究センター

WURCSの利用• 論文に記述された全糖鎖構造を一意的に表記することができ、文字列の比較だけで糖鎖構造の検索が可能になる• URLに直接利用可能• WURCS とその他の糖鎖形式の変換ツールも開発する• 現在論文投稿中

糖鎖医工学研究センター

大連BioHackathonの成果• オントロジー開発• 糖鎖データベースのRDFデータを統一する
ため、オントロジーの整理が必要になった• 糖鎖オントロジー(GlycoOntology)を開発した• 論文の執筆中

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第５回ACGG-DB 会議 決議事項
大連

2013年６月２２日

参加国：日本、米国、豪州、ドイツ、ロシア、中国、韓国、台湾•国際糖鎖リポジトリの基本合意
論文投稿前のアクセッション番号の発行システム•

データの範囲糖鎖構造情報のみ（メタデータ：登録者と登録日•システムのフレームワーク
プロトタイプは日本の現在のグループで開発•支援と普及促進糖鎖関連の学会： IGO, ICO, Society for Glycobiology, JSCR, JCGG, HUPO 等

糖鎖医工学研究センター

糖鎖関連データベース
糖鎖ID+
構造データ

国際糖鎖構造データリポジトリ

データ共有
糖鎖ID
情報収集

糖鎖研究の知識共有

アノテーション
情報

Glycan ID
Glycan ID
糖鎖ID
学術雑誌

登録

発行

GlycanID

研究論文
投稿

糖鎖研究

糖鎖医工学研究センター

糖鎖データベースの将来像• 医療応用への拡大展開– 疾患グライコプロテオミックス• 糖鎖構造データの標準化– 国際糖鎖構造リポジトリの実現• 糖鎖Semantic Webの実現