Pathway/Networkの解説～代謝経路の古典から現代まで：バイオ(インフォ)における代謝経路を含むネットワークの重要性

理研・GSC・ゲノム情報グループ・ゲノム知識ベースチーム

長谷川義和

Ⅰ．古典的な代謝経路
Ⅱ．代謝経路を含む生体内ネットワーク研究の重要性
Ⅲ．代謝経路以外の生体内ネットワーク
Ⅳ．代謝経路・ネットワークのデータベース
Ⅴ．代謝経路・ネットワークを扱うコンピュータソフト

パスウェイ/ネットワークの定義
１．パスウェイ：生物学的にパスウェイと付く用語はMetabolic pathway（代謝経路）
Biochemical Pathway(生化学経路）
Regulatory pathway(制御経路)「パスウェイ」とは物（物質）の繋がりの流れ。
上記をpathwayと考えることにする。
２．ネットワーク：生物学的にネットワークと付く用語はNeural network(神経ネットワーク)：情報系から出た用語？
食物網(food web)：食物連鎖（food chain）が絡み合ったもの。
「ネットワーク」という語は幅広い物と物との繋がりが絡み合ったもの。
生体内ネットワーク：生体内でのあらゆる物質、構成要素（組織･器官･細胞･オルガネラ･物質）の繋がり。
パスウェイ：生体内ネットワーク中、 「生化学経路」 、「制御経路」、特に「代謝経路」を指す。

古典的な代謝経路に関して
１．代謝経路の定義
生物学辞典
生体内でAからXに至る酵素反応の順路。

生化学辞典
一つあるいは多くの単純な物質から一つのより複雑な化合物を合成する、あるいはある化合物をその最終産物まで分解する一連の連続した酵素反応から成る。

古典的な代謝経路に関して
２．代謝経路の成り立ち

ベーリンガーマンハイムの代謝マップ全体像
http://www.expasy.org/cgi-bin/show_thumbnails.pl

始めに、生体内で起こる物質の変換プロセスが、断片的に調べられ、その後、それらの情報が組み合わされていき、巨大な代謝マップの完成となった。

２．代謝経路の成り立ち
Krebs回路（TCAサイクル）の発見
ジカルボン酸酸化経路＋トリカルボン酸酸化経路=Krebs回路
1937 H. A. Krebs
ベーリンガーマンハイムの代謝マップ：Krebs回路
http://www.expasy.org/cgi-bin/show_thumbnails.pl

始めに、生体内で起こる物質の変換プロセスが、断片的に調べられ、その後、それらの情報が組み合わされていき、巨大な代謝マップの完成となった。

古典的な代謝経路に関して
3.生物間にまたがる代謝経路
窒素固定

ＫＥＧＧより引用
http://www.genome.ad.jp/dbget-bin/get_pathway?org_name=ath&mapno=00910

United States Department of Agriculture (USDA)/BARC/Soybean Genomics and Improvement Laboratoty(SGIL)
http://bldg6.arsusda.gov/~pooley/soy/default.html内の図を引用

Ⅱ．種々の生体内ネットワーク
1.転写制御2. Cellular and Molecular Processes(シグナル伝達、物質輸送が含まれる）
3.代謝経路4.ホルモンによるホメオスタシス
5.神経ネットワーク
etc.
上記2,3を合わせてベーリンガーマンハイムによってBiochemical pathwayとされ、まとめられている。

1.転写制御

RNAポリメラーゼ
転写因子

ゲノムDNA
プロモーターmRNAコード領域

1.転写制御mRNA

RNAポリメラーゼ

転写因子

ゲノムDNA
プロモーターmRNAコード領域

1.転写制御

RNAポリメラーゼ
基本転写因子ゲノムDNA
トランス因子
メディエーター
シスエレメント

エンハンサー/サイレンサー

mRNAコード領域
プロモーター

シス領域（調節領域）

1.転写制御

産総研･分子生物部･町田グループ HPより引用
http://www.aist.go.jp/NIBH/indexcontents/j2activity/j201maincontents/21_31bunshiseibutsu/25machida/25main.html

2. Cellular and Molecular Processes

ベーリンガーマンハイムのCellular and Molecular Processesマップ全体像
http://www.expasy.org/cgi-bin/show_thumbnails.plシグナル伝達

物質輸送

小胞体

グルコース
6リン酸

グルコース6リン酸
トランスロケーター

グルコース
6リン酸

グロコース6フォスファターゼ
EC:3.1.3.9

Piリン酸
トランスロケーター

Pi

グルコース
グルコース
トランスロケーター
グルコース

グリコーゲン分解以降のグルコース6リン酸からグルコースへの移行の例

物質輸送
細胞
小胞体
タンパク合成mRNA

核

ゴルジ体分泌小胞

糖鎖付加･多糖合成

分泌糖タンパク質
マイクロチューブの関与

エクソサイトーシス

遺伝子から分泌糖タンパク質の細胞外放出までの流れ

4.ホルモンによるホメオスタシス／血糖値調節
間脳視床下部
副交感神経

フィードバック

血糖値の変化

Arizona State University 内のサイトより引用
http://lsvl.la.asu.edu/bio100/ghofmann/5apr.html

Ⅲ．代謝経路を含む生体内ネットワーク研究の重要性

類似表現形（Phenotype）を示す遺伝子群の探索
and
多遺伝子性の表現形をもたらす遺伝子群の探索
１．フェニルケトン尿症
２．先天性代謝異常a)代謝経路酵素欠損の例b)トランスポーター欠損の例
３．多遺伝子性疾患の例(Cdc25a, c-Myc)

１．フェニルケトン尿症

フェニルアラニン
モノオキシゲナーゼ
フェニルアラニン

フェニルピルビン酸（フェニルケトン）

チロシン

フェニルケトン尿症

１．フェニルケトン尿症

テトラヒドロビオプテリン
シンターゼ
前駆体

テトラヒドロビオプテリン
フェニルアラニン
モノオキシゲナーゼ
フェニルアラニン

フェニルピルビン酸（フェニルケトン）

チロシン

フェニルケトン尿症

２．先天性代謝異常a)代謝経路酵素欠損の例
ミオパシーという共通した類似症状となる。
EC:5.4.2.2（ホスホグルコムターゼ）
EC:5.3.1.1（トリオースリン酸イソメラーゼ）
EC:2.7.2.3（ホスホグリセリン酸キナーゼ）
EC:5.4.2.1（ホスホグリセリン酸ムターゼ）（特に、 EC:5.4.2.2 欠損と、 EC:5.4.2.1欠損は類似している）

EC:5.4.2.4（ビスホスホグリセリン酸ムターゼ）（赤血球におけるEC:2.7.2.3 の代替経路を担当）は異なる症状（軽度の赤血球増化）となる。

b)トランスポーター欠損の例
小胞体

グルコース
6リン酸

グルコース6リン酸
トランスロケーター

グルコース
6リン酸

グロコース6フォスファターゼ
EC:3.1.3.9リン酸
Pi トランスロケーター
Pi

グルコース
グルコース
トランスロケーター
グルコース

I型糖原病（von Gierke病）
グルコース6フォスファターゼ（Ia亜型）、グルコース6リン酸トランスロケーター （Ib亜型） 、リン酸トランスロケーター （Ic亜型）いずれかの喪失（先天的遺伝子欠損）による。全て同一症状となり、血糖値低下、乳酸･ケトン体･尿酸値上昇。潜在致死性。肝種大、通風等の症状あり。

３．多遺伝子性疾患の例
Amati et al. 1998

Cozma et al. 2002

GPSシステムを用いた遺伝子対探索の例
Toyoda T, Wada A.
Omic space: coordinate-based integration and analysis of genomic phenomic interactions. Bioinformatics. 2004 20:1759-65.
Heida N, Hasegawa Y, Mochizuki Y, Hirosawa K, Konagaya A, Toyoda T.
TraitMap: an XML-based genetic-map database combining multigenic loci and biomolecular networks. Bioinformatics. 2004 20 :I152-I160.

GPSシステムを用いた遺伝子対探索の例
Toyoda T, Wada A.
Omic space: coordinate-based integration and analysis of genomic phenomic interactions. Bioinformatics. 2004 20:1759-65.
Heida N, Hasegawa Y, Mochizuki Y, Hirosawa K, Konagaya A, Toyoda T.
TraitMap: an XML-based genetic-map database combining multigenic loci and biomolecular networks. Bioinformatics. 2004 20 :I152-I160.

GPSシステムを用いた遺伝子対探索の例
Toyoda T, Wada A.
Omic space: coordinate-based integration and analysis of genomic phenomic interactions. Bioinformatics. 2004 20:1759-65.
Heida N, Hasegawa Y, Mochizuki Y, Hirosawa K, Konagaya A, Toyoda T.
TraitMap: an XML-based genetic-map database combining multigenic loci and biomolecular networks. Bioinformatics. 2004 20 :I152-I160.

GPSシステムを用いた遺伝子対探索の例
Toyoda T, Wada A.
Omic space: coordinate-based integration and analysis of genomic phenomic interactions. Bioinformatics. 2004 20:1759-65.
Heida N, Hasegawa Y, Mochizuki Y, Hirosawa K, Konagaya A, Toyoda T.
TraitMap: an XML-based genetic-map database combining multigenic loci and biomolecular networks. Bioinformatics. 2004 20 :I152-I160.

Ⅳ．代謝経路・ネットワークのデータベース
1.Boehringer Mannheim: Biochemical Pathways
http://www.expasy.org/cgi-bin/search-biochem-index

2.KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes
http://www.genome.ad.jp/kegg/

3. BRITE
http://www. genome.ad.jp/brite/

4. DIP
http://dip.doe-mbi.ucla.edu/

5. EcoCyc
http://www.ecocyc.org/

6.AraCyc
http://www.

7. ARMデータベース
http://www.metabolome.jp/

8. BiKLi(Biological Knowledge Library)
http://www.gsc.riken.go.jp/

Boehringer Mannheim: Biochemical Pathways
http://www.expasy.org/cgi-bin/search-biochem-index

KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)
http://www.genome.ad.jp/kegg/kegg2.html

KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)
http://www.genome.ad.jp/kegg/kegg2.html

KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)
http://www.genome.ad.jp/kegg/kegg2.html

BRITE(Biomolecular Relations in Information Transmission and Expression)
http://www.genome.ad.jp/brite/

PPIを調べた文献がまとまっている。
Generalized protein interactions
http://www.genome.ad.jp/brite/generalized_interactions.html

DIP(Database of Interacting Proteins)
http://dip.doe-mbi.ucla.edu/
タンパク質の相互作用データベースであるが、元々、生物種間のホモロジーを「interac」と想定しており、PPIのようなタンパク質結合性というよりも、生物種間のホモロジーをまとめたデータが多くなっている。使用には登録が必要である。
http://dip.doe-mbi.ucla.edu/dip/Download.cgi?SM=2

EcoCyc
http://www.ecocyc.org/
大腸菌を主とした代謝経路データベース

E. coli K-12 Pathway: superpathway of glycolysis, pyruvate
dehydrogenase, TCA, and glyoxylate bypass

Locations of Mapped Genes

AraCyc
http://www.arabidopsis.org/tools/aracyc/
EcoCycを元にした、シロイヌナズナの代謝経路データベース

A. thaliana Pathway: lignin
biosynthesis

Locations of Mapped Genes:

ARM(Atomic Reconstruction of Metabolism)データベース
http://www.metabolome.jp/
代謝物の分子構造に注目し、構造変化（残基の移動）を元にした経路合成･探索を可能とするツール
ARM Search Tool が特徴的である(Java2 plug-in必要、IEで閲覧する)

BiKLi(Biological Knowledge Library)
マイクロアレイデータ解析に有益な生体内ネットワークデータをまとめたライブラリClassification

Kegg typemetabolicpathway
AraCyc typemetabolicpathway

RAFL_EC.apdx
Neighborhood in thepathways

AGI_EC.apdx

RAFL_EC.apdx
AGI_EC.apdx

Molecular function

Component.fbml

Function.fbml

Process.fbml

Goslim_plant.2003.fbml

Other goslim.fbml files
RAFL_GO.apdx

Arabidopsis thaliana
AraCycall species
Gene Ontology (GO)ConsortiumAGI_GO.apdx

Arabidopsis_Genome.fbml
Neighborhood on thegenome

all species
KEGG

AraCyc_pathway.fbml

Cellular component

Gene position onthe genome

Data source

KEGG_pathway.fbml

Biological process

Gene Ontology

files of dataset

RAFL_position.apdx

Arabidopsis thaliana
MIPS Arabidopsis thaliana
database (MAtDB)AGI_position.apdx

ZinniaTranscription
Arabidopsis
Transcription

Zinnia_transdifferentiation.fbml
Similarities of expression
profilesWorm PPI
Components of directlyinteracting proteins

Yeast PPIRAFL_AGI.apdx

Zinnia elegans
Demura et al., 2002Arabidopsis_drought_stress.fbml

Arabidopsis thaliana
Seki et al., 2002

Worm_PPI.fbml
RAFL_worm_gen.apdx
AGI_worm_gene.apdx

Caenorhabditis elegans Li etal., 2004

Yeast_PPI.fbml
RAFL_yeast_gen.apdx
AGI_yeast_gene.apdx

Saccharomyces cerevisiae
Ito et al., 2001

（番外）代謝経路の入門に適したサイト
福岡大学･理学部･化学科･機能生物化学研究室･代謝マップ
http://133.100.212.50/~bc1/Biochem/index.htm

Ⅴ．代謝経路・ネットワークを扱うコンピュータソフトに関して
１．GenMapp&MAPPFinder
http://www.genmapp.org/
２．ViMAc
Luyf et al. 2002
３．GSCope (GeneSpiral)
http://gscope.gsc.riken.go.jp/

１．GenMapp http://www.genmapp.org/

遺伝子発現をマップ上に視覚化できる。
Windows上で作動する。

２．ViMAc Luyf et al. 2002

遺伝子発現分析のために、ユーザーに適したゲノムワイドな代謝地図を作れる。
UNIX上で動き、 Perlが必要サーバを構築する必要有り。

３．GSCope (GeneSpiral)
GSCopeを用いた代謝経路表示とマイクロアレイデータの反映experimentGene-expression changeon drought stress

Biological
Knowledge
Library

Metabolic pathways

SOM clustering of profiles

carbon fixation

calvin cycle

CAM
C4 dicarboxylic acid cycle
KEGG type metabolic pathwayを用いた塩ストレスで発現が減少する遺伝子群と相関があるパスウェイの検出
左上：Gene SpiralにおけるアレイデータのSOMクラスタリング表示。 中央上：Gene Spiralにおいてcarbonfixationを表示させた物。下図:左上SOMクラスタの黄色枠で選択した部分でのパスウェイランキング結果。
Carbon fixationがトップにランキングされている。
中段右：SOMクラスタとパスウェイに共通するプローブ詳細データ。

leucine degradation I

AraCyc type metabolic pathwayを用いた塩ストレスで発現が上昇する遺伝子群と相関があるパスウェイの検出
左上：Gene SpiralにおけるアレイデータのSOMクラスタリング表示。 右上：Gene Spiralにおいてleucine degradation Iを表示させた物
下図:左上SOMクラスタの黄色枠で選択した部分でのパスウェイランキング結果。Leucine degradation Iがトップにランキングされている。

ライブラリとGSCopeによるアレイデータ解析から導き出された塩ストレス下における膜ダメージとLeucine degradation Iとの関連性のモデル

High-salinity stressdamagerepairup-regulate
Cell membrane
Leucine degradation I

acetyl-CoA

Lipid transport

Fatty acid metabolismcelllipid

Cell wall参考文献
代謝経路全体に関する文献（全体マップがあるもの）
１．Biochemical pathway
ed. by G. Michal Spektrum 1999.
２．細胞機能と代謝マップ Ⅰ.細胞の代謝･物質の動態
日本生化学会編 東京化学同人刊 1997年
３．一目でわかる代謝J. G. Salway著 麻生芳郎訳
メディカルサイエンスインターナショナル(MEDSi)刊 1994年

バイオインフォマティクス系文献
１．応用生命化学シリーズ９：バイオインフォマティクス
美宅成樹･榊佳之編 東京化学同人刊 2003年
２．東京大学バイオインフォマティクス集中講義
髙木利久監修 羊土社刊 2004年

その他
１．メタボローム研究の最前線
冨田勝・西岡孝明編 シュプリンガーフェラーク東京刊 2003年