ペタコンシンポジウム 細胞WG
網羅的代謝計測技術による細胞代謝シミュレーションの精緻化と応用
慶應義塾大学医学部
ヒト代謝システム生物学研究センター
医化学教室

末松 誠
平成19年12月25日
ぺタコンシンポジウム 細胞ＷＧ資料

代謝シミュレーションによる赤血球の低酸素スイッチの予測と実証

4O2

Missions of Hemoglobin (Hb):・ Oxygen transport・ An oxygen sensor regulating glycolysis

Hbは低酸素でT-stateが安定化してBand３に結合すると同部位に結合していた解糖系酵素群が乖離して活性化する
O2

ALD

PFK

PK

HCO3 Cl-

CO2

lumen
AE1(Band 3)

RBC mbr.
cytosolATP
LactateRh

GAPDH PFKALDGAPDH PFK

Campanella ME, et al.
PNAS 2005
Suganuma K, et al.
Antioxid Redox Signal 2006

-H2O

CD

GAPDH

ALD

GlucoseT-CAII

HCO3+H+ Cl-

AQP1Hypoxia

47

Normoxia

CO2 + H2O

R-state Hb

一方低酸素でHbがT-stateで安定化すると2,3-BPGやATPがHbに結合・吸着されるので解糖系基質が低下する可能性がある
過去のヒト酵素の素反応データから作成した細胞内代謝シミュレーション（E-cell）を利用し過去に報告されたBand3-Hb相互作用データを実装した新しいモデルを構築し低酸素でATP合成系がどのように制御されているかを予測、メタボローム解析で実証する

Development of large-scale computer simulation based on E-cell: RBC version

More than 200 individual enzymatic reactions, 15 transporters, and kinetics of allosteric effectors

Kinoshita A, Tsukada K, et al. J Biol Chem 2007 epub February 9

Green: Results from the model in the absenceof Hb-Band3 interaction
Metabolome (CE-MS analysis: Panel C):
Fine tuning of the modelby varying the activation sites
Red: Results from the model in the presence ofHb-Band3 interaction and the activation of themidway glycolytic enzymes (PFK+GAPDH)(fitting to metabolome results !)Kinoshita A, et al. J Biol Chem April 2007

GK
TransaminaseAsparaginase
Met+Ser ⇒Cys+ADO (5steps) Leu⇒NH4+AA+AcCoA (6steps)Tyr transport
PFK
PYRsulfT
Thiolase
PropinylCoA⇒SucCoA(3steps) Lysine⇒AACoA (8steps)
Glu transport
PFK2SucCoAsyn SerHMT
GA3P⇔FDP(2steps)
Typ⇒AACoA (9steps)
Asp transport
G6Pase SucDHGlysyn
Plmitate⇒8AcCoA (28steps)
Glycogen syn (3step)
O2 transport
PGIFumarase
Lipoprotein syn
Tyrosine⇒fumarate+AA(5steps) GLC transport
Thr transport
GAPDH MDH
AspAT
AAcCoA⇒AAC+CoA (2steps) PYR transport
Lys transport
FDPase Arginase
Albumin syn
His+folate⇒Glu+NfHfolate(4step LAC transport
PhAla transport
IsoCITDH GluDH
PAHLase
NADH+0.5O2⇒NAD+3AP
Arg transport
Gln transport
αKGDH OrnTCase
CarbamoylPsynI
FADH+0.5O2⇒FAD+2ATP
NH4 transport
Pro transport
His transport
PEPCK ArgSucsyn Glutaminase
G6P+12NADP⇒6CO2+12NADPHOrn secretion
PYRC
ArgSucase PEP⇔GA3P(4steps) Cys+Gly+Glu⇒GSH (2steps)
Ser transport
Met transport
LDHAlaAT
Orn⇒Glu (2step)
Val⇒NH4+PCoA+2CO2 (7steps) Cys transport
Asn transport
Val transport
CITsyn SerDH
Pro⇒Glu (3step)
IsoLeu ⇒ NH4+PCoA+CO2 (6steGly transport

IsoLeu transport
proton-Glu cotranspo
Leu transport
proton-PYR cotransp
Glycerol transport
proton-phosphate cot
Pal transport
ATP transport(mit)Ala transport
ADP tranpsort(mit)
Mal-Asn shuttle(mit) AMP transport(mit)proton pump(mit)Phos transport(mit)H-K pump(mit)
PYR transport(mit)Suc-mal shuttle(mit) Mal transport(mit)Asp-Hglu shuttle(mit) Suc transport(mit)αKG-Mal shuttle(mit)Asp transport(mit)
Mal-CIT shuttle
Glu transport(mit)
CIT transport
αKG transport(mit)

約200反応、400物質を含む大規模な肝細胞代謝モデルをE-Cell Systemに構築中

肝小葉

中心静脈域

門脈域

X1,000個

外部環境- ホルモン濃度- 代謝物質濃度- 酸素濃度など

内部パラメータ- 酵素濃度など

部位特異的な代謝特性

代謝特性の異なる細胞を分離して実測する実験系が必要
エルトリエーション技術による門脈域、中心静脈域分離
動的で複雑な代謝ネットワークを俯瞰する、網羅的測定が必要
CE-MSを用いたメタボローム技術による代謝物測定

類洞類洞-肝細胞索モデル

10x2,10x10 の二次元ボクセル

E-Cell 肝細胞代謝モデル（精緻な制御機構を含む数百反応の化学反応速度式）

OMICS data
代謝過程計算(E-Cell)
代謝過程計算(E-精緻化
肝小葉モデル

10x10x10 の三次元ボクセルモデリングee

4D-bioimaging
環境条件設定ボクセル間相互作用計算(VCAD)
ボクセル間相互作用計算(VCAD)

計算コア

Validation

Nishime and Handa,
unpublished data

複数肝小葉モデル/
複数肝小葉モデル/肝臓臓器モデル

腫瘤がanoxic coreを形成するとin vitroでは見られない劇的な糖代謝のリモデリングが惹起
Humanized animalにおけるがん代謝コンパートメントの弁別法の確立
ー（財）実験動物中央研究所・慶應義塾大学医学部・理工学部・環境情報学部による共同研究ー
NOG mice(NOD/Shi-scid x IL-2Rγ null)

PPCPCIEA(Itoh, Suemizu, Nishime
Kawai, Nakamura,Ohnishi)

TTCPT
T

GFP-expressed human colon cancer
Central Inst forin Exp
NOGAnimalliver
HO-1 induction in and around micrometastasis

In vivo pulse-chase analysis and Metabolome-fluxome