メタボロームについて

メタボロームとは

生体内には核酸(DNA)やタンパク質のほかに、糖、有機酸、アミノ酸などの低分子が存在しています。
これらの物質の多くは、酵素などの働きによって作り出された代謝物質(メタボライト)です。

生体内に含まれる代謝物質の総体(すべて)を「メタボローム」と呼び(”metabolite”と”-ome”からの造語)、その種類や濃度を網羅的に分析する手法のことを「メタボローム解析」あるいは「メタボロミクス」と呼びます。

 

メタボロームを測る意味

それぞれの代謝物質は、生体内での「代謝」を介して結び付いています。
食事などによって摂取された代謝物質は、その物質自身が生理的な活性をもつだけでなく、生体内での代謝によって異なる代謝物質になるという役割ももっています。
新たに産生された代謝物質は更に異なる代謝物質になったり、あるいは元の代謝物質に戻ったりして、複雑に絡み合う代謝パスウェイを通して変化します。
こうした代謝は細胞内だけにとどまらず、血液などを介して筋肉や脳など他の組織にも影響を与えるほか、尿や脳脊髄液(CSF)といった体液にも多くの変動をもたらしながら、全身で協調して生体の恒常性(ホメオスタシス)を維持します。

それゆえ、外部からの刺激(温度や光といった環境の変化や薬物摂取、食事など)や疾病などによって代謝が動くと、細胞の中に存在する代謝物質の種類や濃度にも変化が生じます。
代謝物質を網羅的に解析するメタボローム解析を用いることで、生体内の代謝がどのように変化しているかを把握することができ、生命現象を更に深く理解することが可能となります。
また、その変化を詳細に分析することにより、バイオマーカーの探索や代謝の生化学的仮説立案・検証が可能となります。

 

メタボロミクスの利点

生体内の変化を理解しようとするときに、DNA 配列の網羅的解析(ゲノミクス)やタンパク質の網羅的解析(プロテオミクス)も非常に重要なツールとなります。
しかし、同一の遺伝情報から異なる表現型が出てくる場合に、これらの手法でその表現型の原因を追うことは困難です。
生体の現在の状態を大きく反映する代謝物質に着目し、その網羅的解析(メタボロミクス)を行うことで、何が表現型に影響を与えているかを詳しく明らかにすることが可能となります。

他にもメタボロミクスの利点として、下記のような点が挙げられます。

  • 対象物質数が少ない:ヒトで約22,000とも言われる遺伝子に比べ、代謝物質は約3,000(ヒューマン・メタボローム・データベースより)と対象が少ないため解析が容易である。
  • 種を超えてゲノム情報や分析法を共有できるので、種ごとに異なるゲノム情報や分析法を用意する必要がない。
  • 代謝ネットワークは熱力学と量論により厳格に規律されており、シグナルネットワークなどと比べて理解が容易である。

メタボロミクスは、システムの「構造」より「状態」を反映し、表現型に近い変化のスクリーニングに適しています。そのため、

  • 全身的な疾患や代謝の変動を追う研究
  • 明確な現象に伴う「ファジー」な変化を読み取る研究
  • 表現型が不明な現象の「定義づけ」のための研究

に適している一方、局所的な代謝異常・シグナル伝達を見るような研究には適していません。

また、試験系としては以下に適しています。

  • 多群間での相対比較
  • 経時変化などのモニタリング
  • 絶対定量値を必要とする検証

 

メタボロミクスで用いられる主な分析手法

「メタボローム」が低分子の代謝物質の総体であるという点については先に述べましたが、それゆえ、メタボロミクスにおいては試料中に存在する代謝物質レベルを一斉に、かつ網羅的に測定する技術が鍵となります。
特にメタボロミクスにおいては個々の代謝物質の定性および定量性を維持しなければならないため、代謝物質を高度に分離、分析する機器分析法を用いることとなります。
しかし、「メタボローム」の中には、アミノ酸、アミン、ヌクレオチド、糖、脂質など、物理化学的性質の大きく異なる物質が多数混在しており、現段階では、単一の機器であらゆる代謝物質を一斉に分析する手法は存在しません。
そこで、現実的にはいくつかの相補的手法を組み合わせることが要求されます。
特に広く用いられているのが、試料の性質に適した手法で分離した後、検出器として質量分析計を使用する手法です。

質量分析について

質量分析とは

質量分析(Mass Spectrometry:MS)とは、試料をイオン化し、生成したイオンを電界や磁界の働きによって分離することでm/zの値を得る分析方法です。
質量分析計に達する前に分離器を通すことにより、分子量の近い物質を分離することができます。

分離方法は分子の性質によって使い分けられており、以下などがあります。

  • 非常に細い管(キャピラリー)の両端に高電圧をかけることによりイオン性の化合物を高速・高分離能で分離するキャピラリー電気泳動(CE)
  • 分子の保持力が固定相と移動相で異なるという原理を利用して、液体状態でカラム内分離する液体クロマトグラフィー(LC)
  • 分子をガス状態で分離させる、ガス状の化合物または気化する化合物に特化したガスクロマトグラフィー(GC)

質量分析機器の違い

代謝物質の物性は、水に溶けやすい/油に溶けやすい(水溶性/脂溶性)、電荷をもっている/もっていない(イオン性/中性)、揮発しやすい/しにくい(揮発性/非揮発性)など、様々な側面から分類することが可能です。 そうした物質ごとの特徴に合わせた分離分析を行うことで、それぞれの代謝物質を高い精度で分析することが可能となります。

HMTの強み

細胞内のエネルギー代謝を軸とした網羅的な解析

HMT では、代謝物質のほとんどが水溶性・イオン性の低分子であることに着目し、こうした低分子の測定に適したキャピラリー電気泳動(Capillary Electrophoresis, CE)と質量分析計(Mass Spectrometry, MS)を組み合わせた分析技術であるCE-MS法を基盤技術とし、分析および分析法の開発を行っています。
特にエネルギー代謝に深く関連する解糖系を構成する糖リン酸や、TCA回路(クエン酸回路)を構成する有機酸、そこから産生されるATPなどの核酸関連の代謝物質は水溶性かつイオン性の物性を有することから、CE-MS法によるメタボローム解析は、細胞内のエネルギー代謝を軸とした網羅的な解析を可能とします。

また、液体クロマトグラフィー(Liquid Chromatography, LC)と質量分析計を組み合わせたLC-MS法やガスクロマトグラフィー(Gas Chromatography, GC)と質量分析計を組み合わせたGC-MS法も広く用いられています。

用語集

あ~わ

アノテーション

代謝物質由来のピークを検出した後、標準試薬を事前に測定した結果(m/z、MT)と比較照合し、検出ピークに代謝物質名を付与することを「アノテーション」と呼びます。 また、この標準試薬を測定した結果の集合を「アノテーションリスト」または「ライブラリ」と呼んでいます。

 

相対面積(相対定量)

メタボローム解析時に、濃度がすでに分かっている物質を測定して検量線を作成し、試料中にその物質がどのくらい入っているかを測定する方法を絶対定量といいます。 それに対して相対定量では、濃度が既知の別の物質を用いて検量線を作成し、その物質に対して試料中に含まれる目的物質の相対的な量を定量します。 その相対定量値をもとに、試料間における目的物質の相対的な量の差をみることで、相対的な物質量比(物質△は、A群とB群で比較するとA群の方がB群と比べて2倍高値、など)を知ることができます。

 

代謝

代謝とは、生体内の酵素や補酵素の作用により物質を合成・分解する化学反応のことを指し、ある検体がもつ代謝物質の性質を「代謝プロファイル」と呼びます。

代謝のうち生体の維持、増殖など、生物の共通の生命現象に必須である物質、例えば糖、タンパク質、脂質、核酸などを生成する代謝を一次代謝、生命現象に直接関与せず、一次代謝に付随する代謝により物質を合成する代謝を二次代謝と言い、代謝物質の状態変化のことを「代謝変動」と言います。

 

代謝パスウェイ

直訳すると「代謝経路」のことで、代謝の相互作用を経路として表現したものを指します。また、複数の代謝経路をまとめて描写したものを「パスウェイマップ」と呼びます。

代謝パスウェイの代表的なものとしては、グルコースを分解してピルビン酸やATPを産生する「解糖系」や、エネルギー産生において重要な役割を果たすほかアミノ酸代謝、尿素回路等の他の経路とも密接に関係する「TCA回路(クエン酸回路)」などがあり、これらのエネルギーを産生する経路をまとめて中心炭素代謝と呼びます。

 

代謝物質(メタボライト)

代謝物質(メタボライト)とは、代謝の過程で生じる中間体、および最終生成物のことを指します。

代謝物質には水と親和性の高い水溶性・イオン性代謝物質と、脂と親和性の高い脂溶性代謝物質があり、代謝物質の性質により分析機器を使い分けることで、研究のターゲットとする代謝物質を測定します。

 

ターゲット解析/ノンターゲット解析

研究目的に応じて、ノンターゲット解析かターゲット解析を選択します。

対象とする化合物が想定されている場合、ターゲット解析を選択し、化合物リストのうち試料中の目的化合物に該当すると推定されたピークに着目して詳細な構造解析や群間比較等を行います。 マーカー探索のように目的とする化合物が不明な場合は、ノンターゲット解析を選択します。比較対象の試料間でピークの比較を行い、群間差を特徴づけるようなピークをみつけていきます。

 

濃度計算値

絶対定量では濃度が分かるため、異なる物質間での比較や異なる物質同士の加減、異なるバッチで分析した試験データの比較が可能になります。 これにより、代謝パラメーターを算出したり、過去の試験 データと統合をすることができます。

 

バイオマーカー

バイオマーカーとは、生体内に含まれる遺伝子やタンパク質、代謝物質などの物質のうち、病気の変化や治療に対する反応など、生体情報に相関して変動し、反応指標として客観的な評価が可能な項目・物質を指します。

 

ヒートマップ

2次元データ(行列)に整列した個々の値を、値の高低によって色や濃淡として表現した可視化方法の一種です。

 

フラックス解析

安定同位体を用いて、代謝の流れ(フラックス)を解析することを指します。

特定部位の炭素原子(または窒素原子)を安定同位体標識した基質を加えることで、通常のメタボローム解析では知ることができない「どの代謝経路を経由したのか」を明らかにすることができます。 フラックス解析から有用物質生産の効率化を図る代謝をデザインするなどの応用が可能です。

 

前処理

タンパク質変性等により酵素不活化を行うことで代謝を停止させ、質量分析計での測定を妨害する物質を除き、代謝物質を抽出する工程を前処理と呼びます。

CE-MSに供する場合は徐タンパク、リン脂質を取り除くなど、使用する分析機器により前処理方法は変化します。

 

マススペクトル

マススペクトルとは質量分析の結果得られる、m/z値に対する相対的なイオン強度(信号強度)をグラフにしたものです。 マススペクトル上の信号のことをピークと呼びます。

 

メタボローム/メタボロミクス

オミックス(オミクス)は、ギリシャ語の「すべて」を意味する接尾辞(ome)に「学問」を意味する接尾辞(ics)を合成した言葉から成り、その学問分野を意味する呼称として使われています。 つまりメタボロミクスとは代謝物質のオミックスのことであり「代謝物質の種類や濃度を網羅的に分析・解析する手法」のことを指します。また「メタボローム」とは、生体内における低分子代謝物質の総称を指します。

近年では、遺伝子、タンパク質、遺伝子発現、代謝物質など様々な階層を複合的に網羅解析する「マルチオミックス」も盛んに用いられています。

 

A~Z

HCA

階層的クラスタリング解析(Hierarchical Cluster Analysis)の略称です。

HCAは、対象となるデータ群に関して数学的に類似している因子同士に分類する解析手法です。 メタボローム解析の測定値(相対値または絶対値)を標準化した値により試料間の相対値のパターンが類似した代謝物質を分類し、その結果をヒートマップで表します。

 

HPLC

高速液体クロマトグラフィー(High Performance Liquid Chromatography)の略称です。

HPLCはカラムクロマトグラフィーと呼ばれる分離法の一種であり、試料を溶かした溶液(混合物)を移動相の流れにのせて固定相(カラム)を通過させ、カラムと物質との親和性によって生じるカラム通過速度の違いを利用して分離し、さらに圧力をかけることでを高速に分析する技術です。

クロマトグラフィーは測定法、クロマトグラムは測定結果、クロマトグラフは装置を指します。

 

MS(質量分析計)

質量分析(Mass Spectrometry)の略称で、試料をイオン化し、生成したイオンを電界や磁界の働きによって分離することでm/zの値を得る分析方法です。

質量分析計に達する前に分離器を通すことにより、分子量の近い物質を分離することができます。

分離方法は分子の性質によって使い分けられており、非常に細い管(キャピラリー)の両端に高電圧をかけることによりイオン性の化合物を高速・高分離能で分離するキャピラリー電気泳動(CE)、分子の保持力が固定相と移動相で異なるという原理を利用して、液体状態でカラム内分離する液体クロマトグラフィー(LC)、分子をガス状態で分離させる、ガス状の化合物または気化する化合物に特化したガスクロマトグラフィー(GC)などがあります。

 

MT/RT

MT(Migration Time)は、CEにおいてキャピラリーで試料が泳動を始めてから質量分析器で検出されるまでの時間を指します。

RT (Retention Time、保持時間) は、LCにおいてカラム中に試料が注入されてから溶離するまでに要した時間を指します。

それぞれの分子の物性により固有のMT/RTを持ちます。

 

m/z

イオンの質量を統一原子質量単位で割り,さらにイオンの電荷数で割って得られる無次元量のことをm/z(エムオーバージー)といいます。

質量分析では質量と電荷の比によって分子を分離するため、このm/zが測定値となります。

 

PCA

主成分分析(Principal Component Analysis)の略称です。

メタボロミクスで取り扱うデータは「物質数×サンプル数」という「多次元×多次元」のデータであり、多くの試験では、その特徴を直感的に把握することが困難です。 PCAは、そのような多次元データの次元を縮小することにより、データ全体を抽象化し、視覚的に分かりやすいプロットに表示する統計解析手法のことを指します。

感染症研究×メタボロミクス

感染症研究にフォーカスした特設ページを公開しています

感染症研究×メタボロミクス HMTではメタボロミクス技術を用いてバイオマーカーや新規創薬ターゲットの特定、薬剤やワクチンの有効性や毒性評価などの研究を支援いたします。特設ページ内ではCOVID-19研究に関連した試験デザイン例なども紹介しておりますので、是非ご覧ください。 また、ウイルス感染症の一種である黄熱(yellow fever)研究においてHMTのメタボローム解析をご利用いただき、昨年Nature Medicine誌に論文が掲載されたDuke-NUS Medical School(シンガポール)のChan Kuan Rong先生にインタビューを行いました。 メタブローグにインタビュー記事を掲載しておりますので、合わせてご覧ください。 新型コロナウイルス感染症研究についてメタボロミクスに何ができるのか

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