FOCUSシステム分子医学の到来と ã‚¹ãƒ¼ãƒ‘ãƒ¼ã‚³ãƒ³ãƒ”ãƒ¥ãƒ¼ã‚¿ã¸ã®æœŸå¾ .pptx

計 算 科 学 振 興 財 団 トップセミナー
ビジネスチャンスを 創 出 する 京 コンピュータ
2011/12/2( 金 )
システム 分 子 医 学 の 到 来 と
スーパーコンピュータへの 期 待
東 京 医 科 歯 科 大 学
システム 情 報 生 物 学
田 中 博

ゲノム/オミックス 第 2 革 命 ?
10 年 前 の「ゲノム 医 学 」への 期 待 と 失 望
今 度 は 違 うのか?
次 世 代 高 速 シーケンサのインパクト
1 日 数 100 億 bps 解 読 /Personal Genome 時 代 へ
様 々な 国 際 プロジェクト
1000 人 ゲノム,がんゲノムアトラス, メタゲノム
パーソナルゲノム 時 代 の 到 来 :10 万 円
幹 細 胞 性 (stemness) 理 解 への 急 速 な 展 開
iPS 細 胞 と 細 胞 networkの 再 programming
がん 転 移 (EMT): 細 胞 networkの 分 化 転 換
オミックス 医 療 とシステム 分 子 医 学
疾 患 オミックス・プロファイルの 発 展
膨 大 な 情 報 の 取 り 扱 い data-intensive computing
「 細 胞 ネットワークの 歪 構 造 」としての 疾 患
パスウェイ 個 別 化 医 療 ,システム 創 薬 ,4P 医 学
DNAチップ
TOF MS

これまでゲノムの 知 識 を
どう 医 学 に 役 立 てようとしたか

分 子 医 学 はまず
ゲノム 医 学 / 医 療 として
始 まった
ー 分 子 医 学 の 第 1 世 代 ー

細 胞
ゲノムとは
ー 真 核 細 胞 ー
染 色 体

DNAから 染 色 体 まで
B.アルバーツ et al.
「 細 胞 の 分 子 生 物 学 」( 第 2 版 )
中 村 桂 子 ・ 松 原 謙 一 監 修 , 教 育 社

21 染 色 体 と 遺 伝 子 の 位 置

始 まりとしてのHuman Genome 計 画
ヒトゲノム: 遺 伝 子 2 万 数 千 、 当 初 10 万
1988 年 から 完 全 解 読 の 必 要 性 、 国 際 組 織
(HUGO:Human Genome Organization)
1990 年 : 日 米 欧 の 研 究 機 関 ( 世 界 16)
ヒトゲノム 計 画 がスタート
1998 年 : 米 Celera 社 ,ショットガン 法 提 案
2001 年 には 全 ヒトゲノムの 解 析 完 了 と 発 表
2000 年 6 月 : 公 共 粗 配 列 の 解 読 を 発 表
2001 年 2 月 Nature、Science 誌 に 特 集 号
2003 年 4 月 15 日 :
ヒトゲノム 計 画
精 密 配 列 完 成
DNA 構 造 発 見 から50 年

ゲノム 医 療 ( 第 1 世 代 )
生 得 的 なゲノム(constitutional genome)の 個 別 性 に
基 づいた 医 療 : 第 1 世 代 的 個 別 化 医 療
1980 年 代 : 疾 患 原 因 遺 伝 子 の 探 索
約 300ほどのマーカ, 大 家 族 データと
positional cloningで 原 因 遺 伝 子 を 探 索
Huntington 病 , 筋 dystrophy, 嚢 胞 性 線 維 症
1990〜2000 年 代 : 疾 患 感 受 性 遺 伝 子 の 探 索
多 型 性 (SNP, microsatelliteなど), GWAS
Common disease – common variant 仮 説
Common disease – multiple rare variants 仮 説
しかし 遺 伝 子 型 相 対 リスク(GRR) 最 大 で1.5 程 度
生 活 習 慣 4〜6( 喫 煙 肺 がん 日 4.8, 米 22.4)
関
係
が
遠
い
臨 床 表 現 型
生 殖 細 胞 系 列
ゲノム 変 異 ・ 多 型
疾 患 関 連 遺 伝 子
疾 患 リスク 評 価
薬 剤 応 答 診 断
テーラメイド 医 療
個 別 化 医 療

主 な 疾 患 の 疾 患 関 連 遺 伝 子
疾 患 原 因 遺 伝 子 ・ 感 受 性 遺 伝 子 座 位
ハンチントン 病 HTT(huntingtin) 遺 伝 子 4p16.3
筋 ジストロフィー DMD(dystrophin) 遺 伝 子 Xp21.2
嚢 胞 性 線 維 症 CFTR 遺 伝 子 7q31.2
家 族 性 大 腸 ポリポーシス APC 遺 伝 子 5q21-q22
色 素 性 乾 皮 症 XPA 遺 伝 子 (Aグループ) 9q22.3
炎 症 性 大 腸 炎 CARD1 遺 伝 子 など 16q21
統 合 失 調 症 COMT 遺 伝 子 など 22q11.21-23
2 型 糖 尿 病 CAPN10 遺 伝 子 など 2q37.3
晩 発 性 アルツハイマー APOE 遺 伝 子 など 19q13.2
遺 伝 性 乳 がん BRCA1/2など 17q21/13q12
慢 性 骨 随 性 白 血 病 BCR-ABL 融 合 遺 伝 子 22q11
腎 臓 がん VHL 遺 伝 子 3p25.3

テーラメイド 投 薬 PGx
受 容 体
PD ( 薬 動 力 学 ) 薬 剤 多 型 性 と 分 子 標 的 薬
チロシンキナーゼ 阻 害 剤 のPD 薬 剤 多 型 性
イレッサ(gefitinib)EGFR-TKI
Super responder:exon 19の 欠 失 , 21のL858R 変 異
ヒト 化 モノクローナル 抗 体
ハーセプチン(transtuzumab) :HER2
PK ( 薬 物 動 態 学 ) 薬 剤 多 型 性 と 代 謝 酵 素 多 型
ADMETの 個 別 性 、 代 謝 酵 素 extensive/poor metabolizer
薬 剤 代 謝 酵 素 の 有 名 な 遺 伝 子 多 型 P450など
細 胞 膜
分 子
変 異

ゲノム 医 療 以 降 、 分 子 医 学 はどう
進 展 したか
現 に 進 行 している 病 気 を
早 期 に 発 見 し 今 後 を 予 測 する
オミックス 医 療 への 発 展
ー 第 2 世 代 の 分 子 医 学 ー

第 2 世 代 オミックスとは
1990 年 ヒトゲノム 解 読 計 画 開 始
2001 年 Nature、Science 誌
2003 年 ヒトゲノム 精 密 配 列 解 読
細 胞
核
DNA
オミックス(Omics)
= -Ome( 全 体 )+-ics( 学 )
細 胞
細 胞 核
DNA
mRNA
タンパク 質
転 写 翻 訳 過 程
前 駆 RNA
スプライシング
成 熟 RNA
細 胞 質
ゲノム
genomics
トランスクリプトーム
transcriptomics
プロテオーム
proteomics
メタボローム
metabolomics
genome
ゲノム(2m) 2 万 数 千 個 の 遺 伝 子
CGH
DNA microarray
TOF MS

オミックス 医 療 ー 予 測 医 療
疾 患 時 の 網 羅 的 分 子 病 態 像 ( 疾 患 オミックス・プロ
ファイル omic profile)に 基 く
後 天 的 な 分 子 病 態 像 の 基 づく 医 療 : 病 期 / 組 織 異 なる
疾 患 オミックスプロファイル
分 子 表 現 型 molecular phenome, 中 間 媒 介 性 , 網 羅 的 完 結
性
臨 床 症 状 や 病 理 学 的 変 化 に 比 べ、 疾 患 の 機 序 に 根 差 した
内 在 的 / 本 質 的 (intrinsic)な 病 態 情 報
疾 患 の「 表 現 型 」としてclinical phenomeよりも 前 に、 系
統 的 かつ 迅 速 に 変 化 する
臨 床 表 現 型
Metabolome
Proteome
Transcriptome
体 細 胞 ゲノム
早 期 診 断 / 予 後 予 測
疾 患 進 行 状 態 評 価
疾 患 詳 細 分 類
オミックス 医 療
予 測 医 療

疾 患 オミックスプロファイル
内 在 的 / 本 質 的 (intrinsic)な 疾 患 亜 型 分 類
疾 病 経 過 や 治 療 応 答 性 の 予 測 医 療
第 2 世 代 的 な 個 別 化 医 療
例 1 造 血 器 腫 瘍 ( 血 液 がん)のオミックス 医 療
急 性 白 血 病
骨 髄 性 /リンパ 性 白 血 病 の 区 別 (Golub 1999 )
びまん 性 大 細 胞 型 リンパ 腫 (DLBCL)
悪 性 リンパ 腫 の 大 半 亜 型 分 類 困 難 (Alizadeh 2000)
胚 中 心 B 細 胞 様 (GBC 型 ) 活 性 化 B 細 胞 様 (ABC 型 )

乳 がんのオミックス 医 療
n 遺 伝 子 発 現 プロファイルに 基 くintrinsicな 亜 型 分 類
(1) 上 皮 基 底 細 胞 様 型 (basal-like)
(2) HER2 陽 性 型 (HER2-enriched)
(3) 管 腔 上 皮 A 型 (luminal A)
(4) 管 腔 上 皮 B 型 (luminal B)
(5) 正 常 組 織 型 / 未 分 類 型
臨 床 病 理 より 予 後 予 測 / 治 療 応 答 性
Luminal B
n ER/HER2 受 容 体 発 現 による 分 類
u 遺 伝 子 発 現 プロファイルとほぼ 対 応
u Esrogen/Progesteron/HER2 受 容 体
Luminal A
u intrinsicな 分 類 と 受 容 体 分 類 の 関 係
ERBB+
Basal
←ホルモン 依 存 性
← 増 殖 因 子 依 存 性

乳 がんによる 予 測 医 療
予 後 因 子 (prognostic factor)/ 治 療 応 答 因 子 (responsepredictive
factor)
70 遺 伝 子 アムステルダムシグネチャー MammaPrint R
Van’t Veer (2002) 手 術 後 5 年 間 78 例
無 再 発 44 例 と 再 発 34 例
細 胞 周 期 (cyclinE2, MCM6 ) 侵 潤 や 転 移
(MMP9), 血 管 新 生 (ESM1,VEGF 受 容 体 FLT1)
FDAより 承 認 : 体 外 診 断 多 変 数 指 標 測 定 装 置
in vitro diagnostic multivariate index assay, IVDMIA (2007)
Multi-geneアッセイよる 再 発 スコア(RS) oncotypeDX TM
21 遺 伝 子 : 16 種 のがん 遺 伝 子 と5 種 類 の 対 照 遺 伝 子
乳 がん 再 発 リスク 評 価 : 再 発 スコアRS (recurrence score)
両 者 とも 欧 米 の 乳 がん 臨 床 には 欠 かせない
抗 がん 剤 の 治 療 感 受 性
Cheng(docetaxel), Ayer(paclitaxel)が 始 まり
Cheng :94 遺 伝 子 88%,Ayer: 術 前 補 助 療 法 74 遺 伝 子 78%

我 々の 研 究 室 での
がんバイオマーカ 探 索
肝 細 胞 がん BioMarker 探 索 肝 胆 膵 外 科 と 共 同 研 究
肝 炎 から 肝 がんへの 移 行 早 期 診 断 Biomarker 非 癌 部 でのCYP1A2の 発 現
Hepatology 2011
術 後 の「 激 しい 再 発 」の 予 測 因 子 として 細 胞 周 期 のM 期 キナーゼAurora
kinase B Br J Cancer 2000
予 後 不 良 の 多 結 節 融 合 型 の 肝 細 胞 がん 分 子 バイオマーカ: 幹 細 胞 マーカでも
あるEpCAM Ann Surg 2010
Importin-α1などの 進 行 性 の 肝 がんのマーカ Ann Surg. Onc2010
大 腸 がん Biomarker 探 索 消 化 器 外 科 と 共 同 研 究
予 後 予 測 因 子 として
アポトーシス 因 子 TRAILを 不 活 性 化 する
OPG (osteoprotegerin) Clin Cancer Res 2011
細 胞 接 着 系 とも 関 係 の 深 いMUC12 Int J Cancer 2010
肺 がん 国 立 がんセンターと 共 同 研 究
Nrf2-Keep1 系 と 肺 がん 抗 がん 剤 の 効 果 Cancer Res 2010
胃 がん 分 子 腫 瘍 と 共 同 研 究 Gut 2011

肝 細 胞 がんの 先 制 医 療
早 期 診 断 のProspectiveな 研 究 は 困 難
軽 症 (Milan 基 準 内 : 肝 内 転 移 なし)の 再 発 例 から 非 がん 部 での 遺 伝 子
発 現 profileを 測 定
東 京 医 科 歯 科 大 学 肝 胆 膵 外 科 (70 例 ) 他 の6 施 設 の 多 施 設 共 同 研 究
(220 例 ) Tanaka, et.al. Hepatology 2011
非 癌 部 のCYP1A2の 発 現 が 独 立 因 子 として 同 定
GSEA 解 析 により、 非 癌 部 のCYP1A2の 発 現 低 下 は、 活 性 酸 素 種 の
除 去 に 関 わるperoxisome 内 の 酵 素 群 と 相 関 が 見 られた
CYP1A2の 欠 失 ・ 発 現 低 下 による、 酸 化 ストレスによるDNA 損 傷 が
再 発 を 惹 起 することを 示 唆

疾 患 プロテオームプロファイリング
予 測 的 血 清 プロテオーム・プロファイリング
Predictive Serum Proteomic Profiling
Petricoin: 卵 巣 がんの 早 期 診 断 に 適 用
質 量 スペクトルに 機 械 学 習 を 適 応
化 学 修 飾 されたアフィニティチップを 用 いる 表 面 エンハンス 型 レーザー 脱
離 イオン 化 法 ) Seldi TOF MS
Lancet 2002に 掲 載 99%の 的 中 率
過 学 習 による 誤 りと 判 明 → システム 分 子 医 学 へ
検 証 法 : 分 子 実 体 への 投 射
u 肺 がん,ヒトT 細 胞 白 血 病 、 尿 にも: 尿 路 上 皮 がん
我 々の 研 究 室 での 成 果
肝 がんの 早 期 診 断
質 量 スペクトル 主 成 分 (PLS)
が 有 効
AFP,PIVKAIIは 確 定 診 断
千 葉 大 と 共 同 研 究 (Br.J.Cancer2010)
Seldi-TOF MS
早 期 がん
非 がん

分 子 医 学 の 到 達 点
病 気 をその 基 底
分 子 ネットワークから 認 識 し
合 理 的 で 有 効 な 医 学 へ
システム 分 子 医 学 へ
ー 第 3 世 代 分 子 医 学 ー

システム 分 子 医 学 の 到 来
疾 患 を「 分 子 ネットワークの 歪 み」として 捉 える
システム 生 物 学 の 概 念 の 疾 患 領 域 への 応 用
「 疾 患 をシステムとして 理 解 する」
これまでの 分 子 医 学
分 子 中 心 的 (molecule-centric)な 見 方 疾 患 特 異 的 な 分 子 変 化 が 原 因
遺 伝 子 変 異 やタンパク 質 異 常 など
monogenic diseaseに 有 効 、 多 因 子 性 疾 患 multifactorial diseaseには 無 効
システム 分 子 医 学
u 分 子 ネットワークの 持 続 的 な 機 能 不 全 や 歪 み
u 分 子 ネットワーク 病 態 学 (network centric) 中 心 的
臨 床 表 現 型
Metabolome
Proteome
Pathway
患 者 特 異 的 分 子
ネットワークの 歪 み
パスウェイ 調 節 不 全
予 測 / 先 制 医 療
Transcriptome
Network
体 細 胞 ゲノム
システム 分 子 医 学

G
MAP
cAMP
-
Transpath http://transpath.gbf.de/
…

遺 伝 子 発 現 制 御 ネットワーク
シグナル 伝 達
転 写 因 子 A
シス 調 節 エレメント
遺 伝 子 配 列
転 写 因 子 B
転 写 因 子 B
転 写 因 子 C
転 写 因 子 C

The Virtual Heart Project
NobleOxford Univ,
in silico
3000
100
in silico
in silico
FDAin silico
Noble D: Science
2002;295:1678-16
82.

システム 生 物 学 の 医 療 / 創 薬 応 用 の 現 況
国 際 的 にも 様 々な 名 称
disease systems biology, systems pathology, medical
systems biology, translational systems biology
背 景 :
近 年 信 号 伝 達 系 や 遺 伝 子 発 現 制 御 についての 知 識 お
よび 疾 患 によるその 変 容 が 急 速 に 発 展 した。
Systems biologyの 適 応 領 域 も 疾 患 が 増 加
最 近 開 かれたSBの 国 際 会 議 でも1/3が 疾 患 ・ 薬 剤
「がんのシステム 生 物 学 」 研 究 の 興 隆
cancer systems biology:パスウェイの 病 気
Institute for CSBは 全 米 で10 以 上
国 際 学 会 や 総 説 論 文 (Kreeger2010Carcigen 等 ) 成 書 (Wang 等 )

モデルに 用 いた 微 分 方 程 式 の 右 辺 の 例
Reaction no.
ErbB2シグナル 系 モデル
質 量 作 用 の 法 則 と
Michaels-Menten 方 程 式 を 用 いて
EGFRの 変 異 L858R 変 異 とgefinitib
の 関 係 をシグナル 伝 達 モデル 化 して
シミュレーション
BMC Syst.Biol.2010
Biochemical reactions
12 k 12 * [E11P/ShcP] * [Grb2/SOS ]- k - 12 * [E11P/ShcP/Grb2/SOS]
13 k 13 * [E11P/ShcP/Grb2/SOS] - k -13 * [E11P] * [ShcP/Grb2/SOS]
14 k 14 * [ShcP/Grb2/SOS] - k -14 * ShcP * [Grb2/SOS]
15 V 15 * [E11P/ShcP/Grb2/SOS] * [RasGDP] / (K m15 * (1.0) + [RasGDP])
16 V 16 * [RasGTP] / (K 16m * (1.0) + [RasGTP])
17 V 17 * [E11P/GAP] * RasGTP / (K m17 * (1.0) + [RasGTP])
18 V 18 * [RasGTP] * [Raf1] / (K m18 * (1.0) + [Raf1])
19 V 19 * [Raf1A] / (K m19 * (1.0) + [Raf1A])
20 V 20 * [Raf1A] * [MEK] / (K m20 * (1.0 + [MEKP] / K m22 ) + [MEK])
21 V 21 * [PP2A] * [MEKP] / (K m21 * (1.0 + [MEKPP] / K m23 ) + [MEKP])
22 V 22 * [Raf1A] * [MEKP] / (K m22 * (1.0 + [MEK] / K m20 ) + [MEKP])
23 V 23 * [PP2A] * [MEKPP] / (K m23 * (1.0 + [MEKP] / K m21 ) + [MEKPP])
24 V 24 * [MEKPP] * [ERK] / (K m24 * (1.0 + [ERKP] / K m26 ) + [ERK])
25 V 25 * [MKP3] * [ERKP] / (K m25 * (1.0 + [ERKPP] / K m27 ) + [ERKP])
26 V 26 * [MEKPP] * [ERKP] / (K m26 * (1.0 + [ERK] / K m24 ) + [ERKP])
27 V 27 * [MKP3] * [ERKPP] / (K m27 * (1.0 + [ERKP] / K m25 ) + [ERKPP])

疾 患 の 階 層 的 自 己 組 織 化
上
向
的
因
果
性
遮 蔽
症 候 論 的 レベル
個 体 統 合 環 境
組 織 - 病 理
細 胞 レベル
組 織 形 態 制 約
統 合 作 用
集 団 化
下 向 因 果 性 の 例 ( 高 血 圧 )
個 体 の 高 血 圧 状 態 は 血 管 の 内 皮 細 胞 の 遺 伝 子
を 発 現 させて 高 血 圧 を 維 持 するために 血 管 の
硬 さを 高 める ( 毛 細 血 管 のリモデルリング)
下
向
的
因
果
性
個 体 レベルの 異 常 症 状
病 理 ・ 組 織 異 常
異 常 化 細 胞 集 団
異 常 化 細 胞
ネットワーク 異 常

疾 病 の 形 成 構 造
個 体 レベル 臨 床 表 現 型
臓 器 レベル
病 態 生 理 学 的 機 構
細 胞 / 組 織
病 理 形 態 学 変 化
疾 患 オミックス
プロファイル 変 化
細 胞 間 コミュニケーション 不 全
患 者 特 異 的
分 子 ネットワークの 調 節 不 全
ネットワーク
結 合 変 化
Wiring 変 化
変 異 タンパク
質 遺 伝 子 変 異
変 異 タンパク
質 遺 伝 子 変 異
変 異 タンパク
質 遺 伝 子 変 異

システム 分 子 医 学 の 方 法 論
n
疾 患 オミックスプロファイル(disease omic profile)から
患 者 特 異 的 分 子 ネットワークの 調 節 不 全 分 枝 同 定
ネットワーク 同 定 ディファレンシャル 法
正 常 の 推 定 結 果 と 疾 病 組 織 の 推 定 ネットワークのdifferential
Dysregulated pathway(subnetwork)の 同 定
パスウェイ 同 定 バイオマーカの 構 築 と 利 用
u シグナルパスウェイ 活 性 の 観 測
u 疾 患 オミックスプロファイルだけでは 調 節 不 全 分 枝 の 同 定 は 困 難
患 者 特 異 的 分 子 ネットワーク 認 識 に 基 いた 治 療 方 針 の 策 定
疾 患 オミックスプロファイル
システム 推 定 法
分 子 ネットワーク 推 定
総 合 同 定
パスウェイ 認 識 マーカ
マーカ 観 測
患 者 特 異 的 分 子 ネットワーク 病 態 分 枝
パスウェイ 標 的 治 療 計 画 の 立 案

オミックスから 疾 患 パスウェイ 同 定
Transcriptomicsのみに 基 くパスウェイ 同 定 法
Boolean networkによる 方 法
相 互 情 報 量 によるパスウェイ 同 定
ARACNe (Algorithm for the Reconstruction of Accurate Cellular Networks) B 細 胞
ネットワークに 利 用
微 分 方 程 式 によるパスウェイ 同 定 法
NIR(network idenftification by multivariate regression)
Baysian network 法 による 同 定
パスウェイ 知 識 参 照 型 のパスウェイ 方 法
CGI(combining the gene expression and protein interaction data) 法
タンパク 質 相 互 作 用 ネットワークに 射 影
ORA (over-representation analysis) 法
差 異 的 発 現 遺 伝 子 を 優 位 に 多 く 含 むパスウェイを 抽 出 する。
GSEA (gene set enrichment analysis) 法
健 常 と 疾 患 などの2 群 分 類 基 準 とパスウェイに 含 まれる 各 遺 伝
子 の 相 関 からリストをつくり、これが 高 い 方 に 偏 っているか
検 定 して、 関 係 の 高 いパスウェイを 見 出 す。

パスウェイ 標 的 治 療
これまでの 分 子 標 的 薬 は 副 側 路 の 存 在
のために 有 効 でないものもあった
MAPキナーゼを 抑 制 するMEK 阻 害 剤 は
低 い 奏 功 率
AKT 経 路 活 性 化
制 効 果 低
MEKのみでは 腫 瘍 抑
パスウェイ 認 識 バイオマーカを 複 数 配
置 して 活 性 化 パスウェイを 同 定
pS6 抗 体 によるAkt-mTOR 系 活 性 計 測
パスウェイ 準 拠 薬 剤 療 法
患 者 特 異 的 分 子 ネットワークの 調 節 不
全 パスウェイ 分 枝 を 同 定
活 性 化 パスウェイの 上 流 と 下 流 で 阻 害
剤 投 与

Pathway 認 識 型 biomarkerと
pathway addict
The phosphatidylinositol-3-OH kinase
(PI(3)K)–PTEN–mTOR パスウェイが
異 常 に 多 くのがんにおいては 活 性 化 され
る
細 胞 の 増 殖 や 成 長 が 制 御 不 全 になる。
パスウェイの 活 性 化 は、PTEN mRNA
の 消 失 などのようなパスウェイ 準 拠 型
バイオマーカによって 計 測 される。.
Akt- mTOR を 経 由 する 分 枝 を 頻 用 し
ているかどうかはribosomal protein S6
のリン 酸 化 形 態 の 大 存 在 によってわ
かる。
Rapamycinが 有 効 かどうかの 判 定 となる
また 増 殖 のマーカとしては, Ki-67. IRS,
insulin-receptor 基 質 ; S6K1, ribosomal
protein S6 kinase, 70-kDa, polypeptide 1
によってわかる

病 態 予 測 型 Pathway biomarker
大 腸 がん 転 移 バイオマーカ
n アポトーシスの 消 失 や
増 殖 パスの 過 剰 活 性 化
n COX2-EGFRパスウ
ェイに 含 まれる6 個 の
酵 素 およびリン 酸 化 酵
素 基 質
(COX2,pEGFR,pERK,pA
KT,pc-Abl,pBAD)が
著 明 に 転 移 大 腸 がんに
おいて 活 動 している
n 転 移 予 測 パスウェイマー
カ

システム 創 薬
オミックス 創 薬 の 限 界 を 克 服
発 現 解 析 に 含 まれる 間 接 的 変 動 の 除 去
分 子 ネットワークレベルにmappingして 経 路 探 索
薬 剤 投 与 発 現 profileからの 薬 効 伝 播 network 同 定
疾 患 分 子 networkとの 接 続 路 探 索
疾 患 維 持 機 構 の 開 ループ 化
Diseasome, Genomedからの 医 薬 品 reprofiling 戦 略
Disease gene, Target geneの 分 子 標 的 ネットワーク 解 析
薬 剤 投 与
発 現 変 動
network
薬 剤
疾 患 分 子
発 現
network
疾 患
大 腸 菌 のSOS 経 路 でDNA 損 傷 などのストレス 細 胞 応 答 を 調 節 する
9つの 遺 伝 子 からなる 遺 伝 子 調 節 ネットワークをNIRで 推 定 (Gardner)

第 1 世 代 の 網 羅 分 子 情 報 による
疾 患 分 類 学
BarabasiのDiseasomeと 疾 患 遺 伝 子
OMIMから 1,284 疾 患 と 1,777 疾 患 遺 伝 子 を 抽 出
ヒト 疾 患 ネットワーク(HDN)
867 疾 患 は 他 疾 患 へリンクを 持 つ。
516 疾 患 が 巨 大 クラスターを 形 成
大 腸 がん、 乳 がんがハブ 形 成
がんはP53 やPTENなどにより 最 結 合 疾 患
疾 患 遺 伝 子 ネットワーク(DGN)
1377 遺 伝 子 は 他 遺 伝 子 へ 結 合
903 遺 伝 子 が 巨 大 クラスター
P53がハブ
ランダム 化 した 疾 患 / 遺 伝 子 ネットワークに 比 べ
巨 大 クラスターのサイズが 有 意 に 小 さい
疾 患 遺 伝 子 は 機 能 的 なモジュール 構 造
同 じモジュールに 属 する 遺 伝 子 は 相 互 作 用 し
同 一 の 組 織 で 共 発 現 し、 同 じGOを 持 つ

第 1 世 代 網 羅 分 子 情 報 による 疾 患 分 類 学
Diseasomeと 疾 患 遺 伝 子 (Goh, Barabasi PNAS2007)
OMIMから 1,284 疾 患 と 1,777 疾 患 遺 伝 子 を 抽 出
ヒト 疾 患 ネットワーク(HDN)
1つ 以 上 の 疾 患 関 連 遺 伝 子 を 共 有 する 疾 患
疾 患 遺 伝 子 ネットワーク(DGN)
1つ 以 上 の 疾 患 を 共 有 する 疾 患 関 連 遺 伝 子

疾 患
ネットワーク(HDN)
Nodeの 径
疾 患 に 関 与 している 原 因
遺 伝 子 の 数 に 比 例
リンクの 太 さ
疾 患 間 で 共 有 している
原 因 遺 伝 子 の 数
特 徴
867 疾 患 は 他 疾 患 へリンクを 持 つ
516 疾 患 が 巨 大 クラスターを 形 成
大 腸 がん、 乳 がんがハブ 形 成
がんはP53 やPTENなどにより 最
も 密 接 に 結 合 している 疾 患
疾 患 遺 伝 子
ネットワーク(DGN)
Nodeの 径
その 遺 伝 子 を 原 因 にして
いる 疾 患 の 数 に 比 例
特 徴
1377 遺 伝 子 は 他 遺 伝 子 へ 結 合
903 遺 伝 子 が 巨 大 クラスター
P53がハブ
疾 患 遺 伝 子 は 機 能 的 なモジュー
ル 構 造
同 じモジュールに 属 する 遺 伝 子
は 相 互 作 用 し 同 一 の 組 織 で 共 発
現 し 同 じGOを 持 つ

第 2 世 代 網 羅 分 子 情 報 による 疾 患 分 類 学
遺 伝 子 発 現 プロファイルを 用 いた 疾 患 分 類 学
GENOMED (A.Butte 2007)
遺 伝 子 発 現 DBのGEO(Gene Expression Ominibus) 利 用
約 20 万 のサンプル
疾 患 名 は 注 釈 文 より 用 語 集 UMLSを 用 いて 抽 出
疾 患 ごとに 多 数 の 遺 伝 子 発 現 パターンを 平 均 化
疾
患
(150)
遺 伝 子 (1100)

Gene-Expression Nosology of Medicine
疾 患 を 平 均 遺 伝 子 発 現 パターンよりクラスター 分 類
臓 器 別 疾 患 分 類 では 予 想 できない 疾 患 間 の 親 近 性
分 類 項 目 はサイトカインの 遺 伝 子 発 現 と 相 関
疾 患 の reprofiling に 基 づいた 医 薬 の reprofiling
さらに656 種 類 の 臨 床 検 査 を 結 合 した 分 析

網 羅 的 分 子 医 療 3 世 代 と 特 徴

分 子 から 臨 床 まで
統 合 的 医 療 データベース
(iCOD)

目 的
「 網 羅 的 分 子 情 報 に 基 づく 統 合 的 個 別 化 医 学 (オミックス 医 学 )」の 確 立 の
ためには 網 羅 的 分 子 情 報 と 疾 患 病 態 の 関 連 を 明 確 に 体 系 づけた 統 一 的 な 病 態 像
を 提 示 し、 散 在 するOmics 情 報 を 医 学 観 点 から 統 合 することが 必 要 である。
本 研 究 では、 両 者 を 可 能 な 限 り 関 係 付 けて 統 合 し、これらの 複 合 的 な 情 報 を
総 合 し 疾 患 理 解 ・ 治 癒 に 対 する 関 連 性 を 明 示 的 に 示 した 網 羅 的 分 子 病 態 データ
ベース 構 築 方 法 論 の 確 立 とその 実 証 的 構 築 を 行 う 事 を 目 的 とする。
網 羅 的 分 子 情 報 (Omics)
網 羅 的 分 子
情 報
臨 床 環 境
情 報
Data
Mining
臨 床 ・ 病 理 ・ 生 活 習 慣 情 報
網 羅 的 疾 患 分 子 病 態
データベース

症 例 情 報 収 集 状 況
網 羅 的 分 子 情 報 収 集
症 例 数
発 現 解 析
コピー 数 解 析
検 体 正 常 部 位 検 体 正 常 部 位
肝 臓 がん 367 204 145 107 35
原 発 性 凍 結 41 29 0 34 0
原 発 性 新 鮮 301 157 130 66 35
転 移 性 新 鮮 25 18 15 7 0
大 腸 がん 184 131 28 39 40
結 腸 128 102 28 36 36
直 腸 37 29 0 3 4
口 腔 がん 148 20 0 64 2
凍 結 64 0 0 64 2
新 鮮 84 20 0 0 0
合 計 699 355 173 210 77

症 例 一 覧
照 会 / 検 索
臨 床 / 病 理
詳 細 情 報
遺 伝 子 発 現
プロファイル 等
オミックス 情 報
45
検 索 機 能
対 象 となる 疾 患 、 臨 床 ・ 診 断 情 報 を
キーワードに、 該 当 する 症 例 を 検 索

症 例 別 の 分 子 / 病 理 / 臨 床 情 報 の 画 面 展 開
個 別 症 例
詳 細 情 報

臨 床 オミックス 解 析
分 子 / 病 理 / 臨 床 階 層 間 関 連 解 析
2 次 元 3 層
マップ
臨 床 / 病 理 / 分 子 層 関 連 表 示
パラメータ 設 定
Pathome-
Genome
Map
47
臨 床 / 病 理 / 分 子 の 情 報 を 横 断 的 に 解 析 し
病 態 と 分 子 情 報 の 相 関 関 係 を 解 明

がんの 転 移 とEMT

浸 潤 ・ 転 移 のシステム 的 理 解
細 胞 転 写 ネットワークの 相 転 移 としての 侵 潤 / 転 移
血 管 侵 潤 ・ 転 移 を 起 こす 機 構 としてEMT がある
Epithelial-Mesenchymal Transition
不 動 の 極 性 をもった、セルセル 結 合 に 拘 束 された 上 皮 細 胞 が、
極 性 を 持 たない、 可 動 性 のあり、 浸 潤 性 のある 間 葉 細 胞 に 変 換
される
発 生 の 基 本 機 構 : 原 腸 陥 入 (archenteron gastrulation)
遺 伝 子 発 現 のパターンが 変 容 する
E-cadherin, integrin and cytoskelton, vimentin

浸 潤 転 移 のDisease Systems Biology
細 胞 分 子 ネットワーク 空 間
細 胞 分 子 ネットワークはいくつかの 安 定 解 を 持 つ
各 安 定 解 は 細 胞 種 類 に 相 当 する( 約 200 種 類 の 安 定 解 )、 細 胞
ネットワークが 作 る 空 間 の「アトラクター 軌 道 」
Cancer Attractor (Kauffman) 幹 細 胞 から 分 化 した 解 である
EMT( 上 皮 ・ 間 葉 転 移 )Epthelial-mesenchymal Trans.
細 胞 分 子 ネットワークの 上 皮 安 定 解 が 間 葉 安 定 解 へと 移 行
全 ネットワーク 状 態 の 転 移 であるから「 相 転 移 」といえる
がんの 進 行 とはEMTが 大 きな 役 割 を 果 たす
安 定 解 を 不 安 定 化 し、 障 壁 を 越 えるためにはゲノムの 不 安
定 性 が 必 要 である。ポジティブ 帰 還 の 必 要 性
その 後 、バリアを 越 えてEMTが 起 こる

網 膜 色 素 上 皮 細 胞 ( 培 養 細 胞 )におけるEMT
網 膜 色 素 上 皮 細 胞 の
EMT 過 程 における
遺 伝 子 発 現 プロファイル
Takahashi E, Nagano O, et al. (2010)
Tumor necrosis factor-alpha regulates
transforming growth factor-beta-dependent
epithelial-mesenchymal transition by
promoting hyaluronan-CD44-moesin
interaction.
J Biol Chem. 285(6):4060-73.

解 析 方 法
網 膜 色 素 上 皮 細 胞 のセルライン(ARPE-19)
TGFβ, TNFαで 処 理 EMTを 誘 導
RNAを 抽 出 (0, 1, 6, 16, 24, 42, 60 時 間 )
DNA Chipで 遺 伝 子 発 現 プロファイルを 観 測
Affy HGU133 Plus 2.0
ARACNeを 適 用 して 分 子 ネットワークを 同 定
Margolin AA, et al. (2006) BMC Bioinformatics 7 (Suppl 1): S7
TRANSPATHを 用 いて 転 写 因 子 を 追 加
遺 伝 子 数 を 限 定 し 時 間 的 な 遺 伝 子 発 現 調 節 ネットワーク 同 定
使 用 した 遺 伝 子
連 続 した2 時 点 間 で 差 異 発 現 遺 伝 子 2,218 probe (1,797 genes)
一 定 傾 向 の 遺 伝 子 2,594 probe sets (2,112 genes)
EMT 関 連 既 知 遺 伝 子 109 probe sets (34 genes)

がんEMTネットワーク 推 定 結 果
ARACNe;
p80%
filtering transcriptional regulations in TRANSPATH database

Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
42h
60h
epithelial
marker
mesenchymal
marker

Results
Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
epithelial
marker
42h
60h
KRT18 and CDH1 genes are epithelial marker genes, and expressed only
in early stage of EMT process.
mesenchymal
marker

Results
Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
epithelial
marker
42h
60h
mesenchymal
marker
SNAIL1/2, TWIST1/2, ZEB1, and KLF8 genes have been known to repress
CDH1 gene. Loss of CDH1 expression is known to occur in early stage of EMT
process.

Results
Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
epithelial
marker
42h
60h
mesenchymal
marker
SNAIL1/2 gene is known to induce ZEB1 gene, and up-regulated ZEB1 gene
repress expression of CDH1 gene, which results in loss of CDH1 expression.

Results
Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
epithelial
marker
42h
60h
mesenchymal
marker
SP1 gene is known to induce expression of VIM gene and to be essentials gene
for EMT process. VIM gene has gene regulatory relations with SNAIL1/2 gene.

Results
Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
42h 60h
ECM production
epithelial
marker
mesenchymal
marker
In the TGFB signaling, ECM production is known to be induced in the
downstream of SMAD2, which is known to advance EMT process.

Results
Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
42h
60h
epithelial
marker
mesenchymal
marker
Mesenchymal marker genes expressed only in later stage of EMT process. SP1
and ZNF148 genes are predicted to regulate them.

Results
Cancer EMT transcriptional regulatory network
0h
1h
6h
16h
24h
42h
60h
epithelial
marker
mesenchymal
marker

細 胞 ネットワークのアトラクター 遷 移
iPS 細 胞 と 細 胞 ネットワーク
山 中 (2006) 線 維 芽 細 胞 にOct4,Sox2,c-Myc,Klf4の 導 入
1 万 個 以 上 の 導 入 細 胞 のなかに1 個
30 日 間 の 培 養 が 必 要
何 が 起 こっているのか
細 胞 ネットワークの 漸 次 的 変 動
準 安 定 (metastable) 状 態 の 継 続 的 遷 移
2 段 階 の 再 プログラミング
C-MycとKlf4;
エピゲネティックな 制 御 クロマッチンの 状 態 変 化
Oct4とSox2
分 化 した 細 胞 ネットワーク 状 態 を 未 分 化 にする
Yu (2009)Science4つの 遺 伝 子 を 除 いても 安 定
再 プログラミングの 契 機 を 作 った 転 写 因 子 導 入

生 命 分 子 ネットワークと
システム 創 薬

分 子 標 的 を 分 子 ネットワークでの
トポロジカルな 性 質 から 見 る
薬 の 標 的 となるタンパク 質 は 細 胞 内 外
で 孤 立 して 機 能 するわけではない、む
しろ 高 度 に 相 互 結 合 した 細 胞 分 子 ネッ
トワーク(interactome)の 中 で 機 能 する
システム 的 な 創 薬 戦 略 : 細 胞 分 子 ネッ
トワークと 疾 患 ネットワークの 相 互 関
係 (context)の 中 での 薬 剤 標 的 分 子 の 機 能
に 基 づいて 創 薬 設 計 を 行 なう

複 雑 系 ネットワーク 理 論
複 雑 系 の 理 論 を 生 命 認 識 につかう
「 複 雑 系 生 物 学 」 2つの 論 理
平 衡 の 論 理 :すべては 平 衡 ( 平 均 )へと 収 束 (ポ
アソン 分 布 )
非 平 衡 の 論 理 : 差 異 的 秩 序 形 成 の 原 理 差 は 増 大
する(べき 乗 則 )
相 転 移 に 出 現
( 分 子 間 相 関 長 の 分 布 )
無 秩 序 ― 秩 序 の 間 の
自 己 組 織 化
雪 崩 のサイズ 頻 度 分 布
地 震 のマグニチュード 頻 度 分 布

たんぱく 質 相 互 作 用 ネットワークの 大 域 構 造 の
代 表 的 な 先 行 研 究
致 死 性 のあるタンパク 質
Jeong et al Nature 411 2001
http://www.nd.edu/~networks/より
ネットワークの 階 層 性 Maslov et al Science 296 2002

結 合 次 数 ごとの 層 別 化 ネットワーク 構 造 の 解 析
ネットワーク 全 体
頻
度
Distribution of PIN
μ
μーδ
μ+δ
結 合 数
この 範 囲 内 (μ-δ~μ+δ)に 含
まれる 結 合 数 を 持 つタンパク 質 のみ
で 構 成 されるネットワークを 全 体 か
ら 切 り 出 す。( 範 囲 外 のタンパク 質
と 相 互 作 用 は 全 て 取 り 除 く。
移 動 層 別 化
3~5
切 り 出 されたネットワーク
クラスター 係 数
C=1 C=0.5 C=0

移 動 層 別 化 によるクラスター 係 数
高 いConnection Degreeを 持 つノード(スーパーハブ)は
お 互 いに 密 に 結 合 しない
結 合 数
中 程 度 の 結 合 数 (7~42)を 持 つタンパク 質 は、
多 数 の 密 なモジュールを 構 成 している。

タンパク 質 相 互 作 用 から 見 られる
生 命 情 報 ネットワークの 構 造
高 層
高 デグリーハブ
度 数
> 31 ヒト
> 39 酵 母
中 間 層
中 程 度 デグリー
度 数
6 ~30 ヒト
6 ~38 酵 母
低 層
低 デグリー
ブランチ
度 数

PLoS Comptutational Biology
Published, 30 October, 2009

PINのCloud Topology(3 環 トポロジー)
Yeast
Human
Middle-degree ノードは PIN backbone を 形 成 する.
灰 色 , 赤 , 青 は、それぞれ 低 層 、 中 層 、 高 層 のdegreeのノードをそれぞれ 表 す。

薬 剤 標 的 分 子 と 結 合 度 数
targets
中 層 レベルのノードは 治 療 薬 として 最 適 な 標 的 である。それゆえ、 多 くの
市 場 にある 薬 剤 標 的 は、ヒトのバックボーンタンパク 質 に 集 中 している

薬 剤 標 的 分 子 と 結 合 度 数
平
均
Degree
7
5
3
cancer
7.82
4.24
non-cancer
薬 剤 標 的
全 平 均
4.74
タンパク 質
全 平 均
4.06
抗 がん 剤 (P=0.01)の 標 的 分 子 は 平 均 的 にdegreeが 高 い
抗 がん 剤 がより 厳 しい 副 作 用 を 起 こす 理 由 である.

多 段 階 的 なネットワーク 分 解
1 回 目
77 個 の
モジュール
Rosvall M , Bergstrom C T
Module 43はさらに“28 個 ”のモジュ Module 43
PNAS 2007;104:7327-7331
ールに 分 割 される。
Module 43をさらに 分 解 し、
さらに、ネットワーク 上 の 領 域
を 絞 り 込 む。
Rosvall M , Bergstrom C T
PNAS 2007;104:7327-7331
2
回
目
それぞれの 疾 患 ( 薬 剤 の 種 類 )に 対
するSpecificなモジュールの 特 定 。

155 遺 伝 子
238 遺 伝 子
3 回 目 のモジュール 分 解 を 経 て
Kinase inhibitorの 標 的 と、モノクロナ
ール 抗 体 の 標 的 とは、“ 異 なる
モジュールに 存 在 ”ことが 判 明

CHRM1 (anti parkinson)
HTR1D (anti parkinson)
HTR3A ( 抗 精 神 病 薬 )
FCGR1A (monoclonal)
FCGR3A (monoclonal)
CD4 ( 免 疫 調 節 )
CDK2(kinase inhibitor)
SRC (kinase inhibitor)

度
数
全
タ
ン
パ
ク
質
薬
剤
標
的
疾
患
遺
伝
子
致
死
性
遺
伝
子
結 合 度 数
薬 剤 標 的 タンパク 質
致 死 的 タンパク 質
疾 患 関 連 遺 伝 子 タンパク 質 の
Drug target network
M A Yıldırım, K-Il Goh1,
M E Cusick, AL Barabási & M Vidal
NATURE Biotechnology 2007, 25 (10)1119-1126
標 的 タンパク 質 と 原 因 遺 伝 子 の 距 離
疾 患 遺 伝 子 と 距 離 0の 標 的
抗 癌 剤 の 標 的 と 疾 患
遺 伝 子 の 間 に 距 離

薬 剤 標 的 適 合 性 のシステム 予 測
タンパク 質 のネットワーク 性 質 から
薬 剤 標 的 として 適 切 性 を 予 測 可 能
L.Yao and A. Rzhetsky : Quantitative systems-level determinants of
humangenes targeted by successful drugs, Genome Res. 2008 18:
206-213
説 明 変 数
結 合 度 数 , betweenness
組 織 発 現 特 異 性 ,
同 義 置 換 非 同 義 置 換 比
タンパク 質 機 能 分 類
予 測 モデル
Bayesian 推 定 、
ロジスティック 回 帰 、
RBF 法 など

スーパーコンピュータへの
期 待

オミックス 医 療 /システム 分 子 医 学 時 代 における
計 算 量 の 爆 発 的 増 大
タンパク 質 3 次 元 構 造 の 予 測 的 計 算
タンパク 質 分 子 変 異 によるタンパク 質 相 互
作 用 ネットワークの 機 能 喪 失 ・ 機 能 獲 得
In silico 創 薬 標 的 分 子 への 分 子 設 計
疾 患 オミックス・プロファイルから 患
者 特 異 的 分 子 ネットワークの 同 定
Baysianネットワーク 同 定 法 : 次 元 の 呪 い
微 分 方 程 式 法 での 同 定

タンパク 質 の3 次 元 構 造 予 測
アミノ 配 列 情 報 からの 立 体 構 造 予 測
Anfinsenの 原 理
アミノ 酸 の1 次 配 列 からエネルギー 最 小 の 配 置
Folding 構 造 (1000ぐらい 冗 長 性 あり:PDB)
3 次 元 構 造 予 測
ホモロジーモデリング アミノ 酸 にホモロジー(30% 以 上 )
構 造 認 識 法 (Threading 法 ) アミノ 酸 のホモロジーが 低 くても 利 用 できる
Ab Initio 予 測 計 算 能 力 の 限 界
分 子 軌 道 法 (MO),フラグメント 法 (100 残 基 ~ 大 丈 夫 )
計 算 能 力 の 限 界
0.01Å 程 度 ポリモルフィン 環 程 度
合 理 的 医 薬 設 計
ドッキングスタディ
近 似 ab initio 法
分 子 力 場 (MM) 法
分 子 動 力 学 法
水 分 子 とタンパクとの 相 互 作 用
溶 質 の 連 続 性 近 似 など
カットオフ 距 離
立 体 構 造 の 解 析 から 機 能 の 解 析 へ

In silico 創 薬
FBDD (Fragment-based Drug Discovery)
フラグメント 分 子 軌 道 (FMO) 法 による 標 的 タンパ
ク 質 とリガンドの 相 互 作 用 解 析 に 基 づいた 創 薬 分 子
計 算 設 計
フラグメントとフラグメントペアについてほぼab
initio MO 法 の 分 子 計 算 とほぼ 同 じ
FBDDのアプローチ:
単 に2つのフラグメント 分 子 を 繋 ぐだけでなくフラ
グメント 分 子 と 標 的 タンパク 質 の 構 造 を 検 討 しなが
ら 側 鎖 を 延 ばし 化 合 物 構 造 を 最 適 化 していく

分 子 軌 道 法 によるインシリコ 創 薬 例
フラグメント 分 子 軌 道 (FMO) 法 の
SBDD(structure based drug design)
FBDD(fragment based drug design)
ヘの 適 用 例 (Evotec 社 )
X 線 構 造 解 析 か
ら2つのフラグ
メントを 抽 出
FMO 法 により
合 成 分 子 の 潜 在
的 な 結 合 力 を 計 算
Discovery of a Novel Hsp90 Inhibitor by Fragment Linking, John J Barker et al,
ChemMedChem (2010), DOI: 10.1002/cmdc.201000219

マルチオミックスプロファイル
からの 分 子 ネットワーク 同 定
CGH
TOF MS
DNA microarray
ネ
ト
ワ
ー
ク
同
定
法

システム 分 子 医 学 の 夢
断 層 像
再 構 成 技 術
CGH
TOF MS
DNA microarray
疾 患 マルチ
オミックス
プロファイル
スーパー
コンピュータ
逆 問 題
合 理 的 な
診 断 ・ 治 療
予 後 予 測
患 者 特 異 的 分 子 ネットワーク
調 節 不 全 分 枝 同 定

医 療 ・ 創 薬 のための
メディカル・
システムバイオロジー
-オミックス 医 療 から
システム 分 子 医 学 へ-
培 風 館 来 年 3 月 出 版

ご 静 聴 ありがとうございました