慶応義塾大学 SFC研究所
所長 村井 純 様
2003年度 SFC研究所研究プロジェクト助成金に関する報告書
研究課題： ゲノム情報を利用した新しい蛋白質機能推定法の確立
報告者：金井昭夫
所属：環境情報学部 助教授 （先端生命科学研究所 助教授）
連絡先：〒997-0017
慶応義塾大学先端生命科学研究所 バイオラボ棟
TEL: 0235-29-0524、FAX: 0235-29-0525
e-mail:
akio@sfc.keio.ac.jp
研究の背景と意義
近年、バクテリアからヒトに至るまで、各種の生物においてその全塩基配列が決定され、遺伝情報を既知かつ有限な形として利用できるようになった。しかしながら、塩基配列に内在される生物学的な意味を解明していくのは、これからの問題といってよい。遺伝情報は究極的にはDNA上の塩基の種類と並び方、組み合わせによって暗号化されていると考えられるため、バイオインフォマティクスによるゲノムレベルでの情報の抽出、整理、統合といった過程がポストゲノムの解析法として極めて重要になってくる。また、明らかとなった配列を解析してみるとその半数は生理的な機能が未知である。従って、ポストゲノム時代を担う重要なテーマの一つは、これら機能未知の蛋白質の生体内での役割を明らかにすることにある。
私は超好熱性古細菌から見出した新規のRNA結合性蛋白質の構造を解析している時に酸性と塩基性のアミノ酸が、おそらくは蛋白質の立体構造上で各々クラスターを形成していることに気がついた(研究業績 論文１)。この性状は一次構造を形成する特異的なアミノ酸残基の周期的な出現により構成される。そこで、このような特徴をゲノムレベルで探索し、同定していくことが出来れば、極めて新しい蛋白質の機能分類、推定法を確立することになる。以上のような発想かつ時代状況に鑑み、本研究を開始した。
研究の要旨
生命情報工学（バイオインフォマティクス）を用いた新たな2つの蛋白質機能推定法を提唱した。ここで，実験生物学での実証を鑑み、ゲノム情報が既知であり、かつ生化学的な実験に適した超好熱性古細菌Pyrococcus
furiosusをモデル生物に選んだ。また，機能性蛋白質として新規のRNA結合蛋白質を推定することを具体的な目的に据えた。まず、プロテオームを構成するアミノ酸の使用頻度、分子量、疎水度および特定のアミノ酸の周期性に関して解析し、これらの指標を段階的に用いることで、ある種の機能性蛋白質（特に膜蛋白質、リボソーム蛋白質、遺伝子制御蛋白質など）を分画可能なことを示した。さらに、本法を用いて、特に新規のRNA結合蛋白質候補29種を挙げた。このうち2つの候補（PF0029蛋白質及びPF1912蛋白質）について遺伝子工学を用いた実験をおこない、そのRNA結合性を確認した。次に，蛋白質を構成するアミノ酸が有する電荷の周期性に着目した解析を行なった。この周期性をウェーブレット変換することで、無駄なノイズを除去し、電荷情報の再構築を行った。この結果、大腸菌Escherichia
coliとP. furiosusに共通に保存されているRNA分解酵素RNase
HIIにおいて、アミノ酸配列の相同性が約30％程度しかないにもかかわらず、再構築した波形が酷似した。以上は、本稿で提唱した2つの方法が蛋白質の機能推定法として極めて有用であることを示唆している。
本研究は主に環境情報学部の藤島皓介によって推進された。また、この研究報告をまとめた論文は2003年度秋学期研究プロジェクト優秀論文として湘南藤沢学会から出版される予定である。
本研究に関連した研究業績
（１）
学会発表
1.
A.
Kanai, A. Sato and M. Tomita (2003) A flavin-dependent RNA-binding activity of archaeal thymidylate synthase. First IECA Conference on Systems Biology of E. coli.
2.
A.
Sato, A. Kanai, M. Itaya and M. Tomita (2003)
Expression cloning of a novel gene that encodes RNA-modifying enzyme from a
hyperthermophilic archaeon Pyrococcus
furiosus. First IECA Conference on Systems Biology of E. coli.
3.
K. Fujishima, J. Imoto, A. Kanai and M. Tomita (2003) A new
method for characterizing functionally unknown proteins using specific amino
acid frequency and periodicity at the proteome level. First IECA Conference on
Systems Biology of E. coli.
4.
A.
Kanai, A. Sato and M. Tomita (2003) Archaeal thymidylate synthase is a
flavin-dependent RNA-binding protein. RNA2003: 8th Annual Meeting of the RNA
Society,
5.
藤島皓介、井本淳、金井昭夫、冨田勝 (2003) アミノ酸の頻度及び周期性による超好熱性古細菌Pyrococcus furiosusにおけるプロテオーム機能分類法の確立
日本分子生物学会第26回大会 神戸
6.
佐藤朝子、金井昭夫、板谷光泰、冨田 勝 (2003) 発現クローニング法を用いた超好熱性古細菌Pyrococcus furiosusからの新規RNA修飾酵素の同定
日本分子生物学会第26回大会 神戸
7.
K. Fujishima, J. Imoto, A. Kanai and M. Tomita (2003) A new
method for characterizing functionally-unknown proteins using specific amino
acid frequency and periodicity at the proteome level. The 14th International Conference
on Genome Informatics GIW 2003,
8.
K. Fujishima, J. Imoto, A. Kanai and M. Tomita (2004) A new
Approach for protein function prediction via amino acid frequency and
periodicity at the proteome level. Frontiers in Bioinformatics: Structure,
Interaction and Function.
（２）
論文発表
1.
Kanai,
A., Oida, H., Matsuura, N. and Doi,
H. (2003) Expression cloning and characterization of a novel gene that encodes the
RNA-binding protein FAU-1 from Pyrococcus
furiosus. Biochemical Journal 372: 253-261.
2.
Sato,
A., Kanai, A., Itaya, M. and Tomita, M. (2003)
Cooperative regulation for Okazaki fragment processing by RNase HII and FEN-1
purified from a hyperthermophilic archaeon Pyrococcus
furiosus. Biochem. Biophys. Res. Commun. 309:
247-252
3.
Fujishima,
K., Imoto, J., Kanai, A. and Tomita, M. (2003) A new method for characterizing
functionally-unknown proteins using specific amino acid frequency and
periodicity at the proteome level. Genome
Informatics 14: 526-527.