メタボローム解析で何がわかるの?何をするの?基礎から徹底解説

メタボローム解析で何がわかるの?何をするの?基礎から徹底解説

「メタボローム解析」という言葉が生命科学の中で広く知られるようになってきましたが、具体的に何をする手法なのか想像しにくいのも確かです。そこで今回は、メタボローム解析とはそもそも何か、どのような目的で行い、どのような種類があるのか基礎から解説します。

メタボローム解析の特長とは?

メタボローム(metabolome)とは、代謝物(metabolite)と、ギリシャ語で全てを意味するomeを組み合わせた言葉です。直訳するなら「生体内に含まれる全ての代謝物」ですが、メタボローム解析と表現するときには「代謝物の網羅的解析」という意味で使われます(後述しますが、一つの方法で全ての代謝物を測定することはできないため、「網羅的」という表現がよく使われます)。

メタボローム解析では、表現型に近い情報を得られるという利点があります。遺伝子発現のステップは、DNAからmRNAへの転写、タンパク質への翻訳、そしてタンパク質による代謝が主要なルートです。

遺伝子変異があっても表現型が変わらないことはしばしばあり、その場合は最下流の代謝物の変動にほとんど変化がなかったから、と考えることができます。その点、代謝物の変動と表現型の差異が認められれば、高い可能性で両者が関連していると推測できます。

また、生物種を問わずに測定できるメリットもあります。ゲノム解析やトランスクリプトーム解析、プロテオーム解析では、生物種によってそれぞれのライブラリなどを使い分ける必要があります。

しかし、代謝物は、例えばアミノ酸ならアミノ酸で共通しているため、測定時に生物種の違いを考慮する必要はあまりありません。

メタボローム解析の目的

メタボローム解析を行う目的は、分野によってさまざまです。ここでは、メタボローム解析を「ターゲット解析」と「ノンターゲット解析」に大きく分けて解説します。

ターゲット解析とは、解析する代謝物をある程度絞り込み、正確かつ定量的に測定する方法です。解糖系やTCA回路など代謝経路が解明されていて、そのうちどの代謝物の量が変化しているのか知りたいときに向いています。例えば、がん細胞では、酸素の存在下でもTCA回路により酸化的リン酸化よりも解糖系によってエネルギーを得る傾向が強い「ワールブルグ効果」が知られています。どの代謝物の存在量が変化しているのかを調べることで、がん細胞特有の代謝を理解することにつながります。

もう一つのノンターゲット解析は、ターゲット解析よりも幅広い代謝物を測定します。生命現象を解明するためには未知の分子にも着目する必要があります。その際、先入観を持たずに網羅的に解析できるノンターゲット解析は強い味方となります。膨大なデータから仮説を組み立てる「データ・ドリブン」な方法といえます。疾患のバイオマーカーの探索にも向いています。

メタボローム解析は、動物以外にも行われています。腸内細菌叢の代謝分析や、農作物やアルコール飲料の産地・生産工場の差異分析にもメタボローム解析が使われています。

メタボローム解析全体の流れ

メタボローム解析の基本的な流れは、大きく分けて3ステップあります。

  1. サンプル収集と調整
    測定したいサンプルを集め、適切な方法やキットを用いて前処理を行います。親水性か疎水性か、極性の強弱によって前処理の方法は異なるので、分析対象に合わせた前処理を行う必要がります。

  2. サンプル分析
    専用の機器を用いて分析します。次の「メタボローム解析の種類」で詳しく解説します。

  3. データ変換と解析
    ソフトウェアを用いて分析結果のデータを、代謝物の名称と存在量に変換させます。そして、代謝マップに当てはめたり多変量解析したりして、データの生物学的意義を考察します。

メタボローム解析の種類

サンプル分析について細かく見ていきましょう。分析では、「分離」と「質量分析」を、連結した装置で行います。分離法は、主にガスクロマトグラフ(Gas Chromatograph、以下GC)、液体クロマトグラフィー(Liquid Chromatograph、以下LC)、キャピラリー電気泳動(Capillary Electrophoresis、以下CE)の3種類があります。

それぞれ質量分析(Mass Spectrometry)の装置である質量分析計と連結しているため、GC-MSなどと表記します。

GC-MS、LC-MS、CE-MSそれぞれに得手不得手があります。対象となる代謝物の特徴に合わせて選択することがポイントです。

  • GC-MS
    比較的簡単な操作で再現性の高いデータを得ることができます。基本的には低分子有機酸や芳香族化合物のような揮発性分子の測定に適しています。糖やアミノ酸などは、前処理の段階で誘導体化(揮発性や熱安定性に優れた誘導体に変えること)させて測定する必要があります。

  • LC-MS
    メタボローム解析ではよく使われる方法です。誘導体化は必要ないのでサンプルの前処理は簡単です。脂質などの疎水性代謝物を中心に、GC-MSよりも幅広い代謝物を測定できます。ただし、分離で用いる溶媒選択が複雑であり、条件検討に時間がかかるかもしれません。

  • CE-MS
    多くの場合、水溶性かつイオン性の代謝物質に限定されますが、陽イオン測定と陰イオン測定という2種類の測定条件で、高い定量性を持つ測定が可能です。アミノ酸や核酸などの測定に向いています。

質量分析のしくみとデータの意味

上記の分離法で分離された分子は順番にMSに注入されます。MSに注入されるまでの時間を「保持時間」といいます。

MSでは、分離された物質をイオン化させ、それを真空中に飛ばして質量を測定します(正確には、質量mと電荷の価数zの比であるm/zを測定します)。質量を横軸に、分子数を意味する信号強度を縦軸にしてグラフにしたものが「マススペクトル」です。

また、取得したマススペクトルの中からm/zを指定して、指定したm/z毎にクロマトグラムの波形を表示することが可能です。これにより、GC, LC, CEでの単独測定では分離できなかった化合物の場合でも目的化合物のm/zで波形を書くことで、独立したピーク形状のクロマトグラムを得ることが可能となります。

しかし、これらの情報だけでは分子の種類を特定できません。そこで、既知の標準物質を測定し、保持時間とマススペクトルの情報をまとめた「ライブラリ」と比較し、検出された分子を特定します。

まとめ

メタボローム解析という網羅的解析によって新しい知見が得られるのは確かです。しかし、事前の情報収集やサンプル準備を怠り、「とりあえず分析してデータを見てから考えよう」では、結果をどう考察すれば良いかすらわからなくなります。目的に合わせた試験デザインと分析機器を決めておくことが大切です。

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