【研究室紹介】山田研究室

微生物群集のダイナミクスを解明する

2017.02.16

生命理工学系にはライフサイエンスとテクノロジーに関連した様々な研究室があり、基礎科学と工学分野の研究のみならず、医学や薬学、農学等、幅広い分野で最先端の研究が活発に展開されています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、ヒト常在菌の群集構造解析を通して、ヒトとその常在菌がどのように影響を与えあっているかを明らかにすることを目指す、山田研究室です。

准教授　山田拓司

生命理工学コース
准教授　山田拓司

キーワード	バイオインフォマティクス、メタゲノム、ヒト常在菌、腸内細菌、データ可視化
Webサイト	山田研究室

研究紹介

メタゲノミクス―腸内細菌叢代謝系の全容解明を目指す

ヒトには1,000種100兆個体を超える細菌が我々と共生しています。このような細菌群集は個人によってその構成が異なり、健康状態に影響を与えていることが明らかになってきました。山田研究室ではこのようヒト常在菌の群集構造解析を通して、ヒトとその常在菌がどのように影響を与えあっているかを明らかにすることを目指しています。

我々は情報科学と生命科学の融合領域であるバイオインフォマティクスの研究室であり、菌叢情報以外の膨大なデータ解析やその可視化にも力をいれています。代謝パスウェイの可視化、細胞分化の可視化やマッピングなども大きなテーマの一つです。

1. ヒトとその常在菌

ヒトとその常在菌

ヒトの皮膚上や腸内に共生する常在菌の研究は、メタゲノミクスという情報解析を基盤とした方法により飛躍的に進歩しました。メタゲノミクスとは、特定の環境中に含まれるDNA 配列を網羅的に解読し、そこで得られたDNA配列から、そこにどのような細菌がどの程度含まれているかを明らかにする手法です。そのような細菌群集のデータと、生活習慣、疾病情報などを組み合わせた超多次元データを基盤として、疾患に関わる因子の特定を目指しています。

2. 発酵に関わる微生物ゲノム

発酵に関わる微生物ゲノム

日本における発酵食品を担う麹菌、乳酸菌に焦点をあて、それらのゲノム配列や遺伝子機能から、それらの菌が作る味噌や醤油、お酒などの味の違いを定量化することを試みています。各地方に特有の菌から作られた発酵食品が、地方固有の味や文化を作っている可能性があります。地域の食文化の特徴や歴史的背景を、ゲノム研究により定量化し明らかにすることを試みています。非常に挑戦的ですが、ゲノム研究を通じて日本の食に関わっています。

3. 大規模データビジュアライゼーション

大規模データビジュアライゼーション

近年のサイエンスは大量のデータを生み出します。これまでのサイエンスではデータを出すまでが最も大事でしたが、現在ではその大量データを解析し、解釈するところも重要な側面です。その中でも、データを可視化し、これまで解釈が難しかった点をよりわかりやすくする試みが重要です。我々は、ヒト腸内環境の代謝経路を可視化した代謝マップの構築、代謝経路をより見やすく表現する可視化手法の開発など、大量のデータを一度に表現する方法の開発を続けています。

研究成果

代表論文

[1] Matsuki T, Yahagi K, Mori H, Matsumoto H, Hara T, Tajima S, Ogawa E, Kodama H, Yamamoto K, Yamada T, Matsumoto S, Kurokawa K. A key genetic factor for fucosyllactose utilization affects infant gut microbiota development. Nat Commun. 2016 Jun 24;7:11939. doi: 10.1038/ncomms11939.
[2] Nishimoto Y, Mizutani S, Nakajima T, Hosoda F, Watanabe H, Saito Y, Shibata T, Yachida S, Yamada T . High stability of faecal microbiome composition in guanidine thiocyanate solution at room temperature and robustness during colonoscopy. Gut 2016 Jun 23.
[3] Moriya Y, Yamada T, Okuda S, Nakagawa Z, Kotera M, Tokimatsu T, Kanehisa M, Goto S. Identification of Enzyme Genes Using Chemical Structure Alignments of Substrate-Product Pairs. J Chem Inf Model. 2016 Mar 28;56(3):510-6.
[4] Wang T, Mori H, Zhang C, Kurokawa K, Xing XH, Yamada T. DomSign: a top-down annotation pipeline to enlarge enzyme space in the protein universe. BMC Bioinformatics;16(1):96 (2015)
[5] Uchiyama T, Irie M, Mori H, Kurokawa K, Yamada T. FuncTree: Functional Analysis and Visualization for Large-Scale Omics Data. PLoS One. 2015 May 14;10(5):e0126967. doi: 10.1371/journal.pone.0126967. PubMed PMID: 25974630
[6] Zeller G, Tap J, Voigt AY, Sunagawa S, Kultima JR, Costea PI, Amiot A, Böhm J, Brunetti F, Habermann N, Hercog R, Koch M, Luciani A, Mende DR, Schneider MA, Schrotz-King P, Tournigand C, Tran Van Nhieu J, Yamada T, Zimmermann J, Benes V, Kloor M, Ulrich CM, von Knebel Doeberitz M, Sobhani I, Bork P. Potential of fecal microbiota for early-stage detection of colorectal cancer. Mol Syst Biol;10:766 (2014)
[7] Li J, Jia H, Cai X, Zhong H, Feng Q, Sunagawa S, Arumugam M, Kultima JR, Prifti E, Nielsen T, Juncker AS, Manichanh C, Chen B, Zhang W, Levenez F, Wang J, Xu X, Xiao L, Liang S, Zhang D, Zhang Z, Chen W, Zhao H, Al-Aama JY, Edris S, Yang H, Wang J, Hansen T, Nielsen HB, Brunak S, Kristiansen, Guarner F, Pedersen O, Doré J, Ehrlich SD, Pons N, Le Chatelier E, Batto JM, Kennedy S, Haimet F, Winogradski Y, Pelletier E, LePaslier D, Artiguenave F, Bruls T, Weissenbach J, Turner K,Parkhill J, Antolin M, Casellas F, Borruel N, Varela E, Torrejon A, Denariaz G, Derrien M, van Hylckama Vlieg JE, Viega P, Oozeer R, Knoll J,Rescigno M, Brechot C, M'Rini C, Mérieux A, Yamada T, Tims S, Zoetendal EG, Kleerebezem M, de Vos WM, Cultrone A, Leclerc M, Juste C,Guedon E, Delorme C, Layec S, Khaci G, van de Guchte M, Vandemeulebrouck G, Jamet A, Dervyn R, Sanchez N, Blottière H, Maguin E, Renault P,Tap J, Mende, Bork P, Wang J. An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. Nat. Biotechnol. 32, 834-41 (2014)
[8] Nielsen HB, Almeida M, Juncker AS, Rasmussen S, Li J, Sunagawa S, Plichta DR, Gautier L, Pedersen AG, Le Chatelier E, Pelletier E, Bonde I, Nielsen T, Manichanh C, Arumugam M, Batto JM, Quintanilha Dos Santos MB, Blom N, Borruel N, Burgdorf KS, Boumezbeur F, Casellas F, Doré J, Dworzynski P, Guarner F, Hansen T, Hildebrand F, Kaas RS, Kennedy S, Kristiansen K, Kultima JR, Léonard P, Levenez F, Lund O, Moumen B, Le Paslier D, Pons N, Pedersen O, Prifti E, Qin J, Raes J, Sørensen S, Tap J, Tims S, Ussery DW, Yamada T; MetaHIT Consortium, Renault P, Sicheritz-Ponten T, Bork P, Wang J, Brunak S, Ehrlich SD; MetaHIT Consortium. Identification and assembly of genomes and genetic elements in complex metagenomic samples without using reference genomes. Nat Biotechnol.32(8):822-8 (2014)
[9] Waller, AS., Yamada, T., Kristensen, DM., Kultima, JR., Sunagawa, S., Koonin, EV., Bork, P. Classification and quantification of bacteriophage taxa in human gut metagenomes. ISME J. 8(7):1391-402 (2014)
[10] Le Chatelier E, Nielsen T, Qin J, Prifti E, Hildebrand F, Falony G, Almeida M, Arumugam M, Batto JM, Kennedy S, Leonard P, Li J, Burgdorf K, Grarup N, Jørgensen T, Brandslund I, Nielsen HB, Juncker AS, Bertalan M, Levenez F, Pons N, Rasmussen S, Sunagawa S, Tap J, Tims S, Zoetendal EG, Brunak S, Clément K, Doré J, Kleerebezem M, Kristiansen K, Renault P, Sicheritz-Ponten T, de Vos WM, Zucker JD, Raes J, Hansen T; MetaHIT consortium, Bork P, Wang J, Ehrlich SD, Pedersen O, Guedon E, Delorme C, Layec S, Khaci G, van de Guchte M, Vandemeulebrouck G, Jamet A, Dervyn R, Sanchez N, Maguin E, Haimet F, Winogradski Y, Cultrone A, Leclerc M, Juste C, Blottière H, Pelletier E, LePaslier D, Artiguenave F, Bruls T, Weissenbach J, Turner K, Parkhill J, Antolin M, Manichanh C, Casellas F, Boruel N, Varela E, Torrejon A, Guarner F, Denariaz G, Derrien M, van Hylckama Vlieg JE, Veiga P, Oozeer R, Knol J, Rescigno M, Brechot C, M'Rini C, Mérieux A, Yamada T. Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers. Nature. 29;500(7464):541-6 (2014)
[11] *Yamada, T., Waller, A., Raes, J., Zeleznik, A., Perchat, N., Perret, A., Salanoubat, M., Patil, K.R., Weissenbach, J. and Bork, P. Prediction and identification of sequences coding for orphan enzymes using genomic and metagenomic neighibors; Molecular Systems Biology, 8:581 (2012)
[12] *Yamada, T., Letunic, I., Okuda, S., Kanehisa, M. and Bork, P. iPath2.0: interactive pathway explorer; Nucleic Acids Res, 39 W412-415 (2011)
[13] Arumugam, M., Raes, J., Pelletier, E., Le Paslier, D., Yamada, T., Mende, D.R., Fernandes, G.R., Tap, J., Bruls, T., Batto, J.M., Bertalan, M., Borruel, N., Casellas, F., Fernandez, L., Gautier, L., Hansen, T., Hattori, M., Hayashi, T., Kleerebezem, M., Kurokawa, K., Leclerc, M., Levenez, F., Manichanh, C., Nielsen, H.B., Nielsen, T., Pons, N., Poulain, J., Qin, J., Sicheritz-Ponten, T., Tims, S., Torrents, D., Ugarte, E., Zoetendal, E.G., Junwang, Guarner, F., Pedersen, O., de Vos, W.M., Brunak, S., Dore, J., Consortium, M., Weissenbach, J., Ehrlich, S.D. and Bork, P. Enterotypes of the human gut microbiome. Nature. 473 (7346), 174-180 (2011)
[14] Raes, J., Letunic, I., Yamada, T., Jensen, L.J. and Bork, P. (2011) Toward molecular trait-based ecology through integration of biogeochemical, geographical and metagenomic data. Mol Syst Biol, 7, 473 (2011).
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[16] Qin. J., Li. R., Raes. J., Arumugam. M., Burgdorf. KS., Manichanh. C., Nielsen. T., Pons. N., Levenez. F., Yamada. T., Mende. D., Li. J., Xu. J., Li. S., Li. D., Cao. J., Wang. B., Liang. H., Zheng. H., Xie. Y., Tap. J., Lepage. P., Bertalan. M., Batto. J., Hansen. T., Paslier. DL., Linneberg. A., Nielsen. HB., Pelletier. E., Renault. P., Sicheritz-Ponten. T., Turner. K., Zhu. H., Yu. C., Li. S., Jian. M., Zhou. Y., Li. Y., Zhang. X., Li. S., Yang. H., Wang. J., Brunak. S., Doré. J., Guarner. F., Kristiansen. K., Pedersen. O., Parkhill. J., Weissenbach. J., Consortium. M., Bork. P., Ehrlich. SD. and Wang. J; A human gut microbial gene catalog established by deep metagenomic sequencing. Nature 464 (7285), 59-65 (2010)
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[18] Kuhner, S., van Noort, V., Betts, M. J., Leo-Macias, A., Batisse, C., Rode, M., Yamada, T., Maier, T., Bader, S., Beltran-Alvarez, P., Castano-Diez, D., Chen, W.-H., Devos, D., Guell, M., Norambuena, T., Racke, I., Rybin, V., Schmidt, A., Yus, E., Aebersold, R., Herrmann, R., Bottcher, B., Frangakis, A. S., Russell, R. B., Serrano, L., Bork, P., Gavin, A.C.; Proteome organization in a genome-reduced bacterium. Science 326 (5957), 1235-1240 (2009).
[19] Guell, M., van Noort, V., Yus, E., Chen, W.-H., Leigh-Bell, J., Michalodimitrakis, K., Yamada, T., Arumugam, M., Doerks, T., Kuhner, S., Rode, M., Suyama, M., Schmidt, S., Gavin, A.-C., Bork, P., Serrano, L.; Transcriptome complexity in a genome-reduced bacterium. Science 326 (5957), 1268-1271 (2009).
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主な日本語総説

[1] 腸内細菌群集構造のメタゲノム解析：腸内細菌学雑誌　29 : 19-22，2015

教員紹介

山田拓司准教授　博士（理学）

2007年7月	京都大学理学研究科博士課程修了
2007 - 2008年	京都大学化学研究所特任助手
2008 - 2010年	European Molecular Biology Laboratory(EMBL) Postdoc
2010 - 2012年	EMBL Senior technical officer
2012 - 2016年3月	東京工業大学生命理工学研究科生命情報専攻講師
2016年4月	現職