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2.ハイスループット解析用のマイクロ流路系の開発 膨大な数のライブラリー株をレーザー顕微鏡によりハイスループットで解析するため,ソフトリソグラフィー技術を用いてシリコン成型したマイクロ流体チップを開発した 6) ( 図1b ).このチップは平行に並んだ96のサンプル流路により構成されており,マルチチャネルピペッターを用いてそれぞれに異なるライブラリー株を注入することによって,96のライブラリー株を並列的に2次元配列することができる.チップの底面は薄型カバーガラスになっているためレーザー顕微鏡による高開口数での観察が可能であり,3次元電動ステージを用いてスキャンすることにより多サンプル連続解析が可能となった.チップの3次元スキャン,自動フォーカス,光路の切替え,画像撮影,画像分析など,解析の一連の流れをコンピューターで完全自動化することにより,それぞれのライブラリー株あたり,25秒間に平均4000個の細胞の解析を行うことができた. 3.タンパク質発現数の全ゲノム分布 解析により得られるライブラリー株の位相差像と蛍光像の代表例を表す( 図1c ).それぞれの細胞におけるタンパク質発現量が蛍光量として検出できると同時に,タンパク質の細胞内局在(膜局在,細胞質局在,DNA局在など)を観察することができた.それぞれの細胞に内在している蛍光に対して単一蛍光分子による規格化を行い,さらに,細胞の自家蛍光による影響を差し引くことによって,それぞれの細胞におけるタンパク質発現数の分布を決定した( 図1d ).同時に,画像解析によって蛍光分子の細胞内局在(細胞質局在と細胞膜局在との比,点状の局在)をスコア化した( 図1e ). この結果,大腸菌のそれぞれの遺伝子の1細胞あたりの平均発現量は,10 -1 個/細胞から10 4 個/細胞まで,5オーダーにわたって幅広く分布していることがわかった.必須遺伝子の大半が10個/細胞以上の高い発現レベルを示したのに対し,全体ではおおよそ半数の遺伝子が10個/細胞以下の発現レベルを示した.低発現を示すタンパク質のなかには実際に機能していることが示されているものも多く存在しており,これらのタンパク質は10個以下の低分子数でも細胞内で十分に機能することがわかった.このことは,単一細胞レベルの微生物学において,単一分子感度の実験が本質的でありうることを示唆する.
一方で,平均発現数が10分子以上の遺伝子は,ポアソンノイズとは異なる,発現数に依存しない一様なノイズ極限をもっていた.すべての遺伝子はこのノイズ極限よりも大きなノイズをもっていることから,大腸菌に発現するタンパク質は必ず一定割合(30%)以上のノイズをもっていることが示された. 6.タンパク質発現量の遅い時間ゆらぎ この一様なノイズ極限の起源を調べるため,高発現を示す複数のライブラリー株を無作為に抽出し,これらのタンパク質量の時間的な変化をタイムラプス観測により調べた.高発現タンパク質が一定の確率でランダムに発現している場合,ひとつひとつの細胞に存在するタンパク質の数は短い時間スケールで乱雑に変動し,数分もすればもとあったタンパク質レベルが初期化され,それぞれがまったく別のタンパク質レベルとなるはずである 8) .これに反して,今回のライブラリー株ではひとつひとつの細胞でのタンパク質レベルの大小が十数世代(1000分間以上)にわたって維持されていることが観測された.これはつまり,細胞ひとつひとつが互いに異なる細胞状態をもっており,さらに,この状態が何世代にもわたって"記憶"されていることを示している. 遺伝子実験機器 : シングルセル解析プラットフォーム ChromiumTM Controller | 株式会社薬研社 YAKUKENSHA CO.,LTD.. ノイズ解析で観測された一様なノイズ極限は,こうした細胞状態の不均一性により説明できることがみつけられた.セントラルドグマの過程( 図2 )において,それぞれの細胞が異なる速度定数をもつとする.この場合,ノイズの値には,発現量に反比例した固有成分にくわえて,発現量に依存しない定数成分が現われるようになる.この定数成分が高発現タンパク質において優勢になることから,一様なノイズ極限が観測されたといえる.つまり,一様なノイズ極限は,細胞内で起こるタンパク質発現のランダム性からではなく,それぞれの細胞の特性のばらつき(たとえば,ポリメラーゼやリボソームの数の不均一性など)から生じたとすることにより説明できた. 7.単一細胞における遺伝子発現量のグローバルな相関 さらに,この一様なノイズ極限がポリメラーゼやリボソームなどすべての遺伝子の発現にかかわるグローバルな因子により生み出されていることを突き止めた.これを示すために,複数の2遺伝子の組合せを無作為に抽出し,異なる蛍光タンパク質でラベル化することによって1つの細胞における2つの遺伝子の発現レベルにおける相関関係を調べた.その結果,どの2遺伝子の組合せに関しても正の相関が観察され,細胞状態に応じてすべての遺伝子の発現の大小がひとまとめに制御されていることがわかった.相関解析からこうした"グローバルノイズ"の量は30%と求まり,一様なノイズ極限の値と一致した.
ここで示したのはほんの一例であり,相関解析の全データ,それぞれの遺伝子情報の全データは原著論文のSupporting Online Materialに掲載しているので,参考にしてほしい. おわりに この研究で構築した単一分子・単一細胞プロファイリング技術は,複雑な細胞システムを素子である1分子レベルから理解することを可能とするものであり,1分子・1細胞生物学とシステム生物学とをつなぐ架け橋となりうる.以下,従来のプロファイリングの手法と比べた場合のアドバンテージをまとめる. 1)単一細胞内における遺伝子発現の絶対個数がわかる. 2)細胞を生きたまま解析でき,リアルタイムでの解析が可能. 3)細胞ごとの遺伝子発現量の確率論的なばらつきを解析できる. 4)ごくわずかな割合で存在する異常細胞を発見できる. 5)シグナル増幅が不要であり,遺伝子によるバイアスがきわめて少ない. 6)単一細胞内での2遺伝子の相互作用解析が可能. 7)細胞内におけるタンパク質局在を決定できる. これらのアドバンテージを利用することで,細胞ひとつひとつの分子数や細胞状態の違いを絶対感度でとらえることが可能となり,さまざまな生命現象をより精密に調べることが可能となる.この研究では,生物特有の性質である個体レベルでの生命活動の"乱雑さ"を直接とらえることを目的としてこの技術を利用し,その一般原理のひとつを明らかにしている. この研究で得られた大腸菌の単一分子・単一細胞プロファイルは,分子・細胞相互の階層から生物をシステムとして理解するための包括的データリソースとして役立つとともに,生物のもつ乱雑性,多様性を理解するためのひとつの基礎になるものと期待される. 文 献 Yu, J., Xiao, J., Ren, X. et al. : Probing gene expression in live cells, one protein molecule at a time. Science, 311, 1600-1603 (2006)[ PubMed] Golding, I., Paulsson, J., Zawilski, S. シングルセル解析と機械学習により心不全において心筋細胞が肥大化・不全化するメカニズム（心筋リモデリング機構）を解明 | 国立研究開発法人日本医療研究開発機構. M. : Real-time kinetics of gene activity in individual bacteria. Cell, 123, 1025-1036 (2005)[ PubMed] Elowitz, M. B., Levine, A. J., Siggia, E. D. : Stochastic gene expression in a single cell.
8.mRNAプロファイリング つぎに,タンパク質発現の中間産物であるmRNAの量を単一分子感度・単一細胞分解能でプロファイリングすることを試みた.そのために,蛍光 in situ ハイブリダイゼーション(FISH)法を用いて,ライブラリーの黄色蛍光タンパク質のmRNAに赤色蛍光ヌクレオチドを選択的にハイブリダイゼーションした.この方法ではすべてのライブラリーに対して同じプローブを用いるため,遺伝子ごとのバイアスがほとんどない.レーザー顕微鏡を用いて細胞内の蛍光ヌクレオチドを数えることにより,mRNA数の決定を行った. mRNA数のノイズを調べた結果,タンパク質の場合とは異なり,ポアソンノイズにもとづくノイズ極限だけがみられた.これは,mRNAの数は少ないためにポアソンノイズが大きくなり,一様なノイズ極限の影響が現われなくなったためであると考えられた. 9.mRNAレベルとタンパク質レベルとの非相関性 赤色蛍光ヌクレオチドと黄色蛍光タンパク質の蛍光スペクトルが異なることを利用して,単一細胞におけるmRNA数とタンパク質数を同時に測定しその相関を調べた.137の遺伝子に対して測定を行ったところ,どの遺伝子においてもこれらのあいだには強い相関はなかった.つまり,単一細胞においては内在するmRNA数とタンパク質数とのあいだには相関のないことが判明した. この非相関性のおもな理由としてmRNAの分解時間の速さがあげられる.RNA-seq法を用いてmRNAの分解時定数を調べたところ,数分以下であった.これに対し,ほとんどのタンパク質の分解時定数は数時間以上であり,タンパク質数の減衰はおもに細胞分裂による希釈効果により起こることが知られている 9) .したがって,mRNAの数は数分以内に起こった現象を反映するのに対し,タンパク質の数は細胞分裂の時間スケール(150分)のあいだで積み重なった現象を反映することになり,これらの数のあいだに不一致が起こるものと考えられる. 単一細胞におけるmRNA量の高ノイズ性を示す今回の結果は,1細胞レベルでのトランスクリプトーム解析に対してひとつの警告をあたえるものであり,同時に,プロテオーム解析の必要性を表している. 10.1分子・1細胞レベルでの発現特性と生物学的機能との相関 得られた1分子・1細胞レベルでの発現特性が生物学的な機能とどのように相関しているかを統計的に調べた.たとえば,タンパク質発現平均数はコドン使用頻度の指標であるCAI(codon adaptation index)と正の相関をもつのに対し,GC含量やmRNAの分解時間,染色体上の位置との相関はなかった.また,膜トランスポーターの遺伝子は高い膜局在性,転写因子は高い点局在性を示した.また,短い遺伝子は高いタンパク質発現を示すことや,リーディング鎖にある遺伝子からの転写はラギング鎖にある遺伝子からの転写よりも多いことがわかった.さらに,大腸菌のノイズは出芽酵母のノイズと比べ高いことも明らかになった 10) .
シングルセルシーケンス:干し草の中から針を発見 シングルセルシーケンス研究は、さまざまな分野のアプリケーションで増えています。 *Data calculations on lumina, Inc., 2015
J. Mach. Learn. Res. 2008)。 (注9)WGCNA(Weighted Gene Co-expression Network Analysis、重み付け遺伝子共発現ネットワーク解析): データセットから共発現遺伝子ネットワークを抽出し、そのネットワークモジュールごとに発現値を付与する機械学習解析アルゴリズム(Langfelder, P et al.
その一方で,近年のレーザー蛍光顕微鏡技術の発展により,単一細胞内で起こる遺伝子発現を単一分子レベルで検出することが可能になってきた 1, 2) .筆者らは今回,こうした単一分子計測技術を応用することにより,モデル生物である大腸菌( Escherichia coli )について,単一分子・単一細胞レベルでのmRNAとタンパク質の発現プロファイリングをはじめて実現した. 単一分子・単一細胞プロファイリングにおいては,ひとつひとつの細胞に存在するmRNAとタンパク質の絶対個数がそれぞれ決定される.細胞では1つあるいは2つの遺伝子座から確率論的にmRNA,そして,タンパク質の発現が行われているので,ひとつひとつの細胞は同じゲノムをもっていても,内在するmRNAとタンパク質の個数のうちわけには大きな多様性があり,さらにこれは,時々刻々と変化している.つまり,細胞は確率的な遺伝子発現を利用して,表現型の異なる細胞をたえず自発的に生み出しているといえる.こうした乱雑さは生物の大きな特徴であり,これを利用することで細胞の分化や異質化を誘導したり,環境変化に対する生物種の適応度を高めたりしていると考えられている 3, 4) .この研究では,大腸菌について個体レベルでの乱雑さをプロテオームレベルおよびトランスクリプトームレベルで定量化し,そのゲノムに共通する原理を探ることをめざした. 1.大腸菌タンパク質-蛍光タンパク質融合ライブラリーの構築 1分子・1細胞レベルで大腸菌がタンパク質を発現するようすを調べるため,大腸菌染色体内のそれぞれの遺伝子に黄色蛍光タンパク質Venusの遺伝子を導入した大腸菌株ライブラリーを構築した( 図1a ).このライブラリーは,大腸菌のそれぞれの遺伝子に対応した計1018種類の大腸菌株により構成されており,おのおのの株においては対応する遺伝子のC末端に蛍光タンパク質の遺伝子が挿入されている.遺伝子発現と連動して生じる蛍光タンパク質の蛍光をレーザー顕微鏡により単一分子感度でとらえることによって,遺伝子発現の単一分子観測が可能となる 1) . ライブラリーの作製にあたっては,共同研究者であるカナダToronto大学のEmili教授のグループが2006年に作製した,SPA(sequential peptide affinity)ライブラリーを利用した 5) .このライブラリーでは大腸菌のそれぞれの遺伝子のC末端にタンパク質精製用のSPAタグが挿入されていたが,このタグをλ-Red相同組換え法を用いてVenusの遺伝子に置き換える方法をとることによって,ユニバーサルなプライマーを用いて廉価かつ効率的にライブラリーの作製を行うことができた.