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谷口 雄一 (米国Harvard大学Department of Chemistry and Chemical Biology) email: 谷口雄一 DOI: 10. 7875/ Quantifying E. coli proteome and transcriptome with single-molecule sensitivity in single cells. Yuichi Taniguchi, Paul J. Choi, Gene-Wei Li, Huiyi Chen, Mohan Babu, Jeremy Hearn, Andrew Emili, X. 当研究室にシングルセルトランスクリプトーム解析装置BD Rhapsody systemが導入されました。 | 東京理科大学研究推進機構 生命医科学研究所 炎症･免疫難病制御部門（松島研究室）. Sunney Xie Science, 329, 533-538(2010) 要 約 単一細胞のレベルでは内在するmRNA数とタンパク質数とがたえず乱雑に変動している.このため,ひとつひとつの細胞は,たとえ同じゲノムをもっていても,それぞれが個性的な振る舞いを示す.筆者らは,単一細胞内におけるmRNAとタンパク質の発現プロファイリングを単一分子検出レベルの感度で行うことにより,単一細胞のもつ特性の乱雑さをシステムワイドで定量化し,そこにあるゲノム共通の法則性を明らかにした.そのために,蛍光タンパク質遺伝子をそれぞれの遺伝子のC末端に結合させた大腸菌ライブラリーを1000株以上にわたって作製し,マイクロチップ上で単一分子感度での計測をシステマティックに行うことにより,それぞれの遺伝子におけるmRNAとタンパク質の絶対個数,ばらつき,細胞内局在などの情報を網羅的に取得した.その結果,全体の98%の遺伝子は発現するタンパク質数の分布において特定の共通構造をもっており,それらの分布構造の大きさは量子ノイズやグローバル因子による極限をもつことが判明した. はじめに 生物は内在するゲノムから数千から数万にわたる種類のタンパク質を生み出すことによって生命活動を行っている.近年,これらの膨大な生物情報を網羅的に取得し,生物を包括的に理解しようとする研究が急速に進展している.2003年にヒトゲノムが完全解読され,現在ではゲノム解読の高速化・低価格化が注目を集める一方で,より直接的に機能レベルの情報を取得する手法として,ゲノム(DNA)の発現産物であるmRNAやタンパク質の発現量を網羅的に調べるトランスクリプトミクスやプロテオミクスに関する研究開発に関心が集まっている.cDNAマイクロアレイ法やRNA-seq法,質量分析法などの技術開発によって発現産物の量をより高感度に探ることが可能となってきているが,いまだ単一分子検出レベルの高感度の実現にはいたっていない.
6kg 電源 100~240VAC 50/60Hz 25W 使用環境 18~28℃ 希望小売価格 (税抜) 11, 500, 000円 (税込 12, 650, 000円)
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.
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. 単一の生細胞におけるプロテオームとトランスクリプトームとを単一分子検出感度で定量化する : ライフサイエンス 新着論文レビュー. 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.
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. 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. 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.
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) .