4.タンパク質数分布の普遍的な構造 それぞれの細胞におけるタンパク質数の分布を調べたところ,一般に,低発現数を示すタンパク質の分布は単調減少関数,高発現数を示すタンパク質の分布はピークをもった関数になっていた.さまざまなモデルを用いてフィッティングを行い,すべての遺伝子の分布を一般的に記述できる最良の関数を探した結果,1018遺伝子のうち1009遺伝子をガンマ分布によって記述できることをみつけた.大腸菌はガンマ分布というゲノムに共通の構造にそってプロテオームの多様性を生み出しており,その分布はガンマ分布のもつ2つのパラメーターによって一般的に記述できることが明らかになった. このガンマ分布は,mRNAの転写とタンパク質の翻訳,mRNAの分解とタンパク質の分解が,それぞれ確率的に起こると仮定した場合のタンパク質数の分布に等しい 7) ( 図2 ).これはつまり,タンパク質数の分布がセントラルドグマの過程の確率的な特性により決定づけられることを示唆している.そこで以降,このガンマ分布を軸として,細胞のタンパク質量を正しく記述するためのモデルをさらに検証した. 超微量サンプルおよびシングルセル RNA-Seq 解析 | シングルセル解析の利点. 5.タンパク質数のノイズの極限 タンパク質数の分布のばらつきの大きさ,または,ノイズ(発現数の標準偏差の2乗と発現数の平均の2乗の比と定義される)は,個々の細胞におけるタンパク質量の多様性を表す重要なパラメーターである 3) .このノイズをそれぞれの遺伝子について求めたところ,つぎに示すような発現量の大きさに応じた二相性のあることをみつけた. 平均発現数が10分子以下の遺伝子は,ほぼすべてがポアソンノイズを下限とする,発現数と反比例した量のノイズをもっていた.このポアソンノイズは一種の量子ノイズであり,遺伝子発現が純粋にランダムに(すなわち,ポアソン過程で)行われた場合のノイズ量を表している.つまり今回の結果は,タンパク質発現のノイズをポアソンノイズ以下に抑えるような遺伝子制御機構は存在しないことを示唆する.実際のノイズがポアソンノイズを上まわるということは,遺伝子の発現が準ランダムに行われていることを表している.実際,ひとつひとつのタンパク質の発現は純粋なランダムではなく,mRNAの発現とともに突発的に複数のタンパク質の発現(バースト)が起こり,mRNAの分解と同時にタンパク質の発現がとまる,といったかたちでバースト的に行われることが報告されている 1) .筆者らは,複数のライブラリー株をリアルタイム計測することでバーストの観測を行うことにより,バーストの頻度と大きさが細胞集団計測で得られるノイズの大きさに合致することをみつけた.これはつまり,ノイズの大きさがmRNAバーストの性質により決定されていることを表している.
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. M. : Real-time kinetics of gene activity in individual bacteria. Cell, 123, 1025-1036 (2005)[ PubMed] Elowitz, M. B., Levine, A. 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. J., Siggia, E. D. : Stochastic gene expression in a single cell.
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.
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.
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