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.
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. 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. Cell, 123, 1025-1036 (2005)[ PubMed] Elowitz, M. B., Levine, A. J., Siggia, E. D. : Stochastic gene expression in a single cell.
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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. 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.
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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. 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.
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