細胞染色画像からたんぱく質の共変動ネットワークを構築

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「細胞状態」を活写する新解析法の開発により創薬の加速に期待

2021-07-14 東京工業大学,東京大学,科学技術振興機構,日本医療研究開発機構

ポイント
  • 単一細胞内のたんぱく質の量的変化に加えて、それらの質的・時空間的(局在)変化に基づく新たな「PLOM-CON解析法」を開発
  • PLOM-CON解析法を用いて、インスリン刺激された肝細胞内に一過性に生じるアクチンドメインの新機能を予測・解明する共変動ネットワークを構築
  • 共変動ネットワークにより細胞の形態情報と分子情報をつなぐことで、創薬研究を加速

東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの加納 ふみ 准教授、中津 大貴 助教、國重 莉奈 特任助教、および東京大学 大学院総合文化研究科の村田 昌之 教授(研究当時/現 東京工業大学 特任教授、東京大学 名誉教授)、野口 誉之 助教(研究当時)、株式会社 ニコンの米谷 信彦 研究員らの研究グループは、新しいたんぱく質ネットワーク解析法である「PLOM-CON解析法」を開発し、従来の手法では困難だった細胞内に一過性に生じる2次元のたんぱく質凝集体で、生化学的に単離・分析が困難なアクチンドメインの機能解明に成功した。アクチンドメインは糖尿病状態の肝細胞では形成されにくくなる研究結果もあり、この解析法が新しい創薬プラットフォームツールになることを実証した。

従来のたんぱく質ネットワーク解析法は、生化学的手法で多数の細胞を集め破壊して得られるたんぱく質の平均的な「量」の情報のみに基づいているが、たんぱく質の「質・局在」情報の反映なくしては、創薬研究に重要な細胞のシグナル伝達を正しく理解できないことが課題であった。そこで、先端的な創薬・医療研究分野では、ヘテロさを特徴とする細胞集団や組織内の単一細胞が持つそれらの情報を考慮し、疾患や薬効が示す細胞状態をたんぱく質のネットワークの変化によって知るための新しい解析技術が求められていた。

今回開発したPLOM-CON解析法では、細胞の蛍光抗体染色画像ビッグデータから得られる単一細胞レベルのたんぱく質の量・質・局在情報を基に、たんぱく質ごとの特徴量を算出し、それらの時間的相関の強弱を指標にして「共変動ネットワーク」として可視化できる。つまり、細胞へのシグナル入力に応答して得られる共変動ネットワークの変化や違いから、細胞状態の違いや変化を担うたんぱく質群情報を知ることができる。

具体的に、ラット肝細胞内において、インスリン刺激によって一過性に形成される直径数マイクロメートルのアクチンドメインの機能を本解析法を用いて解析した結果、アクチンドメインがグリコーゲン合成やたんぱく合成に関わる酵素群の集積とその制御をつかさどる重要な場として機能することを実験的に明らかにした。

この「共変動ネットワーク」によって、肝細胞のみならず、さまざまな細胞のイメージング画像から得られる細胞の形態情報や、たんぱく質を含む多様な生体分子の量や質的変化(多階層オミクスデータ)とを、相関解析的手法によって統合できると期待される。そのため、今回開発した新しい解析方法は、細胞を利用した基礎生命科学にとどまらず、創薬や細胞医薬の新たな支援技術として活用できることの実証を連携企業とともに進めている。

本研究成果は「iScience」で2021年7月13日(現地時間)に公開される。

本研究は下記の支援により行われた。

・JST 未来社会創造事業 探索加速型 「共通基盤」領域

重点公募テーマ:革新的な知や製品を創出する共通基盤システム・装置の実現

研究開発課題:超解像蛍光抗体法による共変動ネットワーク解析法の開発

・AMED-PRIME

研究領域:生体組織の適応・修復機構の時空間的解析による生命現象の理解と医療技術シーズの創出

研究課題:共変動ネットワークによる疾患特異的iPS細胞の神経分化過程の解析と理解

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Microscopic image-based covariation network analysis for actin scaffold-modified insulin signaling”
DOI:10.1016/j.isci.2021.102724
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
加納 ふみ(カノウ フミ)
東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センター 准教授

村田 昌之(ムラタ マサユキ)
東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センター 特任教授

<JST事業に関すること>
庄司 真理子(ショウジ マリコ)
科学技術振興機構 未来創造研究開発推進部

<AMEDに関すること>
日本医療研究開発機構(AMED) シーズ開発・研究基盤事業部 革新的先端研究開発課

<報道担当>
東京工業大学 総務部 広報課
科学技術振興機構 広報課

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