ミリ単位の回虫Caenorhabditis elegans には約 20,000 の遺伝子があり、あなたもそうです。もちろん、この比較で人間だけが循環器系またはソネットのいずれかを作成することができます。これは、この遺伝的同等性を、ヒトゲノムプロジェクトから得られる最も紛らわしい洞察の1つにした状況です.しかし、遺伝子のレベルを超えて人間の複雑さの一部を説明する方法があり、ある新しい研究が示すように、それらは人々が考えているよりもはるかに重要である可能性があります.
長い間、生物学者の頭の中では、1 つのことがかなり確実に考えられていました。それは、ゲノム内の各遺伝子が 1 つのタンパク質を作るということです。遺伝子のコードは、細胞内に入り、エネルギーの生成、廃棄物の処理、またはその他の必要な作業を行うために必要な作業を行う 1 つの分子のレシピでした。後にノーベル医学賞を受賞した 2 人の遺伝学者による 1941 年の論文にまでさかのぼるこのアイデアには、「1 つの遺伝子、1 つのタンパク質」という簡潔な名前さえ付いています。
何年にもわたって、生物学者はルールがそれほど単純ではないことに気付きました。一部の遺伝子は、複数の製品の製造に使用されていたことが判明しました。遺伝子からタンパク質へと進む過程で、レシピは常に同じように解釈されたわけではありません.得られたタンパク質のいくつかは、他のタンパク質とは少し異なって見えました。そして時には、それらの変化が大きな意味を持つこともありました。特定の生物学者の間で有名な 1 つの遺伝子があり、その 2 つのタンパク質は完全に反対のことを行います。 1 つは細胞を強制的に自殺させ、もう 1 つはプロセスを停止させます。科学的に知られている最も極端な例の 1 つは、1 つのミバエ遺伝子が 38,000 を超えるさまざまなタンパク質のレシピを提供することです。
しかし、これらは劇的なケースです。遺伝子が複数のタンパク質を作ることがどれほど一般的であり、それらの違いが細胞の日常的な機能にどれほど重要であるかは明らかではありませんでした.多くの研究者は、特定の遺伝子によって作られるタンパク質は、おそらくその役割に大きな違いはないと考えています。これは合理的な仮定です — 兄弟タンパク質の多くの小規模なテストは、それらが大きく異なるべきであることを示唆していません.
ただし、これはまだ仮定であり、テストはかなりの労力を要します。研究者は、細胞内のタンパク質の技術的にトリッキーなインベントリを作成し、それぞれが何をするかを確認するために多数のテストを実行する必要があります. Cell の最近の論文 、 しかし、ボストンのダナ・ファーバーがん研究所の研究者とその共同研究者は、まさにそのような努力の結果を明らかにしています。彼らは、多くの場合、単一の遺伝子によって作られたタンパク質は、完全に異なる遺伝子によって作られたタンパク質よりも、その挙動が似ていないことを発見しました.兄弟タンパク質はしばしば見知らぬ人のように振る舞います。これは、細胞 (および人体) がどのように機能するかを考える上で、一連の興味深い新しい可能性を開く洞察です。
タンパク質は、細胞の日常業務の多くを処理します。メッセージは細胞のある部分から別の部分に送信されます。たとえば、タンパク質バケツ ブリゲードによって、ある部分が別の部分に結合し、別の部分にスイッチが入り、別の部分がスイッチを入れ、別の部分を変更するというように、一連の変化が最高潮に達します。メッセージ。タンパク質の特定の形状は、それが何に付着できるか、つまり何ができるかを決定するのに役立ちます.別のタンパク質がどのタンパク質にくっつくかを調べることは、多くの場合、細胞内でのその役割を理解するための最初のステップです.
Dana-Farber の生物学者である Marc Vidal は、そのようなタンパク質のパートナーシップを大規模に追跡してきた長い歴史を持っています。彼の研究室では、多数のタンパク質が互いにどのように相互作用し、それらの相互作用が病気の人でどのように変化するかを調べています.しかし、同じ遺伝子のタンパク質が同じことをすると仮定すべきかどうかわからない場合、これを行うのはイライラすることがあります.特定のゲノム配列を完全に理解したとしても、「ゲノムによってコードされている構成要素について完全な知識はまだありません」と Vidal 氏は述べています。 「その理由は、古き良きルールが通用しないからです。」
古いルールがどのくらいの頻度で破られるかを確認するために、Vidal 研究室とその共同研究者は、約 1,500 の遺伝子 (全補体の約 8%) から作られた一連のタンパク質を収集しました。彼らは、どのタンパク質が同じ遺伝子に由来するかを分類し、約 500 の遺伝子が少なくとも 2 つを作っていることを発見しました。次に、各タンパク質が細胞内でよく見られる15,000以上の他のタンパク質に結合する機会を与えられた複数のテストを実行しました.最後に、彼らは各タンパク質の結果をその兄弟タンパク質 (同じ遺伝子によって作られるすべてのタンパク質) の結果と比較しました。兄弟タンパク質はどのくらいの頻度で同じパートナーに結合しましたか?どのくらいの頻度でそうしませんでしたか?
答えはかなり予想外でした。ダナ・ファーバーの科学者であるデビッド・ヒルは、「これは非常に衝撃的でした」と述べ、「これは正しくない。私たちは何が間違っていたのかを理解する必要があります。」しかし、結果は突っ込みに耐えました。彼らは、兄弟タンパク質ペアの 61% がそれらの相互作用のすべてではなく一部を共有していることを発見しました。さらに、すべての兄弟タンパク質ペアのほぼ 5 分の 1 に共通点がありませんでした。チームは、データセット内のタンパク質を別々の遺伝子によって作られたタンパク質と比較して、多くの場合、兄弟タンパク質の相互作用が、まったく無関係な起源を持っているかのように異なることを発見しました.
この論文は、同じ遺伝子からのタンパク質の異なる機能が比較的一般的であることを示唆しているため、この現象がおそらく細胞の日常生活にとって重要であることを意味していると、ノースウェスタン大学の生物学者である Neil Kelleher 氏は述べている.彼はこの研究には関与していない. 「私たちの体の細胞や組織の複雑さが、これによってどの程度生じているのかはわかりません」と彼は言いました。しかし、これらの異なるタンパク質は、体内の異なる細胞タイプの背後にあるものの一部である可能性があります.おそらく、肺細胞は 1 つのタンパク質を作ることを好むのに対し、心臓細胞では別のタンパク質が優勢です.
一部の疾患は、本来あるべきではない場所を支配する 1 つのタンパク質に根ざしている可能性があります。たとえば、2014 年の論文は、特定の代替形態のタンパク質が自閉症に関与している可能性があることを示唆しています。さらに、新しい研究は、研究者が病気の生物学的基盤を理解しようとするとき、関与する遺伝子を特定するだけで十分であると想定すべきではないことを示唆しています.遺伝子が複数のタンパク質を作る場合、生物学者はどのタンパク質が問題の原因であるかを推測する必要があります.
しかし、典型的な細胞の挙動を理解するために、新しい発見がどれほど関連性があるかはまだわかりません.ケンタッキー大学の生物学者である Stefan Stamm は、観察されたすべてのタンパク質相互作用が実生活で定期的に発生しているかどうかをこの研究が評価していないことを指摘しています。以前の研究では、これらのタンパク質の一部は野生では少数しか存在しないことが示唆されています。しかし、Stamm は、私たちがタンパク質の世界の多くの多様性を知らないことに同意します. 「個人的には、報告されているよりも多くの [代替バージョン] があると思います」と彼は言いました.
ヒルは、チームが複数のタンパク質を作ることが知られている遺伝子の数を大幅に増やしたと見積もっている.しかし、「これはまだ氷山の一角です」と彼は指摘します。チームはわずか 1,500 個の遺伝子から始めました。全ヒト遺伝子の半分である10,000を見てみると、多タンパク質遺伝子がどれほど広範囲に広がっているかが明らかになるだろう.チームはまた、ほんの一握りの遺伝子をより深く調べて、それらの多数のタンパク質が何をしているかをよりよく理解し、それらが細胞内で実際にどれほど重要であるかを観察することを選択するかもしれません.いずれにせよ、知っておくべきことはまだたくさんあります。
この発見が示唆する複雑さは、やや圧倒されるように感じるかもしれません:遺伝子から非常に多くの異なるタンパク質が生成されている場合、細胞や組織の生物学を解き明かすにはどうすればよいでしょうか?しかし、Kelleher 氏は、これらの結果はある意味で心強いものだと述べています。理論的には、遺伝子によって提供されたレシピが解釈される可能性のあるすべての方法を考慮に入れると、たとえば、塩を砂糖の代わりに使用する可能性や、重曹がベーキング パウダーの代わりになる可能性など、最大 50 種類のタンパク質が存在する可能性があります。
この研究は、実際には、これらの可能性のごく一部しか実現されていないことを示唆しています。そして、これらのタンパク質の一部だけが互いに異なる振る舞いをします. 「人々は『なんてこった、それはとても広大だ』と言います。しかし、私たちはこれを測定することができます」と彼は希望を込めて言いました. 「わからないほど複雑ではありません。」
