マサチューセッツ工科大学ブロード研究所とハーバード大学の免疫学者兼遺伝学者であるニール・ハコーエンは、生物学には問題があることを知っていました。彼は、がんやその他の疾患におけるヒトの免疫応答の役割を理解したいと考えていました。しかし、それを行うには、まず、より根本的な問題に対処する必要がありました。免疫細胞の種類自体の定義は、不十分で、不完全で、時代遅れのように思われました.
1 世紀以上にわたり、細胞の種類の区別は、顕微鏡下でどのように見えるかに依存していました。つまり、形状、サイズ、位置、および染色色素の取り込みです。しかし、ここ数十年で、蛍光標識された抗体を使用して細胞表面のタンパク質マーカーを標的とする分子的手法への移行が見られました。 Hacohen 氏によると、このアプローチにより研究者はより多くの細胞型を分離することができましたが、それだけでは十分ではありませんでした。 2009 年まで、生物学者は細胞を大量に分析することしかできず、多数の細胞からの信号を平均して、組織内で何が起こっているかを把握していました。個々の細胞からの RNA の配列決定が最終的に可能になったとき、最初の分析は Hacohen が「偏った」および「浅い」と呼んだものでした。 「これは本当に細胞の複雑さを捉えていますか?」
Science に掲載された研究では この 4 月、彼と彼のチームは、予想通り、この複雑さの多くが隠されていることを示しました。個々のヒト免疫系細胞における遺伝子発現パターンを分析することで、研究者は樹状細胞および単球として知られるタイプの定義を改良し、見落とされていた新しいタイプを特定しました。さらに、1 つのサブタイプから構成されると考えられている細胞集団が、実際には異なる機能を実行する 2 つのサブタイプの混合物であることを発見しました。
Hacohen の作品は、はるかに大きなプロジェクトの 1 つのコンポーネントを表しています。昨年 10 月、Broad Institute の Aviv Regev と Wellcome Trust Sanger Institute の Sarah Teichmann が率いる国際的な研究者コミュニティは、この種のモデリングを全身に適用するために、Human Cell Atlas を立ち上げました。教科書で最も頻繁に引用される 200 種類をはるかに超えると予測される細胞型だけでなく、さまざまな条件下で、さまざまな遺伝的およびエピジェネティックなバリエーションを持つ個人の細胞型の特徴もカタログ化することを目的としています。その知識は、生命の動的な複雑さのより包括的な概要を提供するため、重要です。たとえば、免疫細胞のサブタイプは、感染症、アレルギー、または自己免疫疾患を患っている人で変化する可能性があります。または、人口グループごとに異なる場合があります。
「これはヒトゲノム計画に匹敵するものではありません」と Hacohen 氏は述べた。 「それはかなりよく規定された問題でした。ここでの問題ははるかに難しく、ある意味で多くの生物学を網羅しています。」
ヒト細胞アトラスは、膨大な量のデータを合成して、私たちの体の細胞が実際にどれほど多様であり、生命がどれほど複雑であるかについてより深い洞察を得ようとする、分子および細胞生物学のいくつかのプロジェクトの 1 つにすぎません。 2003 年、スウェーデンの KTH 王立工科大学の研究者は、個々の細胞内のタンパク質の発現、位置、および空間分布を包括的にカタログ化することを目的とした Human Protein Atlas を立ち上げました。このプロジェクトのメンバーが、さまざまな細胞タイプの細胞内構造をキャプチャした何百万もの画像の分類、注釈付け、分析を開始できるようになったのは、ここ数年のことです。その点に到達するために、彼らはまず手順の標準化、最適化、およびスケールアップに 10 年を費やさなければなりませんでした。これには、標的抗体を使用してタンパク質を染色し、次に高解像度顕微鏡で健康な組織細胞と癌組織細胞内のそれらのマーカーを探すことが含まれていました.
2015 年 1 月、チームは 30 を超えるヒト組織のタンパク質発現をグラフ化しました。今年の 5 月、彼らは Science で彼らの取り組みの第 2 部を発表しました。 単一細胞レベルに目を向けると、彼らは 12,000 を超えるタンパク質を 30 の細胞内構造にマッピングし、12 を超える主要なオルガネラのプロテオーム (発現タンパク質の完全なセット) を定義しました。研究者は、どのタンパク質がどこで見つかったかを特定し、細胞ごとのタンパク質発現の変動を調査し、細胞がどのように細胞内で化学反応を分離するかを分析しました。
主任研究員のエマ・ランドバーグによると、この論文の最も顕著な発見の 1 つは、私たちのタンパク質の半分もが細胞の複数のコンパートメントに見られるということでした。 「タンパク質が行うことはすべて、その環境のコンテキスト内で固有のものです」とランドバーグは言いました. 「あるタンパク質が核だけでなく原形質膜にも存在する場合、それらのコンパートメントで異なる機能を持っている可能性があります。」
特定の乳がんでしばしば過剰発現する受容体タンパク質である HER2 を考えてみましょう。 HER2 が腫瘍細胞膜にある場合、HER2 は細胞質や核にある場合よりも予後が良好です。 「これが実際には一般的な現象であることを示す単一タンパク質の研究がますます増えています」とLundberg氏は述べています. 「しかし、それはその規模です」と彼女は付け加えました。それは最もエキサイティングなことです.
彼女のグループが観察したタンパク質の 50% もが、細胞の複数の部分で発現していました。その数字が多機能性がどれほど大きいかを示している場合、Lundberg 氏は、「それは細胞をより複雑にし、プロテオームの機能をより大きくします」と述べています。
この不均一性により、タンパク質機能の基礎についてより深い洞察が得られますが、たとえば、特定の薬が望ましくない副作用を引き起こす理由も説明できる可能性があります.
秋に研究を発表することを望んでいる別の科学者グループは、精巣の細胞型におけるタンパク質の分布をマッピングしている.そうすることで、彼らは精子形成中に発生する細胞サブタイプを再分類しています。 「これらの細胞が成熟する前に、多くのことが起こっています」と、研究に協力しているスウェーデンのウプサラ大学のセシリア・リンドスコグ・バーグストロムは述べた. 「精子発生の特定のサブステージで発現するタンパク質は、これらのタンパク質の機能についてより多くを語ります。」
細胞タイプを定義するこの動的な方法は、Hacohen が血液細胞の研究でさらに確立しようとしたものです。 5月に報告された調査結果で、ヒトタンパク質アトラスは、これらの改良が必要な理由を示し始めました.チームは、タンパク質の約 15% が単一細胞変異を示すことを観察しました。表面的に均一に見える組織では、一部の細胞は、発現するタンパク質の量または空間分布が隣接する細胞と異なる可能性があります。同じ。ヒューマン セル アトラスの単一細胞 RNA シーケンス アプローチにより、研究者はタンパク質以外の分子に基づいて細胞プロファイルを作成できます。
「これまでは、スムージーを見るのと同じように組織や器官を観察していました」と、スイスのエコール ポリテクニック フェデラル デ ローザンヌの生物システム エンジニアである Bart Deplancke 氏は述べています。その全体的な色と味に基づいて、スムージーはイチゴとバナナで構成されていると考えるかもしれません.しかし、そのように見ると、主要な成分が見落とされ、スムージーのすべての部分が同じであるかのように見える可能性があります. Deplancke 氏によると、最新の技術を使用すると、スムージーを見て「これらのさまざまな果物が見える」と言うのと同じ組織分析を行うことができます。そして、細胞タイプの完全な多様性がどのようにして機能的な器官を形成するかを見ることができます。同様に、がんやその他の疾患に関与する全範囲の細胞が予後と回復にどのように関係しているかを知ることができます。
Deplancke は、ショウジョウバエのすべての細胞タイプの特性を明らかにしようとする Fly Cell Atlas の編成を開始した 3 人の研究者の 1 人です。 ショウジョウバエ。シアトルのアレン研究所は、マウスの脳の同様の理解に向けて取り組んでいます.どちらも、ヒト細胞アトラスと同じように、人間の行動と病気を説明するために彼らの発見を適用したいと考えています。最終的に、これらの異なるアトラスによって生成された膨大なデータセットを統合することは、すべての中で最大の課題になる可能性がありますが、研究者は、新しい種類の地図探査の傘の下で構造、ゲノム、およびエピジェネティックなアプローチを組み合わせることで、最もやりがいのあるものになることを望んでいます.
