細胞内のタンパク質の位置を正確に特定する新手法が開発され、感染症やその他の環境変化に対する細胞の応答メカニズムの新たな理解がもたらされました。工場やオフィスの労働者が適切な部署に配置されるように、細胞内のタンパク質もそれぞれ適切な場所に配置される必要があります。しかし、科学者らは細胞の全体的な組織構造を完全には把握できておらず、ましてやウイルスの侵入といった危機的状況において、細胞内の「従業員（タンパク質）」がどのように再配置されるのかは依然として不明でした。例えば、ウイルスによる感染が起こると、細胞のタンパク質は新たな場所へ移動し、病原体の目的に沿う形で働く場合もあれば、細胞自身が感染に抵抗するための役割を担うこともあります。
2024年12月31日に学術誌『Cell』に掲載された新たな研究では、チャン・ザッカーバーグ・バイオハブ・サンフランシスコ（CZ Biohub SF）の学際的な研究チームによって、細胞全体の空間的な組織を前例のないほどの詳細なレベルで捉える手法が開発されました。この手法により、ヒト細胞内の約1万種類のタンパク質の大部分を、細胞小器官やその他の細胞内区画に基づいてマッピングすることが可能になりました。この研究は、私たちの細胞がどのように構築されているのかを理解するための重要な基盤を提供するとともに、ウイルス感染時に一部のタンパク質がどのように再配置されるかを解析するためにも応用されました。
このオープンアクセス論文のタイトルは、「Global Organelle Profiling Reveals Subcellular Localization and Remodeling at Proteome Scale（グローバルオルガネラプロファイリングによる細胞内局在およびプロテオームスケールでのリモデリングの解明）」です。
本研究は、「空間プロテオミクス（spatial proteomics）」の一例であり、この分野は2024年に学術誌『Nature Methods』によって「今年の方法（Method of the Year）」として選ばれた急成長中の研究領域です。空間プロテオミクスの目的は、細胞や組織内でタンパク質がどのように配置され、機能しているのかを詳細にマッピングすることにあります。
通常、研究者は細胞の応答を解析する際、特定のタンパク質やその前駆体であるmRNAの量の増減を測定します。これは、細胞が状況に応じてタンパク質を「雇用」または「解雇」している様子を捉える方法です。しかし、本研究で『Cell』に報告された実験では、タンパク質の位置変化はその量の変化とは独立して起こることが多いことが明らかになりました。つまり、従来の手法では細胞の応答の一部しか捉えられていなかった可能性があるのです。
「疾患発生時の細胞の全体像を把握するには、タンパク質の量だけでなく、空間的な配置の変化も測定する必要があります」と、筆頭著者であり、CZ Biohub SFの細胞内アーキテクチャグループの責任者兼システム生物学ディレクターであるマヌエル・レオネッティ博士は述べています。
1つの細胞、19の区画、数千種類のタンパク質
私たちの細胞は約1万種類のタンパク質によって構成されています。これまで、研究者は顕微鏡を用いて限られた数のタンパク質の位置を特定することは可能でした。しかし、細胞全体のタンパク質の位置を包括的にマッピングし、それが環境の変化に応じてどのように変化するかを追跡することは困難でした。
レオネッティ博士のチームは、以前の研究でOpenCellと呼ばれるプラットフォームを開発し、顕微鏡を用いて1,300種類以上のタンパク質の細胞内局在をベースライン条件下でマッピングしました。しかし、より大規模かつ異なる細胞状態でのタンパク質の局在を定義するためには、新たなアプローチが必要でした。
新手法「オルガネラプロファイリング」は、個々のタンパク質の正確な位置を1つずつ特定するのではなく、それらを細胞小器官、細胞質（サイトゾル）、その他の内部構造の一部として捉えるものです。本研究では、研究者らは細胞全体を網羅する19の区画に独自の分子タグを付加しました。
タグ付けを行った後、細胞を細いシリンジ（注射器）に通すことで、内部構造を維持したまま穏やかに破壊しました。その後、タグを認識する抗体を用いて各区画を抽出し、それぞれのタンパク質組成を質量分析によって解析しました。この方法により、8,000種類以上のタンパク質の相対的な位置情報を明らかにすることができました。本研究は、CZ Biohub SFの質量分析プラットフォームのリーダーであり、本論文の共同責任著者でもあるジョシュ・エリアス博士（Josh Elias, PhD）との密接な協力のもとで進められました。
同じ種類のタンパク質が複数の区画に存在することもありました。これは、一部の細胞小器官が隣接する区画とともに抽出されることで、微量ながら検出される場合があったためです。研究チームは、類似したプロファイルを持つタンパク質を比較し、それらをネットワークとして解析しました。この解析により、類似するタンパク質が結びついたクラスターを形成し、それぞれの細胞内区画—小胞体（エンドプラスミックレチクラム）、細胞質（サイトゾル）、ミトコンドリアなど—が明確に定義されることが示されました。
さらに、一部のタンパク質は複数の区画をまたぐ強い相互作用を示しました。研究者らは、これらのタンパク質が細胞内区画の「境界」に存在し、異なる区画同士が連携して細胞機能を維持するのに貢献していると解釈しました。CZ Biohub SFの上級計算生物学者であり、本研究の筆頭共同著者の1人であるデュオ・ペン氏（Duo Peng）は次のように述べています。
「従来の技術では、細胞小器官の境界にあるタンパク質を特定することは非常に困難でした。しかし、私たちの手法ではそれを明確に検出することができます。」
データ解析を主導したペン氏の発言の通り、研究チームは細胞全体を網羅する高解像度のタンパク質マップを作成しました。このマップを過去に収集されたデータと比較したところ、高い一致率が確認されました。
「私たちの手法は、少数の実験から膨大な情報を得ることができます。これは、細胞が環境変化に適応する際にどのように再構築されるかを簡単に比較できるため、非常に強力なアプローチです。」マヌエル・レオネッティ博士は語りました。
タンパク質の再配置を明らかにする
次に、研究チームは細胞が環境変化に応じてどのように内部構造を再構築するのかを調べるため、細胞をOC43コロナウイルス（OC43）に感染させ、オルガネラプロファイリング解析を再び実施しました。その結果、2つの顕著な変化が確認されました。
- 633種類のタンパク質が再配置
細胞内マップ上で他のタンパク質との関係が大きく変化。
- 429種類のタンパク質の全体量が増加または減少
しかし、驚くべきことに、両方の変化を同時に示したタンパク質はわずか54種類でした。
「タンパク質の局在を調べることで、従来のタンパク質量の測定だけでは得られない、まったく異なる視点の情報が得られることが分かりました。」マルコ・ハイン博士（Marco Hein, PhD）は語りました。
ハイン博士は、本研究の筆頭共同著者であり、CZ Biohub SFのレオネッティ研究室でフェローとして本プロジェクトを主導しました。現在はオーストリアのウィーンにあるマックス・ペルツ研究所で自身の研究グループを率いています。
さらに、OC43感染後のタンパク質再配置の解析から、細胞死の一種であるフェロトーシス（ferroptosis）に関与するタンパク質の移動が確認されました。研究チームがフェロトーシスを促進したところ、ウイルス感染が増加し、逆に抑制するとウイルスの増殖が阻害されることが判明しました。これは、フェロトーシスがウイルス感染の制御に重要な役割を果たしていることを示しており、新たな抗ウイルス療法の標的となる可能性を示唆しています。
研究者らは、他のウイルス感染やアルツハイマー病においても、タンパク質の特徴的な再配置パターンを調査し続けています。
「私たちのオルガネラプロファイリング手法は、多様な疾患における細胞の空間的な組織変化を明らかにできると考えています。」
— マヌエル・レオネッティ博士
この手法は、生物学的メカニズムの解明に新たな手がかりを提供し、疾患と闘うための新しい戦略を生み出す可能性があります。
データとツールの共有
現在、CZ Biohub SFの研究チームは、オルガネラプロファイリングによって得られたデータをオープンアクセスで公開しており、他の研究者が自由に利用できるようにしています。データはorganelles.czbiohub.orgで閲覧可能です。さらに、研究チームは細胞や試薬などの研究ツールを科学コミュニティに提供する計画も進めています。
また、より多くの研究者が自身の研究対象におけるタンパク質の局在マップを作成できるように、データ解析を効率化するソフトウェアを開発中です。このソフトウェアの活用を通じて、世界中の研究者がデータを共有し、より良い細胞内部構造のモデルを構築できることを期待しています。
「私たちの手法は、詳細なデータを効率的に取得することと、実験の実現性を両立させています。多くの研究室が活用できる、非常に有用なツールになるでしょう。」
ジョシュ・エリアス博士は語りました。
CZ Biohub San Franciscoについて
CZ Biohub SF（チャン・ザッカーバーグ・バイオハブ・サンフランシスコ）は、2016年に設立された非営利の生物医学研究センターであり、チャン・ザッカーバーグ・イニシアティブ（Chan Zuckerberg Initiative）が支援するCZ Biohub Networkの一部です。CZ Biohub SFの研究者、エンジニア、データサイエンティストは、スタンフォード大学、カリフォルニア大学バークレー校、カリフォルニア大学サンフランシスコ校のパートナーと協力し、疾患の根本的なメカニズムを解明し、新しい診断技術や効果的な治療法の開発を目指しています。詳しくはczbiohub.org/sfをご覧ください。
写真：マヌエル・レオネッティ博士（Manuel Leonetti, PhD）
