ヒト細胞の内部設計 20万枚の細胞画像データベースから、細胞がどのように自己組織化するかを見る新手法を開発

アレン細胞科学研究所の副所長で、主任研究員のマテウス・ヴィアナ博士と共にこの研究を率いたスザンヌ・ラフェルスキー博士は、「健康や病気において細胞がどのように変化するかを理解しようとするこの分野に欠けているものは、この種の組織を厳密に取り扱う方法だ。我々はまだその情報を利用できていないのだ。」と語っている。

この研究は、生物学者がさまざまな種類の細胞の組織化を測定可能かつ定量的に理解するためのロードマップを提供するものである、とラフェルスキー博士は語っている。また、アレン研究所のチームが研究しているヒト人工多能性幹細胞の組織化に関するいくつかの重要な原則も明らかになった。
健康な状態で細胞がどのように組織化されるのか、また、「正常」に含まれるあらゆる変動性を理解することは、病気の際に何が問題となるのかを科学者がよりよく理解するのに役立つ。この研究に使用された画像データセット、遺伝子操作された幹細胞、コードはすべて一般に公開されており、他の科学者も利用することができる。

「細胞生物学が難解に感じられる理由の一つは、同じ種類の細胞であっても、一つひとつが異なって見えるという事実だ。カリフォルニア大学サンフランシスコ校の生化学・生物物理学教授で、アレン研究所の科学諮問委員会のメンバーであるウォレス・マーシャル博士は、「アレン研究所のこの研究は、長年この分野を悩ませてきたこの多様性が、実は細胞がどのように構成されているかを研究するチャンスであることを示している」と語っている。「この方法は、事実上あらゆる細胞に対して一般化できるものであり、他の多くの人々が同じ方法論を採用することを期待している。」

我々の細胞の "梨っぽさ "を計算する

アレン研究所の研究チームは、7年以上前に開始した一連の研究で、まず、遺伝子操作によって、蛍光顕微鏡でさまざまな内部構造が見えるようにした幹細胞のコレクションを作製した。そして、25の構造体を標識した細胞株を手に入れ、20万個以上の異なる細胞の高解像度3D画像を撮影した。これらはすべて、一見すると単純なひとつの疑問を投げかけるためであった。細胞はどのように内部を組織化しているのだろうか？
その答えを導き出すのは、実に難しいことなのだ。例えば、オフィスに何百もの家具を配置し、そのすべてにすぐに手が届くようにし、その多くが仕事に応じて自由に動いたり相互作用したりする必要があると想像して欲しい。もしオフィスが薄い膜に囲まれた液体の袋で、何百もの家具はさらに小さな液体の袋だと想像したら、インテリアデザインの悪夢のような話だ。

すべての小さな細胞構造は、互いにどのように配置されているのだろうか？構造体Aは常に同じ場所にあるのか、それともランダムなのか？
研究チームは、2つの異なる細胞間で同じ構造を比較するという難題にぶつかった。研究対象の細胞は、遺伝学的に同一で、同じ実験室環境で飼育されていたにもかかわらず、その形状は大きく異なっていたのだ。もし、ある細胞が短くてぼんやりしたもので、別の細胞が長くて洋ナシ型のものであれば、2つの異なる細胞で構造Aの位置を比較することは不可能であることに研究者らは気づいた。そこで、このずんぐりむっくりした塊と細長い洋ナシに数字を付けてみた。

研究チームは、計算機解析により、各幹細胞の外形を客観的に表現する「形状空間」と呼ぶものを開発した。この形状空間には、高さ、体積、伸長度、「洋ナシらしさ」「豆らしさ」など、形状のバリエーションを示す8つの次元が含まれている。そして、同じような形をした細胞内の細胞構造の構成について、リンゴとリンゴ（あるいは豆と豆）を比較することができるのだ。

「生物学では、形と機能は相互に関連しており、細胞の形を理解することは、細胞がどのように機能するかを理解するために重要であることが分かっている。我々は、細胞の形状を測定できるフレームワークを考え出した。そうした瞬間に、似たような形状の細胞を見つけることができ、それらの細胞については、内部を見て、すべてがどのように配置されているかを見ることができるのだ。」とヴィアナ博士は語っている。

厳格な組織

25個の強調された構造の位置を、同じような形をした細胞群で比較したところ、どの細胞も驚くほど似たような方法で店を構えていることがわかった。細胞の形は千差万別だが、その内部構造は驚くほど一貫していたのだ。

高層ビルで何千人ものホワイトカラーがどのように家具を配置しているかを見てみると、オフィスの大きさや形状にかかわらず、すべての従業員がオフィスの真ん中にデスクを置き、左端にファイルキャビネットを正確に置いているかのように見える。例えば、あるオフィスで書類棚が床に投げ出され、書類が散乱していたとすると、そのオフィスとその居住者の状態について、何かわかるかもしれない。

細胞も同じだ。正常な状態からの逸脱を発見すれば、細胞が静止状態から移動状態に移行するとき、分裂の準備をするとき、あるいは病気のときに顕微鏡レベルで何がうまくいかないかについて、科学者に重要な情報を与えることができるかもしれない。研究チームは、コロニーの端にある細胞と、有糸分裂という新しい娘細胞をつくるための分裂過程にある細胞という、2種類のデータセットに注目した。この2つの状態において、研究者らは、細胞のさまざまな環境や活動に対応した内部組織の変化を見出すことができた。

「この研究は、アレン細胞科学研究所が設立されて以来、我々が行ってきたことすべてをまとめたものだ。細胞がどのように組織化されているかをさまざまな角度から測定し、比較するための指標を含め、これらすべてをゼロから作り上げた。私が本当に興奮しているのは、我々や他のコミュニティがこれを基に、これまで決してできなかったような細胞生物学に関する質問をすることができるようになったことだ。」と、アレン細胞科学研究所のエグゼクティブディレクターであるルー・グナワルダネ博士は述べている。

この記事は、アレン研究所のシニアエディター、レイチェル・トンパ博士が執筆したニュースリリースに基づいている。

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