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2010年3月5日

独立行政法人 理化学研究所

ヒトとマウスの系統で転写因子間相互作用マップをそれぞれ構築

-がんなどの疾患メカニズム解明とその治療に向けた基礎データを提供-

ポイント

  • 系統別に転写因子間相互作用マップと定量遺伝子発現プロファイルを公開
  • 転写因子間相互作用が細胞の形状や機能の特異性を決めることを発見
  • 白血球の1種、単球の分化を妨げる「負の制御」を転写因子間相互作用から新たに発見

要旨

独立行政法人理化学研究所(野依良治理事長)は、理研オミックス※1基盤研究領域(OSC、林崎良英領域長)が主催する「国際FANTOMコンソーシアム※2」(統括:林崎良英)の活動の下、ヒトとマウスそれぞれの系統について、遺伝子の発現制御に重要な役割を果たす転写因子※3間の相互作用の有無をすべての組み合わせで調べ、転写因子間相互作用マップを作成することに世界で初めて成功しました。獲得したデータは、3月5日からゲノムネットワークプラットフォームで一般に公開します。これは、FANTOM4の活動と文部科学省ゲノムネットワークプロジェクト※4との協力による成果です。

研究グループは、ゲノムネットワークプロジェクトとマウスエンサイクロペディアプロジェクト※5で収集したヒトとマウスの転写因子の完全長cDNA※6に、哺(ほ)乳動物ツーハイブリッド法※7を適用して、転写因子間の相互作用の有無を調べました。具体的には、ヒト1,222種類とマウス1,112種類の転写因子それぞれについて、2つの転写因子間の相互作用の強さを、すべての組み合わせについて調べました。海外ではすでに、ヒトのタンパク質間の相互作用を部分的に調べた報告がありますが、高等生物種における転写因子間の相互作用を網羅的に解明した成果は、世界で初めてです。

取得した相互作用マップを解析した結果、各細胞の形状や機能などの決定には、特定の転写因子の存在と、それらの相互作用が必須の役割をしていることが分かりました。例えば、わずか15個の転写因子からなる相互作用サブネットワークによって、発生過程のさまざまな細胞が特徴付けられること、つまり、このサブネットワークが発生過程での細胞分化に重要な役割を果たしていることを突き止めました。さらに、新規の転写因子間相互作用によって、単芽球※8が老廃物の処理などを行う単球※8・マクロファージ(白血球の一種)へと分化することを妨げる「負の制御」を引き起こすことも分かりました。

わが国のユニークな発想と技術力に加えて、国際共同研究が結実した今回の成果は、例えば疾患サンプルの相互作用マップを解析することで、疾患メカニズムの解明やその治療法の開発に貢献するため、今後のライフサイエンスに不可欠な研究基盤データになると考えられます。

今回の成果は、米国の科学雑誌『Cell』に掲載されるに先立ち、3月5日(日本時間3月6日)にオンライン掲載されます。

背景

2000年に結成したFANTOMコンソーシアムは、理研のマウスエンサイクロペディアプロジェクトで収集した完全長cDNAの機能注釈付け(アノテーション)と、そのパイプラインの確立を目的に、参加国数が15カ国、参加機関が51機関で構成される国際研究コンソーシアムです。これまでにFANTOM1~3の3つの段階の活動※9を行ってきました。急速に発展・拡大したFANTOMの活動の結果、特にFANTOM3では、文部科学省ゲノムネットワークプロジェクトの協力により、トランスクリプトーム解析からRNA新大陸※10の発見をもたらし、大きな反響を与えました。現在活動中のFANTOM4は、DNAやRNA、タンパク質などの生体分子が、細胞内でどのような分子ネットワークを構築し、生命現象を成立させているのかというメカニズムの解明を最終目標として、研究を進めています。

これまで分子ネットワークを描く方法は、1つ1つの遺伝子に関する研究を、過去の論文などの情報と照合するだけにとどまり、複数の転写因子を同時に解析する技術や、得た実験データだけからネットワークを読み解くインフォマティクス手法がありませんでした。FANTOM4では、細胞の分化にかかわる転写因子の網羅的な解析を行うとともに、ゲノムワイドな実験データだけに基づいて、大規模な分子ネットワークを描く方法を確立することを目的とし、すでに単球の細胞分化に関する転写因子の転写制御ネットワーク※11を解明することに成功しています(2009年4月20日プレス発表)。

転写因子は遺伝子の発現を制御する重要なタンパク質です。研究グループは、ヒトとマウスそれぞれの転写因子間相互作用マップを系統別に作成し、転写制御ネットワーク全体の理解を目指しました。

研究手法と成果

転写因子は、ゲノム上の遺伝子の近傍に存在するプロモーターと呼ぶ特異的なDNA配列と結合して、その遺伝子の発現を制御します。ヒトやマウスなどの高等動物には、それぞれ約2,000種類の転写因子が存在しており、多くの場合、転写因子同士は相互作用して複合体タンパク質を形成します。この複合体は非常に動的で、組織特異的な遺伝子の発現に重要です。高等動物は、この複合体の多様性を利用して、複雑な転写制御を達成し、生命現象を成立させていると考えられています。

研究では、ヒトとマウスに存在する転写因子(ヒト1,222種類、マウス1,112種類)に哺(ほ)乳動物ツーハイブリッド法を適用し、選び出した2つの転写因子間のすべての可能な組み合わせについて、全自動装置で相互作用の有無とその強さを効率的に検出しました(図1)。その結果、それぞれの系統で、世界初の転写因子間相互作用マップを作成することに成功しました(図2)。同時に、リアルタイムRT-PCR法※12を用いて、ヒトの34種類、マウスの20種類の組織の転写因子の遺伝子について、組織ごとに各遺伝子がどれだけ発現しているかを示す発現プロファイルを作成しました。

作成した転写因子間相互作用マップと発現プロファイルのデータを統合して解析した結果、多くの組織で発現しているありふれた転写因子ほど、相互作用するタンパク質の種類が多いことや、検出した相互作用(ヒトで762通り、マウスで877通り)のうち、約半数がヒトとマウスで共通に存在することが分かりました。さらに、転写因子間相互作用が、各細胞の形状や機能などの特徴付けにとても重要であることが分かりました。例えば、わずか15個の転写因子からなる相互作用サブネットワーク(図3)によって、発生過程のさまざまな細胞が特徴付けられること(図4)、つまり、このサブネットワークが発生過程での細胞分化に重要な役割を果たしていることを明らかにしました。さらに、新規の転写因子間相互作用によって、単芽球が老廃物や細菌の処理などの役割を発揮する単球・マクロファージ(白血球の一種)へと分化することを妨げる「負の制御」を引き起こしていることも分かりました。

今後の期待

今回構築した転写因子間相互作用マップと詳細な発現プロファイルは、細胞を分子レベルで理解する基礎となることから、研究分野に不可欠の研究基盤になると期待できます。

今後、生体内のさまざまな細胞での転写因子間相互作用マップを解析することにより、各細胞での遺伝子発現、細胞分化、哺(ほ)乳動物の進化に関する研究への展開が期待されます。例えば、がんの疾患サンプルを用いて、転写因子間相互作用マップのゆがみを発見することにより、疾患のメカニズムを解明し、治療法に向けた戦略を立てることができます。また、FANTOM4で構築に成功した動的転写制御ネットワークに、転写因子間相互作用マップの情報を組み入れることで、より正確かつ詳細な転写制御ネットワーク解析が可能となります。オミックス基盤研究領域では、今回の成果を基に、細胞の遺伝子発現解析のさらなる高度化を目指し、日本の研究開発力を世界にアピールしていきたいと考えています。

文部科学省では、2009年度から次世代シーケンサーを活用し、生命の基本単位である細胞について、増殖・分化、機能制御などの細胞・生命プログラムの解明を目指す新規プロジェクト「革新的細胞解析研究プログラム(セルイノベーション)」を開始し、理研OSCも密接に連携しています。本成果は、文部科学省ゲノムネットワークプロジェクトで積み上げた実績と協力によるもので、文部科学省革新的細胞解析研究プログラム(セルイノベーション)にも貢献しています。

発表者

理化学研究所
オミックス基盤研究領域
プロジェクトディレクター 鈴木 治和
Tel: 045-503-9222 / Fax: 045-503-9216

お問い合わせ先

横浜研究推進部 企画課
Tel: 045-503-9117 / Fax: 045-503-9113

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715

補足説明

  • 1.オミックス
    生体の持つあらゆる分子情報を解析・解明しようとする研究のこと。ゲノム(genome)は遺伝子(gene)の総体(gene+ome)であり、ゲノムの分子情報を解明しようとする研究を、語尾に-omicsを付けゲノミクス(genomics)と呼ぶ。同様に、遺伝子からの転写物の総体であるトランスクリプトーム(transcriptome)、タンパク質の総体のプロテオーム(proteome)、表現型の総体のフェノーム(phenome)までのすべてを網羅する学問をオミックス(Omics)研究と呼ぶ。
  • 2.国際FANTOMコンソーシアム
    2000年に、理研ゲノム科学総合研究センター 遺伝子構造機能研究グループ(現・オミックス基盤研究領域)が中心となって結成した。哺(ほ)乳動物(マウス)の遺伝子を網羅的に機能注釈することを主眼とする国際研究コンソーシアム「Functional ANnoTation Of Mammalian cDNA」の略称。現在は活動範囲を拡大し、遺伝子ネットワークの解明に取り組んでいる。オーストラリア、シンガポール、スウェーデン、南アフリカ、イタリア、ドイツ、ギリシャ、スイス、英国、米国などを含む全世界の15カ国から、51の研究機関が参加している。
  • 3.転写因子
    DNA上のプロモーターと呼ぶ転写開始を促す活性を持つ特定の領域・塩基配列に特異的に結合し、RNAへの転写の過程を促進または抑制する一群のタンパク質。iPS細胞を作成する際に導入する遺伝子も転写因子である。
  • 4.文部科学省ゲノムネットワークプロジェクト
    2004年度から文部科学省(笹月健彦推進委員会主査、榊佳之実施会議議長、林﨑良英中核機関研究課題代表者)によって開始されたプロジェクト。今後のポストゲノムシーケンシング研究の発展を目指して、国際レベルにあるわが国の研究ポテンシャルを活用しつつ、遺伝子の発現調節機能やタンパク質などの生体分子間の相互作用を網羅的に解析し、生命活動を成立させているネットワークを明らかにすることを目的とした。
  • 5.マウスエンサイクロペディアプロジェクト
    1995年から理研が進めてきた完全長cDNAを網羅的に収集・解析する計画。マウスで実際に遺伝子として発現している全部のRNAの配列(遺伝子配列)を読むプロジェクトで、このためにRISA system(Riken Integrated Sequence Analysis System)、包括的完全長cDNAライブラリー作製などの一連の技術開発を展開してきた。
  • 6.完全長cDNA
    mRNAの全長を逆転写酵素によりDNAとして単離したもので、断片的なcDNAと異なり、タンパク質を合成することができる。
  • 7.ツーハイブリッド法
    培養細胞の中で、タンパク質同士の結合による転写因子の活性化を検出する方法。結合するタンパク質があるとレポーター遺伝子が発現することにより、検出ができる。
  • 8.単球、単芽球
    白血球の1種で、最も未熟なものは単芽球(monoblast)と呼ぶ。単球は、最終的にマクロファージへと分化し、老廃物や細菌の処理などさまざまな役割を発揮する。
  • 9.FANTOM1~3の3つの段階、 FANTOM4
    FANTOM1(2000年~2001年)では、遺伝子の機能注釈のルールや方法について取り決めを行い、遺伝子の機能注釈を効率的に行なうシステムを開発した。
    FANTOM2(2001年~2002年)では、60,770セットのマウス完全長cDNAの塩基配列および機能注釈を行った。この活動は、世界で初めて哺(ほ)乳類の完全長cDNAの標準化を行ったもので、成果論文はマウスゲノム解読の報告とともに、Nature特集号に掲載された。
    FANTOM3(2003年~2005年)では、米国の科学雑誌『Science』のRNA特集号(2005年9月2日号)に、ライフサイエンスの転機となる2報の成果を報告し、「RNA新大陸の発見」として大きな反響を与えた(2005年9月2日プレス発表)。
    FANTOM3までの活動で、分子ネットワークの要素となる遺伝子や、タンパク質に翻訳されない非タンパクコードRNA(Non-coding RNA; ncRNA)などを収集したことから、2006年より、特に転写制御ネットワークの解明を目指して、FANTOM4を開始した。生命活動を分子レベルで明らかにすることが究極の目標で、すでに、転写制御ネットワーク解析のパイプライン構築の成果と、新たな種類のRNA発見の成果を含め、3報が米国の科学雑誌『 Nature Genetics』の特集号に同時掲載された。さらに、米国の科学雑誌『 Genome Biology』のFANTOM特集号にも、同時に多数の関連論文が掲載されている(2009年4月20日プレス発表)。
  • 10.RNA新大陸
    多様な細胞内RNA集団の莫大(ばくだい)な可能性を示す比喩的表現で、遺伝子の定義を新たに提案した際に用いた新用語(2005年9月2日プレス発表)。細胞が生産するRNAについて、今までにない大規模なスケールで調べたところ、従来100個ぐらいしか知られていなかった非タンパクコードRNA(Non-coding RNA; ncRNA)が、実は23,000個以上、つまり、全遺伝子の半分以上(53%)を占めているという新しい事実を示した。このことは、タンパク質がゲノムにコードされている最終生理活性物質であるというこれまでの常識を覆し、予想をしのぐトランスクリプトームの複雑さを認識させるもので、哺(ほ)乳動物ゲノムの情報内容に対するこれまでの理解(「遺伝子」という領域が散在しているゲノムのイメージ)を根幹から変えてしまうものだった。
  • 11.転写制御ネットワーク
    ある遺伝子から発現した転写因子が、別の転写因子の遺伝子発現を制御し、これにより発現した転写因子がさらに別の遺伝子発現を制御するという一連の相互作用。
  • 12.リアルタイムRT-PCR法
    逆転写酵素を用いたPCR法において、増幅率により鋳型RNAの存在量を定量する方法。
タンパク質-タンパク質相互作用の検出の様子の図

図1 タンパク質-タンパク質相互作用の検出の様子

すべての転写因子の組み合わせをスクリーニングした一例。赤、黄、緑、青は、発光したシグナルを強さの順に色づけしている。赤色のシグナルは相互作用が強いことを示す。

ヒトの転写因子間相互作用マップの図

図2 ヒトの転写因子間相互作用マップ

ヒトの既知の転写因子相互作用に、今回発見した762通りの相互作用を追加した転写因子間相互作用マップ。点は転写因子を示し、その間に描かれた線は相互作用が存在することを示す。

細胞のタイプを決める15個の転写因子からなる相互作用サブネットワークの図

図3 細胞のタイプを決める15個の転写因子からなる相互作用サブネットワーク

ここに示す15種類の転写因子の相互作用のうち、どの相互作用が存在しているかによって、発生過程のさまざまな細胞が特徴付けられる。

細胞や組織が発生過程に依存してグループ化している様子の図

図4 細胞や組織が発生過程に依存してグループ化している様子

15個の転写因子からなる相互作用サブネットワークの情報を用いると、さまざまな細胞や組織を発生過程に依存したグループごとに分けることができる。つまり、このサブネットワークが発生過程での細胞分化に重要な役割を果たしていることを示している(図は主成分分析によりグループ化ができたことを示している。PC1とPC2は、それぞれ1番目と2番目の主成分を表す)。

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