東京工業大學,東京大學,科學技術振興機構(JST),日本醫療研究開発機構(AMED)

令和3年7月14日

東京工業大學
東京大學
科學技術振興機構(JST)
日本醫療研究開発機構(AMED)

細胞染色畫像からたんぱく質の共変動ネットワークを構築

~「細胞狀態」を活寫する新解析法の開発により創薬の加速に期待~

ポイント

東京工業大學 科學技術創成研究院 細胞制御工學研究センターの加納 ふみ 準教授、中津 大貴 助教、國重 莉奈 特任助教、および東京大學 大學院総合文化研究科の村田 昌之 教授(研究當時/現 東京工業大學 特任教授、東京大學 名譽教授)、野口 譽之 助教(研究當時)、株式會社 ニコンの米谷 信彥 研究員らの研究グループは、新しいたんぱく質ネットワーク解析法である「PLOM-CON解析法」を開発し、従來の手法では困難だった細胞內に一過性に生じる2次元のたんぱく質凝集體で、生化學的に単離?分析が困難なアクチンドメインの機能解明に成功した。アクチンドメインは糖尿病狀態の肝細胞では形成されにくくなる研究結果もあり、この解析法が新しい創薬プラットフォームツールになることを実証した。

従來のたんぱく質ネットワーク解析法は、生化學的手法で多數の細胞を集め破壊して得られるたんぱく質の平均的な「量」の情報のみに基づいているが、たんぱく質の「質?局在」情報の反映なくしては、創薬研究に重要な細胞のシグナル伝達を正しく理解できないことが課題であった。そこで、先端的な創薬?醫療研究分野では、ヘテロさを特徴とする細胞集団や組織內の単一細胞が持つそれらの情報を考慮し、疾患や薬効が示す細胞狀態をたんぱく質のネットワークの変化によって知るための新しい解析技術が求められていた。

今回開発したPLOM-CON解析法では、細胞の蛍光抗體染色畫像ビッグデータから得られる単一細胞レベルのたんぱく質の量?質?局在情報を基に、たんぱく質ごとの特徴量を算出し、それらの時間的相関の強弱を指標にして「共変動ネットワーク」として可視化できる。つまり、細胞へのシグナル入力に応答して得られる共変動ネットワークの変化や違いから、細胞狀態の違いや変化を擔うたんぱく質群情報を知ることができる。

具體的に、ラット肝細胞內において、インスリン刺激によって一過性に形成される直徑數マイクロメートルのアクチンドメインの機能を本解析法を用いて解析した結果、アクチンドメインがグリコーゲン合成やたんぱく合成に関わる酵素群の集積とその制御をつかさどる重要な場として機能することを実験的に明らかにした。

この「共変動ネットワーク」によって、肝細胞のみならず、さまざまな細胞のイメージング畫像から得られる細胞の形態情報や、たんぱく質を含む多様な生體分子の量や質的変化(多階層オミクスデータ)とを、相関解析的手法によって統合できると期待される。そのため、今回開発した新しい解析方法は、細胞を利用した基礎生命科學にとどまらず、創薬や細胞醫薬の新たな支援技術として活用できることの実証を連攜企業とともに進めている。

本研究成果は「iScience」で2021年7月13日(現地時間)に公開される。

本研究は下記の支援により行われた。

?JST 未來社會創造事業 探索加速型 「共通基盤」領域

革新的な知や製品を創出する共通基盤システム?裝置の実現
超解像蛍光抗體法による共変動ネットワーク解析法の開発

?AMED-PRIME

生體組織の適応?修復機構の時空間的解析による生命現象の理解と醫療技術シーズの創出
共変動ネットワークによる疾患特異的iPS細胞の神経分化過程の解析と理解

<プレスリリース資料>

<論文タイトル>

“Microscopic image-based covariation network analysis for actin scaffold-modified insulin signaling”
DOI:10.1016/j.isci.2021.102724

<お問い合わせ先>

(英文)“Microscopic image-based covariation network analysis for actin scaffold-modified insulin signaling”

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