生細胞における1,130種類のタンパク質の局在と相互作用を可視化したManuel D. Leonetti のチームにJoshua E. Eliasが率いるチームが加わったChan Zuckerberg Biohubの研究チームは、今回、細胞小器官、細胞質など19種類の細胞区画ごとに、述べ7,666種類のタンパク質の局在、相互作用および再配置（リモデリング）を明らかにした [グラフィカルアブストラクト参照]
その成果は、Webサイト（https://organelles.sf.czbiohub.org）から公開されている。Webサイトには、Native organelle IP (Immunoprecipiation) - volcano plots、Compare enrichment profiles、Protein network graph, Subcellular UMAP、Virus-induced subcellular remodeling、および、Find your protein in our dataの６つのメニューが用意されている。また、プロトコルとソースコードも公開されている（github.com/czbiohub-sf/Organelle_IP_analyses_and_figures）
[詳細]
実験の戦略と特徴
- CRISPR-Cas9ベースの内因性標識を用いて、膜の無いオルガネラ（membraneless organelle）含む主要な細胞区画全てをカバーするエピトープ・タグマーカーを発現するHEK293Tヒト細胞株のライブラリを作製する。
- 細胞を細いシリンジに通すことで、細胞の内部構造を維持したまま穏やかに（gently）破壊する。
- 免疫沈降（IP）と液体クロマトグラフィー・質量分析（LC-MS）を組み合わせることで、細胞内区画ごとのプロテオームを定量的に定義する。
- 広範な細胞内区画の網羅性とグラフ・ベースの解析フレームワークを組み合わせることで、細胞全体にわたるタンパク質の細胞内区画への局在へのマッピングと細胞区画間の移動（離モデリング）の追跡を可能にする。
- この戦略は、その特性がこれまで十分には評価されてこなかったタンパク質の局在に加えて、隣接する細胞内区画を繋ぐ相互接続ネットワークも定義可能とする。
得られた知見
- 複数の細胞内区画に同じタンパク質が見られることがあったが、これは、一部の細胞内区画が隣接する区画とともに抽出されることで、微量ではあるが同じタンパク質が複数の細胞内区画で微量検出される場合があった。しかし、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、類似するタンパク質が結びついたクラスターを形成すると、小胞体、細胞質、ミトコンドリアなどの細胞内区画が明確に定義された。
- 一方で、複数の細胞内区画を跨いで強い相互作用を示す一連のタンパク質も発見された。これらのタンパク質は細胞内区画の境界に位置していることから、細胞内区画同士が協働して細胞機能を維持することに貢献していることが示唆された。
- 風邪を引き起こすヒトコロナウイルス HCoV-OC43を感染させた細胞のオルガネラプロファイリングから、細胞内区画間で再配置されるタンパク質633種類と、細胞内でのその量が大きく変化するタンパク質429種類が同定されたが、この２種類の変化を示したタンパク質はわずか54種類であった [Figure 6 参照]
- HCoV-OC43感染に伴う再配置において最も濃縮されたのはフェロトーシスに関与するタンパク質であった。そこで、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た。すなわち、フェロトーシスが新たな抗ウイルス療法の標的候補であることが示唆された。
まとめ
これらの知見は、多くのタンパク質が細胞における総量の変化ではなく、空間分布の変化によって制御されていることが示され、細胞内リモデリングのプロテオーム全体にわたる解析が細胞応答の解明に重要な知見をもたらすことを示している。
[出典]
- 論文 "Global organelle profiling reveals subcellular localization and remodeling at proteome scale" Hein MY, Peng D, Todorova V, McCarthy F, Kim K, Liu C [..] Elias JE, Leonetti MD. Cell. 2024-12-31/2025-02-20. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.028 [著者所属] Chan Zuckerberg Biohub, Stanford U, UCSF,
- NEWS RELEASE "Scientists create comprehensive map of protein locations within human cells" Chan Zuckerberg Biohub. 2025-01-08. https://www.eurekalert.org/news-releases/1069958
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