背景

ヒトゲノムプロジェクトの完了以来、生命科学界は、約2万個に及ぶタンパク質コード遺伝子が、いかにして人体における精密な生命活動を支えているかの解明に注力してきた。単一の遺伝子が転写プロセスを経て単一のタンパク質として発現するという古典的な分子生物学のセントラルドグマは、選択的スプライシング（Alternative Splicing）の発見により一度拡張された。一つの遺伝子から複数のメッセンジャーRNA（mRNA）が生成され、タンパク質の種類が増えることが証明されたためである。

それにもかかわらず、ゲノム配列情報と、実際の細胞内で機能するタンパク質群との間の乖離は、依然として埋まっていない。同一の遺伝情報を持つ細胞が、なぜそれぞれ異なる機能や反応性を示すのか、既存の遺伝暗号体系だけでは完璧に説明することが困難であったためである。従来のプロテオミクス研究は、主にボトムアップ質量分析法に依存してきた。タンパク質をペプチド単位に断片化して配列を特定する手法であったため、単一のタンパク質分子が持つ全体の変異の組み合わせ、すなわちプロテオフォーム（Proteoform）の完全な構造を、そのまま保持できないという本質的な限界を抱えていた。遺伝的変異による構造差と、翻訳後修飾（PTM）などの非遺伝的変異が組み合わさって生み出す、実際の機能的多様性の総量を体系的に測定できるプラットフォームが切実に求められていた理由である。

核心的な発見

Natureに発表された今回の研究において、国際共同研究チームは、高解像度多次元プロテオーム・プロファイリング・プラットフォームを構築し、ヒト細胞内の機能的プロテオームの多様性を前例のない解像度で追跡した。研究チームは、遺伝暗号に基づくアミノ酸配列の変異だけでなく、リボソームによる非標準的な翻訳や翻訳後修飾を含む非遺伝的要因が、機能タンパク質プールを形成する様態を定量的に分析した。

実験の結果、ゲノム情報から予測された基本タンパク質リストに対し、実際の細胞内で安定した固有の立体構造を形成し、生化学的活性を持つ機能タンパク質の変異体は、少なくとも5倍以上豊富であることが確認された。遺伝暗号の変異に由来するアイソフォームよりも、非遺伝的要因によって生じた変態体がプロテオームの多様性拡大に寄与している割合がより大きいという事実は、注目に値する。同一のmRNA転写体から作られたタンパク質であっても、リン酸化、糖鎖付加、ユビキチン化の組み合わせや、翻訳過程における微細な調節によって、全く異なる結合親和性や酵素活性を示すことが明らかになった。

研究チームは、表面プラズモン共鳴（SPR）分析とクライオ電子顕微鏡（cryo-EM）による構造解明技術を併用し、代表的な免疫シグナル伝達タンパク質および代謝酵素複合体40余種を検証した。その中で、非遺伝的な修飾経路を経たタンパク質変異体の多くが、既存に知られている結合パートナー以外にも、新たなタンパク質間相互作用（PPI）ネットワークを形成していることを突き止めた。アミノ酸配列自体には変異がないにもかかわらず、リン酸化パターンの微細な偏差だけで、シグナル伝達速度が3倍以上速まったり、細胞内移動経路が変化したりする現象が、実測データに基づいて立証された。

意義と展望

今回の成果は、遺伝子配列の解析に留まっていた精密医療の軸を、実際の機能単位である完全なタンパク質アイソフォームの解析へと転換させる契機となった。遺伝的異常が見つからない難治性疾患の患者において、なぜ特定の病理メカニズムが作動するのかを説明するための、新たな理論的手がかりを確保したことになる。疾患特異的に生成される非遺伝的なプロテオーム変異を特定できれば、既存のバイオマーカーでは区別が困難であった早期診断の領域においても、突破口を開くことができる。

創薬パイプラインにも大きな変化が予想される。腫瘍や自己免疫疾患の標的タンパク質を狙う際、遺伝配列基準の単一ターゲットモデルのみを想定していては、薬効の差や耐性の問題を克服するのが困難であることが明確になった。特定の変異体にのみ選択的に結合する、次世代の標的治療薬の開発戦略が求められる背景となっている。

同時に、乗り越えるべき技術的障壁も明白である。細胞内に微量に存在する非遺伝的なタンパク質変異体を、日常的な臨床環境で高感度に定量測定する技術は、依然として高度化の過程にある。また、数多くのプロテオフォームの中から、実際に疾患を誘発する病原性変異体と、単なる生体ノイズ（noise）を明確に区別できる機能的検証スクリーニング体系を構築する作業が、後続の研究課題として指摘されている。