近接標識を用いた神経細胞型のネイティブ状態プロテオームとトランスクリプトームの同時プロファイリング

細胞を二重に見る

脳内のあらゆる細胞はRNAに書かれた指示で動き、それをタンパク質が実行するが、これら二つの層は常に一致するわけではない。ある遺伝子はRNAレベルでは静かに見えても、そのタンパク質は豊富に存在することがあるし、その逆もあり得る。本研究はSPAROと呼ばれる手法を導入し、特定の脳細胞型のRNAとタンパク質の景観を同時に、しかもその自然な環境で読み取ることを可能にする。これにより、遺伝子だけからは見えない、健康、老化、病気における脳細胞の実際の振る舞いを読む窓が開かれる。

なぜRNAとタンパク質の物語は一致しないのか

長年にわたり生物学者は、どの遺伝子がオンになっているかを調べるためにRNAシーケンシングを、遺伝子が作るタンパク質を列挙するために質量分析を用いてきた。しかしRNAメッセージから完成したタンパク質へ至る間には、メッセージの寿命、翻訳の速度、タンパク質の安定性、細胞内での局在など多くのステップが介在する。その結果、RNAとタンパク質のレベルは限定的にしか一致しない。既存の方法は単純な細胞培養では両者を見られるが、生きた脳組織では通常、細胞を破砕したり物理的に分離したり、分子の狭い領域に限定して観察したりする必要があり、測定したい実際の状態を歪めてしまうことがある。

生細胞内での新しいタグ付け戦略

研究チームはSPAROを、細胞内で分子のペイントスプレーのように働く改変酵素TurboIDを中心に構築した。ビオチンを供給すると、TurboIDは近傍のタンパク質に小さなビオチンタグを付ける。これらの多くは通常RNAに結合するタンパク質やリボソーム成分である。ビオチンを認識する磁性ハンドルを使うことで、研究者はこれらのタグ付けされたタンパク質と、それに付随するRNA分子を一緒に引き出すことができる。同じ出発材料から得た回収物は分割され、一部はタンパク質解析へ、もう一部はRNAシーケンシングへ送られる。これにより、同一の細胞型かつ同一時点で存在したRNAとタンパク質の対応したスナップショットが得られる。

免疫様の脳細胞での手法の試験

まず、研究者らは制御の効いた培養モデルであるBV2マイクログリア様細胞を用いてSPAROを試した。これらの細胞にTurboIDを主に細胞質で発現するように設計した。その後、炎症を誘導する細菌成分に細胞を曝露し、SPAROで捕捉されたRNAとタンパク質を全細胞抽出からの従来測定と比較した。SPAROのRNAプロファイルはグローバルなRNAプロファイルとほぼ完全に重なり、炎症遺伝子応答を正確に報告した。タンパク質プロファイルはやや選択的で、細胞質タンパク質を優先し、核やミトコンドリア成分を過小評価する傾向があったが、それでも主要な炎症性タンパク質や経路を回収した。

生体脳内でニューロンとアストロサイトを読む

真の試金石は、細胞を分離せずに生きた脳内でSPAROが機能するかどうかだった。著者らはTurboIDを持つマウスと、興奮性ニューロンまたは主要な支持細胞であるアストロサイトのいずれかで酵素をオンにするマウス系統とを掛け合わせた。動物に飲み水でビオチンを与えた後、チームは皮質を採取してSPAROを適用した。その結果得られたタンパク質およびRNAプロファイルはニューロンとアストロサイトを明確に分離し、各細胞型の古典的マーカーが濃縮されていた。SPAROのアストロサイトRNA読み取りを、リボソームに基づく一般的手法RiboTagと比較すると、両者の転写産物セットは強く一致したが、SPAROはより広い範囲のRNA結合タンパク質や、マイクロRNAのような小さな非コードRNAさえも捕捉した。

RNAとタンパク質の不一致が示すこと

同一細胞型から対応するRNAとタンパク質マップを得た研究者らは、両者が一致する箇所と乖離する箇所を問うた。アストロサイトとニューロンにわたり、大多数の遺伝子は二つの陣営に分かれた：RNAとタンパク質の両方が低いか、両方が高いか。しかしかなりの少数は不一致だった。RNAに比べてはるかに多くのタンパク質を持つ遺伝子はしばしば細胞内の足場構造に関わり、アストロサイトは微小管成分に偏り、ニューロンはアクチン関連成分に偏っており、それぞれの形状や役割の違いを反映していた。一方でRNAは豊富だが比較的タンパク質が少ない遺伝子はしばしばミトコンドリアやエネルギー代謝に関連しており、これらのメッセージが転写されていても十分に翻訳されていないか、タンパク質が速やかに分解されていることを示唆している。同様のパターンは独立したデータセットやヒト細胞株でも見られ、これらの不一致がタグ付け方法のアーティファクトではなく生物学的特徴であることを示唆している。

脳理解にとっての意義

専門外の読者にとっての主なメッセージは、SPAROが特定の脳細胞内で計画（RNA）と成果物（タンパク質）の両方を、自然な環境を乱すことなく同時に聞く方法を提供するということだ。本研究はRNA測定だけでは細胞の重要な振る舞いを見落とす可能性があること、そしてRNAとタンパク質レベル間の系統的な不一致が細胞型や細胞機能に結びついた意味のあるパターンに従うことを示している。ニューロン、アストロサイト、その他の細胞型でこれらの関係を地図化することを可能にすることで、SPAROは発生、老化、神経疾患における細胞の変化をより豊かに描く基盤を築き、そうした変化を追跡する際のより良いRNAまたはタンパク質マーカーの選択につながるだろう。

引用: Ramelow, C.C., Dammer, E.B., Xiao, H. et al. Simultaneous profiling of native-state proteomes and transcriptomes of neural cell types using proximity labeling. Nat Commun 17, 4636 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71098-4

キーワード: トランスクリプトーム, プロテオーム, 神経細胞型, 近接標識, TurboID