科学者たちは、ゲノム変異をより詳しく調べることで、疾患への新たな関連性を発見するための、より速く、より正確な方法を手にしました。遺伝と疾患の関連性は古くから疑われており、ヒポクラテスは特定の疾患が「家族内で見られる」ことを観察していました。しかし、年月を経て、科学者たちはヒトゲノムにおけるそれらの遺伝的関連性の源を理解する方法を見つける上で、進歩を続けてきました。
EMBLの科学者たちと共同研究者たちは、この度、同一細胞内のゲノム変異とRNAを同時に捉えることにより、従来の単一細胞技術を超えるツールを開発しました。この技術は、以前の技術と比較して精度と拡張性を向上させています。ゲノムの非コード領域の変異を特定できるこのツールは、疾患に関連する変異が最も起こりやすいDNA領域を科学者が研究する方法を変革します。この単一細胞ツールは、その高い精度と処理能力により、遺伝的変異と疾患との相関関係を明らかにする上で重要な進歩を示しています。
「これは長年の課題でした。なぜなら、同一細胞内のDNAとRNAを研究する現在の単一細胞手法は、処理能力が限られ、感度が低く、複雑だったからです」と、Nature Methods誌で2025年9月1日に発表されたSDR-Seqに関する新しい論文の筆頭著者であり、EMBLのシュタインメッツ・グループのポスドク研究員であるドミニク・リンデンホーファー氏（Dominik Lindenhofer）は述べています。「単一細胞レベルでは、何千もの細胞の変異を読み取ることができましたが、それはそれらが発現している場合、つまりコード領域からのみでした。私たちのツールは、変異がどこにあるかに関わらず機能し、複雑なサンプルの分析を可能にする単一細胞データをもたらします。」
オープンアクセスの論文タイトルは、「Functional Phenotyping of Genomic Variants Using Joint Multiomic Single-Cell DNA–RNA Sequencing（共同マルチオミクス単一細胞DNA-RNAシーケンシングを用いたゲノム変異の機能的表現型解析）」です。
コード領域と非コード領域の重要な違い
DNAで構成されるゲノムには、コード領域と非コード領域の両方があります。コード領域の遺伝子は、取扱説明書やレシピに例えられてきました。なぜなら、それらの遺伝子はRNAに発現し、本質的に細胞に生命の構成要素であるタンパク質の作り方を指示するからです
非コード領域には、細胞の発生と機能に重要な多くの調節エレメントが含まれています。DNAで発生する疾患関連変異の95%以上は、これらの非コード領域で起こりますが、現在の単一細胞ツールは、これらの広大な領域をより良く理解するための処理能力と感度を提供できていませんでした。これまで科学者たちは、DNAコード変異の機能とその結果を明らかにするために、同一細胞のDNAとRNAを大規模に同時観察することはできませんでした。
「この非コード領域には、先天性心疾患、自閉症、統合失調症などに関連する変異が存在することがわかっていますが、それらはほとんど未踏です。しかし、このような疾患はこれらだけでは決してありません」と、リンデンホーファー氏は言います。「どの変異が内因性のゲノムコンテクストで機能しているかを理解し、それらが疾患の進行にどのように寄与しているかを理解するために、その探索を行うツールが必要でした。」
単一細胞を追跡するバーコードの解読
単一細胞DNA-RNAシーケンシング（SDR-seq: single-cell DNA-RNA sequencing）のために、科学者たちは油水エマルジョンの液滴を用い、各液滴に単一細胞を入れてDNAとRNAの両方を分析しました。科学者たちは、特定の試験管内で何千もの細胞を同時に研究し、遺伝的変化を遺伝子活性に直接結びつけることができました。しかし、この種の技術開発はいくつかの限界を克服する必要があり、最終的にはEMBLのゲノム生物学および構造・計算生物学ユニット、スタンフォード大学医学部、ハイデルベルク大学病院の共同研究者が関わることになりました。
当初、EMBLのジュディス・ザウグ氏（Judith Zaugg）とキュンミン・ノー氏（Kyung-Min Noh）の研究グループの共同研究者たちは、脆弱なRNAを保護するために細胞を「固定」する方法を開発しました。さらに、オリバー・シュテーグル氏（Oliver Stegle）のEMBL研究グループの計算生物学者たちは、この技術を構築し、さらなる下流のデータ分析を可能にするために必要な複雑なDNAバーコードシステムを分離・解読するためのカスタマイズされたツールを構築しました。そして、このデコーダーはこのプロジェクトのために特別に構築されましたが、科学者たちはそれが他の研究にも応用できると期待しています。
EMBLのヴォルフガング・フーバー氏（Wolfgang Huber）とハイデルベルク大学病院のサーシャ・ディートリッヒ氏（Sasha Dietrich）の研究グループの研究者たちは、すでに他の研究プロジェクトのためにB細胞リンパ腫細胞のスクリーニングを行っていました。その結果、彼らはこのツールをテストするために、多数のゲノム変異を持つ一次患者サンプルを提供しました。リンデンホーファー氏はその後、これらのサンプルを用いて変異と疾患の関連性を観察しました。彼は、より多くの変異を持つがん細胞が、がんの増殖を助ける活性化シグナルを増加させていることを発見しました。
「私たちは、これらの小さな反応チャンバーを使って、同一の単一細胞内のDNAとRNAを読み取っています」とリンデンホーファー氏は述べています。「これにより、変異が遺伝子の1つのコピーにあるのか、両方のコピーにあるのかを正確に判断し、同一の単一細胞内でその遺伝子発現への影響を測定できます。B細胞リンパ腫細胞では、細胞の変異構成によって、異なる細胞状態に属する傾向が異なることを示すことができました。また、細胞内の変異が増加することが、実際により悪性のB細胞リンパ腫の状態と関連していることもわかりました。」
単一細胞シーケンシングツールがもたらす多くの機会
SDR-seqツールは現在、ゲノム生物学者に、遺伝的変異をより良く理解するための規模、精度、速度を提供します。将来的には広範な複雑な疾患の治療に役立つ可能性がありますが、まずは診断のためのより良いスクリーニングツールの開発に役立つかもしれません。
「私たちには、変異と疾患を結びつけることができるツールがあります」と、論文のシニアオーサーであり、EMBLのグループリーダー兼スタンフォード大学医学部の遺伝学教授であるラース・シュタインメッツ（Lars Steinmetz）教授は述べています。「この能力は、私たちが今発見できる生物学の広範な領域を開拓します。変異が実際にどのように疾患を調節しているかを識別し、その疾患プロセスをより良く理解できれば、それは私たちが介入し治療するためのより良い機会を持つことを意味します。」
画像：EMBLの研究者らは、単一細胞DNA-RNAシーケンシング技術「SDR-seq」を開発した。この手法はDNAとRNAを同時に解析し、同一の単一細胞内でコード領域と非コード領域の遺伝的変異を遺伝子発現と関連付ける。(Credit: Daniela Velasco/EMBL)
