細胞が日常的な機能を果たすとき、さまざまな遺伝子や細胞内経路がオンになる。このたびMITの技術者らは、これらのイベントの履歴を、光顕微鏡で画像化できる長いタンパク質鎖に書き込むよう、細胞を誘導した。この鎖を作るようにプログラムされた細胞は、特定の細胞事象をコード化するビルディングブロックを継続的に追加していった。
その後、秩序だったタンパク質鎖を蛍光分子で標識し、顕微鏡で読み取ると、イベントのタイミングを再構築することができた。この技術は、記憶の形成、薬物治療への反応、遺伝子発現などのプロセスの根底にあるステップを明らかにするのに役立つと考えられる。
MITのエドワード・ボイデン博士（Y. Eva Tan神経技術 教授、MIT生物工学・脳認知科学教授、ハワードヒューズ医学研究所研究員、MITマクガバン脳研究所およびコーク統合がん研究所）は、「臓器と体のスケールで、数時間から数週間にわたって起こる多くの変化があるが、これは、長期間追跡することができない」と述べている。
この研究者らは、この技術をより長い時間使えるように拡張できれば、老化や病気の進行などのプロセスの研究にも利用できるだろうと言う。
ボイデン博士は、2023年1月2日にNature Biotechnologyに掲載されたこの研究の筆頭著者だ。マクガバン研究所の元J. Douglas Tan博士研究員で、現在はミシガン大学の助教授であるチャンヤン・リンホウ博士は、この論文の主執筆者だ。
このオープンアクセス論文は「光学的に読み取り可能な自己組織化タンパク質鎖に沿った細胞生理学的歴史の記録（Recording of Cellular Physiological Histories Alongically Readable Self-Asembling Protein Chains）」と題されている。
細胞の歴史
臓器などの生体システムには、さまざまな種類の細胞が存在し、それぞれが特徴的な機能を持っている。これらの機能を調べる方法のひとつに、細胞内のタンパク質やRNAなどの分子を画像化し、細胞が何をしているのかを知るヒントがある。しかし、ほとんどの方法は、一瞬しか見ることができなかったり、非常に多くの細胞集団に対応できなかったりする。
「生物学的なシステムは、多くの場合、多数の異なる種類の細胞で構成されている。例えば、ヒトの脳は860億個の細胞を持っている」とリンホウ博士は言う。「そのような生体システムを理解するためには、このような大規模な細胞集団における生理的事象を経時的に観察する必要がある。」
そのために研究チームは、細胞内の出来事を、連続的に付加されるタンパク質サブユニットの連鎖として記録することを思いついた。研究チームは、鎖を作るために、生きた細胞には通常存在しない、長いフィラメントに自己組織化できる人工的なタンパク質サブユニットを使用した。
研究者らは、これらのサブユニットのうち1つは細胞内で継続的に生成され、もう1つは特定のイベントが発生したときにのみ生成されるような遺伝子コード化されたシステムを設計した。各サブユニットには、エピトープタグと呼ばれる非常に短いペプチドも含まれており、今回はHAとV5というタグが選ばれた。これらのタグは、それぞれ異なる蛍光抗体と結合することができるため、後でタグを可視化し、タンパク質サブユニットの配列を決定することが容易になる。
この研究では、V5を含むサブユニットの生成は、新しい記憶のコード化に関与するc-fosという遺伝子の活性化が条件とされた。HAタグの付いたサブユニットが鎖の大部分を占めるが、V5タグが鎖に現れるときはいつでも、その間にc-fosが活性化されたことを意味する。
「我々は、このようなタンパク質の自己組織化を利用して、あらゆる単一細胞の活動を記録することを期待している 」と、リンホウ博士は言う。「それは時間のスナップショットであるだけでなく、過去の歴史も記録する。ちょうど木の年輪が、木の成長とともに時間とともに情報を永久に保存できるのと同じだ。」
イベントを記録する
今回の研究では、研究者らはまず、このシステムを用いて、実験皿の中で成長する神経細胞のc-fosの活性化を記録した。c-fos遺伝子は、化学的な方法で神経細胞を活性化させ、それによってV5サブユニットがタンパク質鎖に付加されることで活性化した。
この方法が動物の脳でも使えるかどうかを調べるため、研究チームはマウスの脳細胞にプログラミングを行い、特定の薬物にさらされたときにそれがわかるようなタンパク質鎖を生成させた。その後、組織を保存し、光学顕微鏡で分析することで、その曝露を検出することができた。
研究チームは、このシステムをモジュール化し、異なるエピトープタグを入れ替えたり、異なる種類の細胞イベントを検出したりできるように設計した。例えば、原理的には、細胞分裂や、多くの細胞経路の制御に役立つプロテインキナーゼと呼ばれる酵素の活性化などを検出することができる。
また、研究者らは、実現可能な記録期間を延長することも望んでいる。今回の研究では、組織を画像化する前に、数日間にわたってイベントを記録した。タンパク質鎖の長さは細胞の大きさによって制限されるため、記録できる時間の長さと時間分解能（イベント記録の頻度）の間にはトレードオフがある。
「保存できる情報の総量は決まっているが、原理的には鎖の伸びる速度を遅くしたり速くしたりすることができる」と、リンホウ博士は言う。「もし、もっと長い時間記録したければ、例えば2週間以内に細胞の大きさに達するように、合成速度を遅くすればいいのだ。そうすれば、より長く記録することができるが、時間分解能は低くなる。」
また、組み込むことのできる異なるサブユニットの数を増やすことで、同じ連鎖の中で複数の種類のイベントを記録できるよう、システムのエンジニアリングにも取り組んでいる。
この記事は、MITサイエンスライターのサラ・マクドネル氏のニュースリリースをもとに作成された。
