国際研究チームが、酵母ゲノムにコードされているタンパク質の細胞周期全体における動きをマッピングしました。初めて全てのタンパク質が細胞周期にわたって追跡され、これにはディープラーニングとハイスループット顕微鏡法の組み合わせが必要でした。研究チームはDeepLocとCycleNetという2つの畳み込みニューラルネットワークを適用し、数百万の生きた酵母細胞の画像を分析しました。その結果、タンパク質がどこに位置し、細胞周期の各段階でどのように動き、量が変化するかを特定した包括的なマップが作成されました。
「細胞内で定期的に増減するタンパク質は、細胞周期の調節に関与していることが多く、一方で細胞内を予測可能な動きをするタンパク質は、細胞周期の生物物理的実施を助ける傾向がある」と、研究の第一著者であり、トロント大学のドネリー細胞・バイオ分子研究センターの博士研究員であるアサナシオス・リツィオス（Athanasios Litsios）は述べています。
この研究は、2024年3月14日にCell誌に掲載されました。公開アクセス記事のタイトルは「Proteome-Scale Movements and Compartment Connectivity During the Eukaryotic Cell Cycle（真核細胞周期におけるプロテオーム規模の動きと区画接続）」です。
細胞周期とは、細胞が最終的に分裂して別々の細胞になるまでの段階を指します。この過程は生命の増殖の基盤であり、全ての生物において進行しています。
分子レベルでは、細胞周期は多くのタンパク質の協調によって成り立ち、細胞の成長とDNA複製から細胞分裂に至るまでを運ぶ役割を担っています。タンパク質の不規則な動きは細胞周期を混乱させ、その破壊は癌のような病気につながる可能性があります。
研究者らは、マッピングされた酵母タンパク質の約4分の1が、細胞内の特定の領域への移動や出現と消失の規則的なパターンに従っていることを観察しました。多くのタンパク質は、濃度または移動のいずれか一方のパターンに従いましたが、両方には従いませんでした。
「細胞周期の間にのみ局在する約400のタンパク質と、周期的な濃度変化を示す約800のタンパク質を特定しました」とリツィオスは述べています。「これは、タンパク質が複数のレベルで調節されていることを意味し、細胞周期がプログラム通りに進行することを保証します。」
研究チームは、酵母細胞の画像で約4,000のタンパク質を追跡し、22のカテゴリーに分類された細胞の領域（核、細胞質、ミトコンドリアなど）内のタンパク質の位置と細胞周期段階を分類しました。段階とタンパク質の位置の特定は畳み込みニューラルネットワークを使用して自動化され、細胞周期段階の予測精度は93％以上に達しました。
「私たちは2,000万以上の生きた酵母細胞の画像を分析し、それらを機械学習を使用して異なる細胞周期段階に割り当てました」と、研究の主導研究者であり、ドネリーセンターおよびテメルティ医学部の分子遺伝学教授であるブレンダ・アンドリュース（Brenda Andrews）は述べています。「その後、タンパク質が細胞周期中にどのように局在と濃度を変えるかを調査するために、第二の計算パイプラインを開発して適用しました。この研究は、細胞分裂中に起こる分子変化のゲノム規模のビューを提供するユニークなデータセットを生み出しました。」
「酵母細胞は真核生物の生物学の素晴らしいモデルです」とリツィオスは言います。「酵母細胞では、より単純または複雑な他の生物ではできないことができます。酵母細胞を使用して大規模なプロセスを観察できるため、人間の細胞周期をよりよく理解するための完璧な生物です。」
この研究は、細胞周期の複雑な調節メカニズムを理解する上での大きな一歩です。酵母細胞を用いた大規模な分析により、タンパク質の局在と濃度変化の詳細なマップが作成されました。このデータセットは、細胞分裂の分子レベルでの理解を深めるための貴重なリソースとなるでしょう。さらに、この研究は癌などの病気の理解と治療法の開発にも貢献する可能性があります。
