理研、ヒトの細胞間相互作用ネットワークの概要を可視化することに成功

ヒトの細胞間相互作用ネットワークの概要を可視化
−多細胞生物を構成する細胞の相互作用を体系的に記述−


■要旨
　理化学研究所（理研）ライフサイエンス技術基盤研究センター　ゲノム情報解析チームのピエロ・カルニンチ　チームリーダー、ジョーダン・ラミロフスキー特別研究員、アリスター・フォレスト客員主管研究員らの研究チームは、細胞が互いにコミュニケーションする際に用いるタンパク質の大規模な発現解析を行い、ヒトで機能している細胞間相互作用の概要を可視化することに成功しました。

　単細胞生物から多細胞生物への進化は、生物進化における最大の変化の１つです。多数の細胞が協調して１つの個体を作り上げ、その体を維持していくためには、細胞間コミュニケーション（細胞間相互作用）が非常に重要です。細胞間相互作用は、細胞から分泌されるホルモンや成長因子などのリガンド［１］と、細胞膜表面に存在する受容体と呼ばれるタンパク質の相互作用によって担われており、特定の生命現象に関わるリガンドや受容体の研究が精力的に行われています。しかし、これらのほとんどは数種類の細胞による限られたリガンド−受容体のペアに着目したもので、細胞同士の相互作用の全体像を体系的に記述した報告はありませんでした。

　研究チームは、ヒトで報告されているリガンド−受容体１，８９４ペアに焦点をあて、ヒトの初代細胞［２］での発現を網羅的に解析しました。その結果、ほとんどの細胞が数十種から数百種のリガンドや受容体を発現し、複数のリガンド−受容体経路を介した細胞間相互作用ネットワークを構築していることが明らかとなりました。さらに、リガンドや受容体は細胞種によって特異的に発現する傾向が非常に強いこと、多くのリガンド−受容体のペアが自身と同種の細胞を標的としている（自己分泌シグナル伝達）可能性が高いことなどが分かりました。これは、ヒトにおける細胞同士の相互作用の全体像を可視化した初めての研究であり、この成果を利用することで、未知の細胞間相互作用の予測などに役立つと期待できます。研究チームは、リガンド−受容体ペアが形成するネットワークの関係をユーザーが検索し可視化できるツールを構築し、インターネット上で公開しました　注１）。

　本研究は、理研が主導する国際研究コンソーシアムFANTOM５プロジェクトの一環として実施しました。データのダウンロードやツール、関連論文などは、FANTOM５プロジェクトホームページ　注２）に掲載しています。成果は、英国のオンライン科学雑誌『Nature　Communications』（６月２２日付け：日本時間６月２２日）に掲載されました。

　注１）http://fantom.gsc.riken.jp/5/suppl/Ramilowski_et_al_2015/
　注２）http://fantom.gsc.riken.jp/5/


■背景
　単細胞生物から多細胞生物が誕生したことは、生命の歴史の中で最も重要なイベントの１つです。多細胞生物は、さまざまな手段による細胞間コミュニケーション（細胞間相互作用）を発達させ、細胞種に応じた機能の分担や、個体として協調的な細胞システムを実現しています。細胞間相互作用は、個体発生の初期には細胞の分化や運命決定に関わり、成体においては、免疫、成長、ホメオスタシス［３］など個体の維持に重要な役割を担います。細胞間相互作用の異常は、同じ種類の細胞同士で作用し合う自己分泌［４］も含めて、がんや自己免疫疾患、代謝性疾患などに関わることが知られており、その解明は医療にも大きく貢献することが期待されます。

　細胞間相互作用の実体は、細胞から分泌されるリガンドと、細胞膜表面に存在する受容体と呼ばれるタンパク質の相互作用であり、これらの機能の解明は、生物学的、医学的に重要な課題です。しかし従来の研究は、少数の細胞種を対象に限られたリガンド−受容体のペアに着目したものがほとんどで、ヒトの体を構成する多様な細胞がリガンドや受容体をどれくらいの強さで発現し、どの細胞に作用しているかを網羅的に解析した報告はありませんでした。今回、研究チームは、理研で主導している国際研究コンソーシアムFANTOM５［５］において、理研独自の遺伝子発現解析技術CAGE法［６］を用いて得た１４４種のヒト初代細胞の遺伝子発現データ　注３）と、既存のデータベースや過去の膨大な文献などを照らし合わせ、ヒトの個体全体での細胞間相互作用の全容を描き出すことを試みました。

　注３）２０１４年３月２７日プレスリリース「ゲノム上の遺伝子制御部位の活性を測定し正常細胞の状態を定義」


■研究手法と成果
　研究チームはまず、細胞間相互作用を担うタンパク質が、他のタンパク質と比較してどのような特徴を持っているかを調べました。FANTOM５プロジェクトで得られた網羅的な遺伝子制御部位の活性データに加えて、遺伝子年代推定データベースなどを組み合わせ、個々の遺伝子発現の細胞特異性とその産物であるタンパク質の局在などを統合的に解析しました。その結果、細胞間相互作用に関わっている可能性が高い分泌タンパク質と細胞膜タンパク質の遺伝子は、核や細胞質に局在するタンパク質の遺伝子と比較して、細胞種に特異的な発現パターンを示し、また進化的に新しく登場したものが多いと推定されました（図１）。

　そこで、分泌タンパク質と細胞膜タンパク質のうち、それぞれに含まれるリガンドと受容体の数をできるだけ正確に見積もるため、DLRPやHPMRなどの既存のリガンド−受容体データベース［７］の情報を統合して１，１７９ペアをリスト化しました。次に、HPRDなどのタンパク質間相互作用データベース［７］から、上記リストには含まれていない１，２８８の推定ペアを発見しました。こうして得られた合計２，４６７ペアに対して、さらに、データベースに未反映の最新情報を含む膨大な文献のキュレーション［８］を行いました。新規のペアを追加すると同時に、従来のデータベースの情報を精査し妥当性があるペアを選定した結果、最終的に１，８９４種類のリガンド−受容体ペアの網羅的なリストを得ました。このリストは６４２種のリガンドと５８９種の受容体を含み、これまで知られていた通り、リガンドと受容体の関係は１対１だけではなく、１つのリガンドや受容体が複数のペアに関わる場合があります。

　このリストを用い、まずリガンドと受容体が生物の進化でどのようなタイミングで登場したかを調べました。リガンドと受容体が同時に登場したペアも多くありましたが、ほとんどのペアで受容体が先に進化し、後からリガンドが進化しているペアが多いことが明らかになりました（図２）。

　次に、ヒト初代細胞で受容体とリガンドの遺伝子発現の有無を調べたところ、上記のうち、１，２８７ペアを構成する４６４種のリガンドと４７７種の受容体がいずれかの細胞で発現し、平均すると１つの細胞で約１４０種ずつのリガンドと受容体を発現していました。また、血球系や神経系など由来が共通する同種の細胞は、多くのリガンドと受容体を共有しており、細胞系列ごとに特異性が見られました。そこでヒトの細胞を大まかに（１）血管などの内皮系、（２）表皮や内分泌を担う上皮系、（３）免疫や血液を構成する造血系、（４）組織の間を繋ぐ間葉系、（５）神経系、（６）その他、に分類し発現パターンを比較したところ、どの系列間も、数十〜数百ペアを用いてシグナルを交わしていることが示唆されました。さらに、ある細胞で発現している受容体やリガンドのおよそ２／３は、それらと相互作用する相手となるリガンドや受容体が同系列の細胞で発現していることが分かりました。これは、ヒトでは全身での自己分泌が盛んに行われていることを示します。これらの結果を簡潔に表示するため、各リガンド、受容体を最も強く発現している細胞だけに着目し、細胞系列をつなぐ細胞間相互作用のネットワークを作図しました（図３）。

　研究チームは、今回の成果を新たな知識発見につなげるため、ヒトにおけるリガンド−受容体ネットワークの関係を検索し可視化するツールを構築しました。例として、CSF１リガンド−CSF１R受容体ペアの検索結果を示しました（図４）。細胞間相互作用を直感的に表示することで、新規の相互作用（肥満細胞から単核球へのシグナル）を予測することができます。このツールで得られる情報は、さまざまな基礎研究、応用研究への展開が可能であり、幅広く活用されるよう、インターネット上で公開されています。


■今後の期待
　リガンドと受容体についてのデータベースDLRP、HPMRは、いずれも１０年以上前に構築され、その後十分にアップデートされていませんでした。今回、これらのデータベースの情報を検証しつつ、最新のリガンド−受容体ペアの情報を反映したことで、従来データベースに記載のあった１，１７９種類の１．５倍以上にあたる１，８４９種類の、より信頼性の高いリガンド−受容体ペアがリスト化できました。これにより、ヒトの細胞間相互作用を網羅的に解析し、その概要を世界で初めて可視化することに成功しました。さらにこの成果を研究者コミュニティと共有し、多様な目的に使いやすいインターフェースとともに提供したことで、多細胞生物の根源的な理解に向けた研究基盤となります。

　医学研究の観点からは、細胞膜上に露出している受容体が重要な創薬ターゲットとなることが知られています。今回の成果は、さまざまな疾患の創薬ターゲットの探索において、強力な研究開発支援ツールとなることが期待できます。


■原論文情報
　・Jordan　A．Ramilowski，Tatyana　Goldberg，Jayson　Harshbarger，Edda　Kloppman，Marina　Lizio，Venkata　P．Satagopam，Masayoshi　Itoh，Hideya　Kawaji，Piero　Carninci，Burkhard　Rost，Alistair　R．R．Forrest，“A　draft　network　of　ligand−receptor　mediated　multicellular　signaling　in　human．”，Nature　Communications，doi：１０．１０３８／ncomms８８６６．


■発表者
　理化学研究所
　ライフサイエンス技術基盤研究センター（http://www.riken.jp/research/labs/clst/）
　機能性ゲノム解析部門（http://www.riken.jp/research/labs/clst/genom_tech/）
　LSA要素技術研究グループ（http://www.riken.jp/research/labs/clst/genom_tech/life_sci_accel/）
　ゲノム情報解析チーム（http://www.riken.jp/research/labs/clst/genom_tech/life_sci_accel/genom_inf/）
　チームリーダー　ピエロ・カルニンチ（Piero　Carninci）
　特別研究員　ジョーダン・ラミロフスキー（Jordan　Ramilowski）
　客員主管研究員　アリスター・フォレスト（Alistair　Forrest）


　※補足説明・図１〜４は添付の関連資料を参照