プロテオミクス(Proteomics)
プロテオミクス、または
プロテオーム解析とは、
生物の細胞や組織に存在するすべての
タンパク質(
プロテオーム)を網羅的に解析し、その構造、機能、相互作用などを大規模に研究する学問分野です。
「プロテオミクス」という言葉は、「
タンパク質」を意味する英単語 protein に、「全体」を示す接尾辞 -ome と「学問」を示す -ics を組み合わせて生まれました。遺伝情報の全体像を示す「
ゲノム」に対し、「
プロテオーム」は特定の細胞や組織、あるいは生命の特定の時点に存在する全
タンパク質の集合を指します。
プロテオミクスは、
ゲノミクスに続く
システム生物学の中核を担う分野と考えられています。
ゲノム情報が個々の細胞で比較的安定しているのに対し、
プロテオームは細胞の種類、発生段階、環境などの多様な要因によって大きく変動します。また、一つの遺伝子から複数の
タンパク質が作られたり、
タンパク質が合成後に多様な化学修飾を受けたりするため、
タンパク質自体の種類や状態は遺伝子の数よりもはるかに多く、複雑です。例えば、
ヒトの遺伝子数は約2万5千個ですが、これに由来する
タンパク質は50万個を超えるとも見積もられています。このような
タンパク質の多様性が、
プロテオーム解析の難易度を高める一方で、生命現象をより詳細に理解するために不可欠な情報を提供します。
遺伝子情報だけでは
タンパク質の機能や状態を完全に把握できません。その理由は主に以下の点にあります。
転写量とタンパク質量・活性のずれ: 遺伝子の
転写量(mRNAの量)が多くても、分解が早かったり
翻訳効率が悪かったりすると、
タンパク質の量は少なくなることがあります。また、
タンパク質の活性は量だけでなく修飾状態にも依存します。
翻訳後修飾: 多くの
タンパク質は合成後、
リン酸化や糖鎖付加などの化学修飾を受けます。これにより
タンパク質の構造、機能、安定性、局在などが大きく変化します。
多様性の生成: 選択的スプライシングや
翻訳後修飾により、一つの遺伝子から複数の機能的に異なる
タンパク質が生み出されます。
複合体形成: タンパク質はしばしば他の分子(
タンパク質、RNAなど)と複合体を形成し、その状態で機能を発揮します。
これらの理由から、生命活動の主役である
タンパク質そのものを直接解析するプロテオミクスは、生命機能の解明に不可欠なアプローチとなっています。
プロテオミクスの研究手法
プロテオーム解析では、対象となる
タンパク質の性質(構造、機能、量、修飾状態、相互作用など)を明らかにするために、様々な技術が用いられます。一般的な解析の流れとしては、まず細胞や組織から
タンパク質を抽出し、混合物から個々の
タンパク質を分離・同定・定量します。
主な技術例
分離: 二次元電気泳動法(等電点と
分子量で分離)、液体クロマトグラフィーなど。
同定・定量: 質量分析法(MALDI法、ESI法、タンデム質量分析など)が中心的に用いられます。これにより、
ペプチドや
タンパク質の質量情報から種類を特定し、安定
同位体ラベル化などの手法を用いて量を比較します。
構造解析: X線回折法、核磁気共鳴(NMR)分光法などにより、
タンパク質の立体構造を決定します。
相互作用解析: 酵母ツーハイブリッド法、アフィニティー精製、
蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)、
表面プラズモン共鳴(SPR)などにより、
タンパク質同士や他の分子との結合を調べます。
これらの実験技術に加え、得られた大量のデータを解析するための
バイオインフォマティクス手法も不可欠です。
医療・創薬への応用
プロテオミクス研究は、病気のメカニズム解明や診断・治療法開発に大きく貢献しています。
生体指標(バイオマーカー)としての利用
特定の病気では、関連する
タンパク質の発現量や修飾状態が変化することが多く、この変化を捉えることで、疾患の診断や進行度を評価する「生体指標(バイオマーカー)」としてプロテオミクスが活用されます。例えば、
心筋梗塞における
トロポニン、
アルツハイマー病におけるアミロイド関連
タンパク質、
腎臓病における
尿中ポリ
ペプチドなどが、診断に用いられる生体指標として
プロテオーム解析から見出されています。
創薬への応用
プロテオミクスにより病気に関与する
タンパク質が特定されると、その
タンパク質を標的とした薬剤の開発が進められます。標的
タンパク質の立体構造情報をもとに、その機能を阻害または活性化する候補化合物を設計・探索する手法(構造ベース創薬、バーチャルスクリーニングなど)が有効です。計算能力が求められるこのような研究には、
World Community Gridのような
分散コンピューティングプロジェクトも活用されています。
関連分野
プロテオミクスの発展に伴い、様々な派生研究分野が生まれています。
定量プロテオミクス: タンパク質の絶対量や相対量を測定する研究。
構造プロテオミクス: タンパク質の立体構造を網羅的に決定することを目指す分野。
相互作用プロテオミクス: タンパク質間および他の分子との相互作用ネットワークを解析する分野。
翻訳後修飾研究: リン酸化、糖鎖付加など、
タンパク質の
翻訳後修飾の種類や位置、機能影響を調べる研究。
細胞プロテオミクス: 細胞内の特定の区画や細胞内ネットワークにおける
タンパク質の局在や相互作用を解析する分野。
トキシコプロテオミクス: 化学物質の毒性が
プロテオーム変化に与える影響を研究する分野。
これらの研究は、生命現象の包括的な理解や応用研究をさらに深めています。プロテオミクスは、
ゲノミクス、トランスクリプトミクス、メタボロミクスなど他の「オミクス」研究と連携しながら、
システム生物学の中心的な役割を担っています。