プロテオーム解析

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。

ゲノミクスとの違いと重要性

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。

プロテオーム解析が必要な理由

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。