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2015年10月27日

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）

細胞が備える低栄養環境に応じた節約の仕組みを発見
〜遺伝子発現レベルの高精度の計測によって実現〜

【ポイント】
■ 分裂酵母細胞を使って、低栄養環境にさらされた細胞の示す適応状態を解析
■ 低栄養下では、リボソームタンパク質遺伝子発現が特異的に低下していたことを発見
■ 生物の効率的なリソース配分の仕組みをネットワークなど社会インフラへ応用することに期待

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 坂内 正夫）未来ICT研究所は、分裂酵母細胞を増殖可能なぎりぎりの低窒素環境で培養したときの遺伝子発現レベルの変動を、独自に改良した高精度のDNAマイクロアレイ実験によって高精度な計測を行い、リボソームタンパク質遺伝子の発現レベルの割合が培養環境に応じて変動することを発見しました。
　リボソームは、細胞にとってタンパク質を作るための「工場」のような存在です。細胞内のタンパク質はすべてリボソームという工場で作られますが、リボソーム自身もタンパク質なので、リボソームで作られます。したがって、細胞は、リボソームで「リボソームタンパク質（工場に相当）を作るか」、「非リボソームタンパク質（製品に相当）を作るか」、その配分を決めなくてはなりません。今回の発見から、細胞は、栄養が豊かなときは大量の「工場」を作りますが、栄養が減少しリソースが減少すると、「工場」を大きく減少させ「製品」を小さく減少させることで、その配分比率を変え、タンパク質合成に必要なリソースの節約と細胞の増殖を両立させていることが明らかになりました。
　この知見は、生物が環境適応する過程において、限られたリソースを効率よく配分し、増殖を自律的に最適化する能力の一端を明らかにしたものです。リソースが減少したときに、それを効率的に配分する生物の仕組みの理解は、災害時等における電力や電話回線、インターネットなどのリソースを効率的に配分するシステムの開発につながるものと期待されます。
　本研究は、大阪大学大学院情報科学研究科 村田正幸教授らとの共同研究によるものです。なお、本研究成果は、2015年10月21日に国際科学誌「Scientific Reports」オンライン速報版で公開されました。

【背景】
　NICT未来ICT研究所 バイオICT研究室では、生物に学ぶICT技術開発に向けて研究開発を行っており、そのための基盤的取組として、細胞の持つ優れたセンシング能力を活用する技術の構築を目指した研究開発を行っています。
　細胞が行う情報処理の中で、環境に応じた遺伝子の発現レベルの調節は、システム全体の中核をなしています。したがって、自律的な情報処理システムを細胞に学ぶ上で、遺伝子の発現レベルを正確に計測することは、不可欠な技術です。現在では、DNAマイクロアレイなど、全遺伝子の発現レベルの計測が可能な技術を使用して、様々な生物種における多様な状態の細胞の遺伝子発現レベルの計測が行われています。こうしたゲノムワイドな計測技術の進展によって、遺伝子発現レベルをより巨視的、包括的に記述する試みも生まれつつあります。しかし、従来、ゲノムワイドな計測では、低発現遺伝子の検出の精度を向上させる研究が多く、比較的容易に検出される高発現遺伝子の計測精度がおろそかにされる傾向にありました。
　細胞の示す全遺伝子発現レベルの巨視的、包括的な記述を進める上では、遺伝子発現全体の半分以上を占める高発現遺伝子こそ、高精度に計測する必要がありました。

【今回の成果】
　本研究では、DNAマイクロアレイ実験の条件を検討し、試料調整法や各反応の条件を最適化することにより、高発現域の遺伝子レベルの計測精度を向上させることに成功しました。その条件を用いて、富栄養環境から貧栄養環境へ移行したときの遺伝子発現レベルの変動の計測を行い、細胞が有する自律的な制御機構の一端として、リソースが減少したときの節約の仕組み（栄養が少ないときはリボソーム合成を優先的に減少させること）を明らかにしました。

（1）DNAマイクロアレイ実験条件を検討し、高発現遺伝子レベルの計測精度を向上させた。
DNAマイクロアレイ実験条件を検討し、試料調整法や各反応の条件を最適化することで、高発現遺伝子レベルの計測精度の向上を図りました。これにより、これまで、単に、高発現遺伝子群と思われていたものから、「超高発現遺伝子群」と呼ぶべき遺伝子グループの存在が明らかになりました。

（2）細胞内のすべての遺伝子に対してmRNAの量を調べたところ、リボソームタンパク質遺伝子から発現するmRNAの量は、ほかの遺伝子に比べて極めて高い値を取ることを発見した。
新たに見いだされた「超高発現遺伝子群」は、mRNAの分布において、これまで報告されていなかったピークを形成しており、このピークには、主としてリボソームタンパク質遺伝子が含まれていました。

（3）低窒素環境での分裂酵母細胞の増殖
分裂酵母細胞を増殖可能なぎりぎりの低窒素環境で連続培養し、その細胞状態を高窒素環境で培養した場合と比較しました。その結果、細胞は、低窒素に応じて、やせる（減量する）ことで増殖の低下を最小限に食い止めようとしていることが示唆されました。

（4）低窒素環境で培養した細胞では、リボソームタンパク質遺伝子のレベルが低下していた。
栄養源である窒素を少なくすると、通常は全体の46％以上を占めるリボソームタンパク質の発現量が、5割程度減少していました。その他の遺伝子も減少していましたが、リボソームと比べると少ない減少量でした。これは、栄養源の大量消費者であるリボソームの生産を抑制することによって、ほかのタンパク質の生産を確保しようとする仕組みであると考えられます。また、細胞は、リボソームタンパク質と非リボソームタンパク質の合成割合を変動させることで、限られた窒素を有効に利用する仕組みを有していることを示しています。

【今後の展望】
　今回の発見は、細胞が、自らの置かれた環境をセンシングし、自律的にリソース配分を最適化する機構解明に道を開くものであり、災害時等における電力や電話回線、インターネットなどのリソースを効率的に配分するシステムの開発にもつながる柔軟な情報通信システムへの応用が期待されます。