요지

이화학 연구소 (리켄) 생명 과학 기술 기반 연구 센터 게놈 정보 분석 팀의 피에로 카루닌찌 팀장 조던 라미로후스키 특별 연구원, 알리스 테어 포레스트 객원 주관 연구원 연구팀은 세포가 서로 통신 할 때 사용하는 단백질 대규모 발현 분석을 실시해, 인간 기능하고있는 세포 간 상호 작용의 개요를 시각화하는 데 성공했습니다.

단세포 생물에서 다세포 생물로의 진화는 생물 진화의 가장 큰 변화 중 하나입니다. 다수의 세포가 협조하여 하나의 개체를 만들어 그 몸을 유지하기 위해서는 세포 간의 커뮤니케이션 (세포 간 상호 작용)이 매우 중요합니다. 세포 간 상호 작용은 세포에서 분비되는 호르몬과 성장 인자 등의 리간드 ^[1] 과 세포막 표면에 존재하는 수용체라는 단백질의 상호 작용에서 창출되고 있으며, 특정 생명 현상에 관련된 리간드 또는 수용체의 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다. 그러나 이들 대부분은 여러 종류의 세포에 의한 한정된 리간드 - 수용체 쌍에 착안 한 것으로, 세포 간의 상호 작용의 전체 상을 체계적으로 기술 한 보고서가 없습니다.

연구팀은 인간에보고 된 리간드 - 수용체 1,894 쌍에 초점을 맞춘 인간의 기본 세포 ^[2] 의 발현을 망라 적으로 분석했습니다. 그 결과 대부분의 세포가 수십 종에서 수백종의 리간드와 수용체를 발현하고 여러 리간드 - 수용체 경로를 통한 세포 간 상호 작용 네트워크를 구축하고있는 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 리간드와 수용체는 세포 종류에 의해 특이 적으로 발현하는 경향이 매우 강하다는 것을 많은 리간드 - 수용체 쌍 자신과 동종의 세포를 대상으로하고있다 (자기 분비 신호 전달) 가능성 것 등이 밝혀졌다. 이것은 인간의 세포 간의 상호 작용의 전체 상을 시각화 한 최초의 연구이며,이 결과를 이용하여 미지의 세포 간 상호 작용 예측 등에 도움이 될 것으로 기대된다. 연구팀은 리간드 - 수용체 쌍을 형성하는 네트워크의 관계를 사용자가 검색 시각화 할 수있는 툴을 구축하고 인터넷에 공개했습니다 ^{주 1)} .

본 연구는 이화학 연구소가 주도하는 국제 연구 컨소시엄 FANTOM5 프로젝트의 일환으로 실시했습니다. 데이터 다운로드 및 도구, 관련 논문 등은 FANTOM5 프로젝트 홈페이지 ^{주 2)} 에 게재하고 있습니다. 성과는 영국의 온라인 과학 잡지 「Nature Communications'(6 월 22 일자 : 한국 시간 6 월 22 일)에 게재되었다.

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

배경

단세포 생물에서 다세포 생물이 탄생 한 것은 생명의 역사에서 가장 중요한 사건 중 하나입니다. 다세포 생물은 다양한 수단에 의한 세포 간 커뮤니케이션 (세포 간 상호 작용)를 발육시키고 세포 종류에 따라 기능의 분담이나, 개체로서 협조적인 세포 시스템을 실현하고 있습니다. 세포 간 상호 작용은 개체 발생 초기에는 세포의 분화와 운명 결정에 관여 성체에서는 면역, 성장, 항상성 ^[3] 등 개체의 유지에 중요한 역할을 담당합니다. 세포 간 상호 작용의 이상은 같은 종류의 세포끼리 작용하는 자기 분비 ^[4] 을 포함하여 암이나자가 면역 질환, 대사성 질환 등에 관련된 것으로 알려져 있으며, 그 해명은 의료 에도 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

세포 간 상호 작용의 실체는 세포에서 분비되는 리간드와 세포막 표면에 존재하는 수용체라는 단백질의 상호 작용이며, 이러한 기능의 해명은 생물학적, 의학적으로 중요한 과제입니다 . 그러나 기존의 연구는 소수의 세포 종을 대상으로 제한된 리간드 - 수용체 쌍에 착안 한 것이 대부분 인간의 몸을 구성하는 다양한 세포 리간드와 수용체를 어느 정도의 강도로 발현 어떤 세포에 작용하고 있는지를 종합적으로 분석 한보고는 없었습니다. 이번에 연구팀은 이화학 연구소에서 주도하고있는 국제 연구 컨소시엄 FANTOM5 ^[5]에서 이화학 연구소 자체의 유전자 발현 분석 기술 CAGE 법 ^[6] 를 이용하여 얻은 144 종의 인간 초대 세포의 유전자 발현 데이터 ^{주 3 )} 과 기존의 데이터베이스와 과거의 방대한 문헌 등을 비추어 인간의 개체 전체의 세포 간 상호 작용의 전모를 그려 낼 것을 시도했다.

주 3) 2014 년 3 월 27 일 보도 자료 ' 게놈에서 유전자 제어 부위의 활성을 측정 정상 세포의 상태를 정의 "

연구 방법 및 성과

연구팀은 우선, 세포 간 상호 작용을 담당하는 단백질이 다른 단백질에 비해 어떤 특징을 가지고 있는지를 조사했다. FANTOM5 프로젝트에서 얻은 철저한 유전자 제어 부위의 활성 데이터뿐만 아니라, 유전자 연대 추정 데이터베이스 등을 조합 개별 유전자 발현 세포 특이성과 그 산물 인 단백질의 지방화 등을 통합적으로 분석 했습니다. 그 결과, 세포 간 상호 작용에 관여 가능성이 분비 단백질과 세포막 단백질의 유전자는 핵이나 세포질에 국재하는 단백질의 유전자와 비교하여 세포 종에 특이적인 발현 패턴을 나타내고, 또한 진화 적으로 새롭게 등장한 것이 많다고 추정되었다 ( 그림 1 ).

그래서 분비 단백질과 세포막 단백질 중 각각에 포함 된 리간드와 수용체의 수를 가능한 한 정확하게 예측 때문에 DLRP과 HPMR 등의 기존의 리간드 - 수용체 데이터베이스 ^[7] 의 정보를 통합하여 1,179 쌍 목록 화했다. 그런 HPRD 등의 단백질 상호 작용 데이터베이스 ^[7] 에서 위 목록에 포함되지 않은 1,288의 추정 쌍을 발견했습니다. 이렇게 얻은 총 2,467 쌍에 대해 더욱 데이터베이스에 미반영의 최신 정보를 포함한 방대한 문헌의 큐레이터 ^[8] 을 실시했습니다. 새로운 쌍을 추가하는 동시에 기존의 데이터베이스 정보를 조사하고 타당성이있는 쌍을 선정 결과 최종적으로 1,894 종류의 리간드 - 수용체 쌍의 완전한 목록을 얻었습니다. 이 목록은 642 종의 리간드와 589 종의 수용체를 포함, 지금까지 알려진 바와 같이, 리간드와 수용체의 관계는 1 대 1뿐만 아니라 1 개의 리간드와 수용체가 여러 쌍에 관한 수 있습니다.

이 목록을 사용 먼저 리간드와 수용체가 생물의 진화에서 어떤 타이밍에 등장했는지를 조사했다. 리간드와 수용체가 동시에 등장한 쌍도 많이있었습니다 만, 대부분의 쌍 수용체가 먼저 진화 나중에 리간드가 진화하고있다 페어가 많은 것으로 밝혀졌습니다 ( 그림 2 ).

그렇다면 인간 초대 세포 수용체와 리간드의 유전자 발현의 유무를 조사한 결과, 상기 중 1,287 쌍을 구성하는 464 종의 리간드와 477 종의 수용체가 하나의 세포에서 발현 평균 그러면 하나의 세포에서 약 140 종씩의 리간드와 수용체를 발현하고있었습니다. 또한 혈구 계와 신경계 등 유래가 공통되는 동종 세포는 많은 리간드와 수용체를 공유하고 세포 계열마다 특이성을 볼 수있었습니다.그래서 인간의 세포를 느슨하게 ① 혈관 등의 내피 계, ② 표피와 내분비를 담당하는 상피 계, ③ 면역과 혈액을 구성하는 조혈 계, ④ 조직 사이를 연결하는 간엽 계, ⑤ 신경계, ⑥ 기타 로 분류 발현 패턴을 비교 한 결과 모든 계열 사이도 수십 ~ 수백 쌍을 사용하여 신호를 나누고있는 것이 시사되었다. 게다가 어느 세포에서 발현되는 수용체와 리간드의 약 2/3은 그들과 상호 작용하는 상대가되는 리간드와 수용체가 같은 계열의 세포에서 발현하고있는 것을 알 수있었습니다. 이것은 인간이 온몸으로 자기 분비가 활발하게 이루어지고 있음을 보여줍니다. 이러한 결과를 간략하게 표시하기 위해 각 리간드 수용체를 가장 강하게 발현하는 세포 만에 착안하여 세포 계열을 잇는 세포 간의 상호 작용의 네트워크를 도면했습니다 ( 그림 3 ).

연구팀은 이번 성과를 새로운 지식 발견에 연결하기 위해 인간의 리간드 - 수용체 네트워크 관계를 검색하고 시각화 도구를 구축했습니다. 예를 들어, CSF1 리간드 -CSF1R 수용체 쌍의 검색 결과를 보여 주었다 ( 그림 4 ). 세포 간 상호 작용을 직관적으로 표시하여 새로운 상호 작용 (비만 세포에서 단핵구에 신호)를 예측할 수 있습니다. 이 도구에서 제공하는 정보는 다양한 기초 연구, 응용 연구의 전개가 가능하고, 폭넓게 활용 될 수 있도록 인터넷에 공개되고 있습니다.

향후의 기대

리간드와 수용체에 대한 데이터베이스 DLRP, HPMR은 모두 10 년 이상 전에 만들어진 후 충분히 업데이트되지 않았습니다. 이번에 이러한 데이터베이스의 정보를 확인하면서 최신 리간드 - 수용체 쌍의 정보를 반영한​​ 것으로, 기존 데이터베이스에 기재되어 있던 1,179 종류의 1.5 배 이상에 해당하는 1,849 가지 더 안정적인 리간드 - 수용체 쌍을 목록 화 할 수있었습니다. 이는 인간의 세포 간 상호 작용을 포괄적으로 분석하고 그 개요를 세계 최초로 가시화하는 데 성공했습니다. 또한이 성과를 연구자 커뮤니티와 공유하고 다양한 목적에 사용하기 쉬운 인터페이스와 함께 제공 한 것으로, 다세포 생물의 근원적 인 이해를위한 연구 기반이됩니다.

의학 연구의 관점에서 세포막에 노출 된 수용체가 중요한 신약 개발 대상 것으로 알려져 있습니다. 이번 성과는 다양한 질환의 신약 개발 대상의 탐구에서 강력한 연구 개발 지원 도구가 될 것으로 기대합니다.

원 논문 정보

• Jordan A. Ramilowski, Tatyana Goldberg, Jayson Harshbarger, Edda Kloppman, Marina Lizio, Venkata P. Satagopam, Masayoshi Itoh, Hideya Kawaji, Piero Carninci, Burkhard Rost, Alistair RR Forrest "A draft network of ligand-receptor mediated multicellular signaling in human. " Nature Communications , doi : 10.1038 / ncomms8866.

발표자

이화학 연구소 생명 과학 기술 기반 연구 센터 기능성 게놈 해석 부문 LSA 요소 기술 연구 그룹 게놈 정보 분석 팀 팀장 피에로 카루닌찌 (Piero Carninci) 특별 연구원 조던 라미로후스키 (Jordan Ramilowski) 객원 주관 연구원 알리스 테어 포레스트 (Alistair Forrest ) 

게놈 정보 분석 팀의 일원. 발표자 피에로 카루닌찌 팀장은 오른쪽에서 1 번째, 조던 라미로후스키 특별 연구원은 오른쪽에서 2 번째

알리스 테어 포레스트 객원 주관 연구원

문의처

이화학 연구소 생명 과학 기술 기반 연구 센터 
홍보 · 과학 커뮤니케이션 담당 야마 아츠시 (야마 아츠시) 
Tel : 078-304-7138 / Fax : 078-304-7112

대변​​인

산업 이용에 관한 문의

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보충 설명

1. 리간드

   특정 생체 분자와 결합하여 생리 작용을 발휘하는 물질 것. 일반적으로 수용체에 결합하는 분비 인자 (호르몬과 성장 인자 등)를 가리키는 경우가 많다.

2. 초대 세포

   초대 배양 세포라고도 부른다. 생체에서 채취 한 조직과 세포를 처음으로 배양 한 단계 원칙적으로 미 분열 세포를 말한다. 채취 후 시간이 짧기 때문에 생체 내와 같은 행동을 할 것으로 기대되고있다.

3. 항상성

   항상성의 유지. 생체 내외의 환경 변화에 관계없이 생체 내 상태를 일정하게 유지하려고하는 성격. 체온과 혈압 조절이 대표적.

4. 자기 분비

   분비의 양식 중 하나로, 세포가 분비 한 물질이 세포 자신과 같은 종류의 세포에 작용 것.

5. FANTOM

   약 20 개국 100 개 이상의 연구 기관이 참여하는 국제 연구 컨소시엄. 이화학 연구소의 마우스 게놈 백과 사전 프로젝트에서 수집 된 전체 길이 cDNA 기능 주석 (주석)을 실시하는 것을 목적으로 리켄 예방 의료 · 진단 개발 프로그램林崎良英프로그램 디렉터가 중심이되어 2000 년에 결성되었다. 역할은 전 사체 (성적표) 분석 분야를 축으로 발전 · 확대 해왔다. 또한 프로젝트의 연구 대상은 게놈의 성적표는 '요소'의 이해에서 전사 제어 네트워크는 "시스템"즉 "생명체의 시스템"의 이해로 발전하고 지식을 기초 · 응용의 양면에서 유용 자원으로서 공개하고있다. 동시에 의료에의 응용의 기초가되는 것을 목표로하고있다.FANTOM5는 제 5 기 프로젝트. 
   자세한 내용은 FANTOM 홈페이지참조

6. CAGE 법

   이화학 연구소가 독자적으로 개발 한 유전자 분석 기술에서 전사 시작점이라는 RNA가書き写さ되는 영역의 선두 (5 '끝)만을 차세대 시퀀서 분석하는 방법. 읽은 배열을 게놈 상에 매핑하고 계산하여 전사 시작점을 식별하고, 각 전사 시작점에서 써내지고있는 RNA의 수를 정량 할 수있다. 이화학 연구소 생명 과학 기술 기반 연구 센터 기능성 게놈 해석 부문 게놈 네트워크 분석 지원 시설 (GeNAS)는 수탁 해석을 통해 CAGE 기술을 다른 연구 기관에 널리 제공하고있다. CAGE는 Cap Analysis of Gene ｅxpression의 약자. 
   자세한 내용은 홈페이지참조

7. 리간드 - 수용체 데이터베이스 단백질 상호 작용 데이터베이스

   본 연구에서는 리간드 - 수용체 데이터베이스로 DLR
   　
   　HPMR
   　IUPHAR
   단백질 상호 작용 데이터베이스로 HRPD
   　
   　STRING
   를 참조했다.

8. 큐레이터

   일반적으로는 인력으로 인터넷에서 정보를 수집, 정리, 분류, 요약, 공유한다. 프로그램 등에서 자동으로 수집하는 기존의 검색 서비스의 검색 결과와 비교하여 타당한 의미를 부여 할 수 양질의 정보를 얻을 수있다. 생명 과학에서는 다양한 문헌의 연구 결과를 수집, 정리, 분류하고 타당성있는 기능 주석을 실시한다.

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