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东京大学大学院総合文化研究科の若本祐一准教授と小林鉱石大学院生らの研究グループは、细胞にレーザー光を照射した际に得られるラマンスペクトルと、同培养环境に置かれた细胞内のトランスクリプトーム（网罗的な遗伝子発现量）のあいだに密接な対応関係があることを明らかにしました。さらにこの対応関係を利用することで、わずか数秒のレーザー光照射で取得できるラマンスペクトルから、细胞を破壊することなしに、细胞内の数千种类におよぶ网罗的な遗伝子発现量を推定できることを示しました。

细胞内には膨大な种类の遗伝子が存在し、その多数の遗伝子の発现状态によって细胞の状态が决定されると考えられています。これまで、トランスクリプトームやプロテオームなどの网罗的な遗伝子発现状态の计测手法では、必ず细胞を破砕または溶解し、细胞内の搁狈础やタンパク质を取り出す必要がありました。一方、细胞を破壊せずにその内部の网罗的な分子情报を得る手法として、ラマン分光法が注目されています。ラマン分光法とは、ある波长のレーザーを分子に当てた际、分子振动に依存してエネルギーシフトが生じた分子固有のラマン散乱光が生じることを利用し、このラマン散乱光のスペクトルを、いわば分子の指纹として标的分子を同定する手法です。しかし细胞は膨大な种类の分子から成り立っています。したがって、细胞から得られるラマンスペクトルは、多数の分子それぞれから生じるラマンスペクトルの重ね合わせとなります。この重ね合わさった极めて复雑なスペクトルから、细胞内部の大多数の分子の量を同定することは、スペクトルを分解するという従来の一般的な方法では不可能ではないかと考えられてきました。

今回、本研究グループは、ラマンスペクトルを直接分解するのではなく、细胞のトランスクリプトームとラマンスペクトルの対応を计算论的に见つけるという、新たなアプローチを採用しました。この研究ではまず、さまざまな环境条件に置かれた分裂酵母の细胞から得られるラマンスペクトルを主成分线形判别法と呼ばれる手法で次元圧缩することで、细胞が置かれていた环境条件に依存して、低次元空间内で细胞のラマンスペクトルが异なるクラスターを形成することを明らかにしました。さらにこの次元圧缩されたラマンスペクトルと遗伝子の発现を调べることのできる搁狈础-厂别辩によって取得されたトランスクリプトームとの対応関係を部分的最小二乗回帰で推定しました。得られた対応関係を元に、推定时に意図的に除外されたデータを使って、ラマンスペクトルからトランスクリプトームを推定すると、実际のトランスクリプトームのデータと高い精度で一致することを明らかにしました。统计テストにより、この高い精度の一致が偶然生じる确率は0.04%以下であることも示され、ラマンスペクトルとトランスクリプトームの対応関係はほぼ间违いないことが确认されています。また、同じ方法を大肠菌にも适用し、大肠菌においてもラマンスペクトルとトランスクリプトームのあいだに対応関係があり、ラマンスペクトルからトランスクリプトームを高い精度で推定できることが示されました。ラマンスペクトルからトランスクリプトームを予言できるためには、数千种类ある遗伝子の発现変动が、低次元空间内に制限されている必要があります。したがって今回の研究结果は、细胞内の遗伝子発现の変动が本质的には低次元であることも示唆しています。

ラマンスペクトルは、细胞へのわずか数秒のレーザー照射で得ることができます。また従来のトランスクリプトームやプロテオームなどのオミクス计测とは异なり、细胞を破壊することなしに、生细胞を対象に得ることができます。このラマン-トランスクリプトーム対応を利用したオミクス计测では、搁狈础やタンパク质を细胞から抽出し计测用に调製する作业も必要ありません。したがってこの対応を利用すれば、细胞のオミクス计测を、非破壊?迅速?安価に行える可能性があります。さらに、生细胞内の大规模な遗伝子発现の変化を、ラマンスペクトルを通して明らかにする「ライブセル?オミクス」の実现につながる可能性もあります。

「今回解析対象となった细胞内のトランスクリプトームが细胞の全质量に占める割合はわずか2%程度であり、搁狈础のラマンシグナルの强さも考虑すれば、细胞由来のラマンスペクトルが直接トランスクリプトームのシグナルを反映している可能性は非常に低いと思われます。にも関わらず、ラマンスペクトルとトランスクリプトームに対応が存在することは、细胞の分子构成の决定机构を考える上で大変兴味深い结果です」と若本准教授は话します。「この研究结果は、生きた细胞からオミクス情报を取得できる道を拓くという応用上の重要性とともに、细胞内にある膨大な数の遗伝子発现の変化が比较的低次元の世界で理解できる可能性を示唆しており、细胞の动作原理を理解するうえで重要だと考えています」。