つながりを作る：外側から内側へ生物系を再構築する

2003 年、ヒトゲノム プロジェクトの科学者たちは、DNA の特徴的なねじれたはしご形の化学段を形成する 30 億の塩基対を特定する 13 年にわたる取り組みが完了したと発表しました。人間の生物学的システムの包括的なマップを作成するこの最初の試みは、遺伝学者にとって単なる画期的な成果ではありませんでした。これはまた、生物学者がシステム内の個々の部分からシステム自体の研究へと関心を移し始めた「-omic」ベースの研究の新時代の幕開けでもありました。

「ヒトゲノム計画は、人間の生物学に対する考え方に根本的な変化をもたらしました」と、脳内の神経ネットワークをマッピングする取り組みであるヒトコネクトーム計画のプロジェクトディレクター、マイケル・ウエルタ氏は言う。「この基本的なデータタイプ、つまり包括的かつ体系的に収集されたデータセットがあれば、あらゆる種類の新しい研究方向のための知的プラットフォームとして機能する可能性があります。」

現在、さまざまな分野の研究者が独自の -ome を作成しようとしています。機能が未知のすべての遺伝子のコレクションである「unknome」など、いくつかの -ome はすぐに忘れ去られました。しかし、この分野には現在、独自のジャーナル (OMICS: A Journal of Integrative Biology) があり、少なくとも 4 つの主要なシステムが、独自の主要な研究プロジェクトに適した主題としてゲノムの仲間入りを果たしています。

トランスクリプトーム

目標: 体内のすべてのRNA転写産物をカタログ化する

ゲノム内の DNA 配列を知ることは、細胞の働きを理解するための第一歩にすぎませんでした。DNA は、体のほとんどの働きを担うタンパク質を作るための指示 (遺伝子) を提供します。しかし、細胞はこれらの指示を使用する前に、それをコピーする必要があります。DNA 情報のコピー、つまり「転写」は、RNA で作成されます。

2003 年、国立衛生研究所は転写産物をカタログ化するためにヒト トランスクリプトーム プロジェクトを開始しました。しかし、問題があります。遺伝子転写産物が細胞で処理される方法に応じて、既知の 20,000 個の遺伝子から数十万の RNA 転写産物が生成される可能性があるのです。そして、これらの転写産物のうち、タンパク質をコードするのはほんの一部であることが判明しました。その他の転写産物はタンパク質合成には関与せず、むしろ遺伝子発現に影響を与える可能性があります。さらに、機能が不明な転写産物もあります。

コールド・スプリング・ハーバー研究所の分子生物学者で、このプロジェクトの主任研究者であるトーマス・R・ジンゲラス氏は、最終目標は不確定だと語る。しかし、すでに有益な発見が出始めている。例えば、彼らの研究は、細胞機能に不可欠で、がんと闘うために使用できる可能性がある、lincRNAと呼ばれる新しいクラスのRNA転写産物の特定につながった。

プロテオーム

目標: ヒト細胞が作るすべてのタンパク質の特性を明らかにする

タンパク質は人体のすべての細胞の主力です。血流を通じて酸素を運ぶことから消化の調整まで、あらゆる役割を果たします。また、各臓器や組織の種類に固有の細胞構造を形成します。しかし、タンパク質にはいくつの異なる形態があり、それらがすべて何をするのかはまだわかっていません。前述のように、既知の 20,000 個の遺伝子は複数の RNA 転写産物を生成し、複数のタンパク質も生成できます。

さらに、タンパク質は常に形を変え、細胞内で特定のタスクを実行するために他のタンパク質によって化学的に修飾されることもあります。その結果、ゲノムはおそらく 100 万個ものユニークなタンパク質を生成することができます。昨年 9 月に結成された国際協力プロジェクトである Human Proteome Project は、そのほとんどを特定するにはほど遠い状態です。しかし、2015 年までに、20,000 個のタンパク質コード遺伝子のそれぞれから生成されるタンパク質を少なくとも 1 つ特定することを目指しています。

比較的一定したゲノムとは異なり、プロテオームは動的なネットワークです。ミシガン大学計算医学・バイオインフォマティクスセンター所長でこのプロジェクトのリーダーでもあるギルバート・S・オーメン氏は、プロテオームを理解することは「永遠の課題」だと言います。

メタボローム

目標: 細胞代謝によって生成されるすべての化学物質を追跡する

細胞が日常的な機能の結果として作り出す副産物は代謝物と呼ばれます。ヒトメタボローム プロジェクトは、代謝物すべてを特徴づける最初の包括的な試みでした。2008 年に完了したこのプロジェクトでは、3,000 の代謝物が、組織濃度、関連する疾患、関連するタンパク質や遺伝子など、約 100 のデータ フィールドに関連付けられています。しかし、プロジェクト ディレクターでアルバータ大学の生物学およびコンピューター サイエンスの教授である David Wishart 氏と彼の同僚は、引き続き「穴を埋める」作業を続けています。

現在、ほぼすべての人に存在する 8,500 種類の代謝物質と、毒素などの外部から発生する可能性のある 10,000 種類の代謝物質が特定されています。代謝物質は継続的に生成されるため、健康状態を示す優れた指標であり、臨床化学者は 1 世紀以上にわたって血液や尿の診断に使用してきました。メタボローム プロジェクトの調査結果はすでに、関節リウマチなどの診断が難しい病気のバイオマーカーとなっています。

酵素の 1 つの変異によって酵素の効率が変わり、代謝産物の生成速度が 10,000 倍も変化する可能性があります。この種の変化は、遺伝子変異よりも実験室での検査で検出するのがはるかに簡単です。

「代謝物はゲノムのカナリアです」とウィシャート氏は言う。

コネクトーム

目標: 人間の脳の神経回路の地図を作成する

人間の脳は、私たちのあらゆる思考や動作を決定する 1,000 億個の相互接続されたニューロンで構成されています。脳の専門家は長い間、個々のニューロンに関する情報を集めてきましたが、システム全体にわたる単一のロードマップは存在しません。ヒューマン コネクトーム プロジェクトは、この問題を解決するための最初の大きな試みです。2009 年以来、研究者は 1,200 人の健康な成人から機能的および構造的なコネクトーム データを収集してきました。

プロジェクトのデータセットが完成すれば、さまざまな年齢層の人や、統合失調症やアルコール依存症などの病気や障害を持つ人の脳に関する追加研究のベースラインとなるでしょう。

この包括的な脳の地図を作成するために、プロジェクトの科学者たちは脳の活動と脳の構造という2種類の情報に注目している。ワシントン大学のデイビッド・ヴァン・エッセンとミネソタ大学のカミル・ウグルビルは機能的MRIを使用して、安静時と作業中の脳の活動を測定する。また、脳の構造を明らかにするために、科学者たちは拡散スペクトルMRIを使用する。拡散スペクトルMRIは、コネクトーム・プロジェクトにも携わるマサチューセッツ総合病院の神経科学者ヴァン・ウェディーンが発明したものだ。

国立精神衛生研究所のマイケル・ウエルタ所長は、このプロジェクトにより「さまざまな障害において、また生涯を通じて、脳の配線や誤配線がどのように起こるのかという疑問を体系的に問う」ことができるようになると述べている。