非カノニカルプロテオームの包括的発見と機能特性

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非カノニカルプロテオーム ペプチド がん生物学 非コードRNA CRISPRスクリーニング

学術的背景

ヒトゲノムプロジェクト（Human Genome Project）の完了は、複雑な生物学的プロセスに対する全ゲノムレベルの理解を大きく進展させました。しかし、ゲノムのうち約1%しかタンパク質をコードしておらず、残りの大部分は非コード領域であり、長鎖非コードRNA（lncRNA）などの非コードRNA（ncRNA）を大量に生成しています。近年、これらの非コードRNAが新規ペプチドをコードし、細胞活動において重要な役割を果たす可能性があることが多くの研究で示されています。例えば、特定のlncRNAがコードするペプチドは、筋肉の生理機能、代謝調節、免疫応答などのプロセスで重要な役割を担っています。しかし、技術的な制限により、これらの非古典的翻訳産物（新規ペプチドなど）の体系的識別と機能の解明は依然として大きな課題です。

胃癌は世界で5番目に多いがんであり、高度な異質性と早期診断マーカーの欠如が特徴です。ゲノミクス、トランスクリプトミクス、プロテオミクスの研究により、胃癌の多面的な特徴が明らかになっていますが、新規ペプチドに関する研究はまだ少ない状況です。したがって、これらの非古典的ペプチドを体系的に発見し、その機能を解明することは、ゲノムの機能を深く理解するだけでなく、がんの診断と治療に新たな視点を提供する可能性があります。

論文の出典

この論文は、Chengyu Shi、Fangzhou Liu、Xinwan Suらを中心とする浙江大学、浙江大学医学院附属第四医院、浙江大学癌症中心など複数の機関の研究チームによって共同で執筆されました。論文は2025年にCell Research誌に掲載され、タイトルは「Comprehensive discovery and functional characterization of the noncanonical proteome」です。

研究の流れ

1. 新規ペプチドの識別

研究チームはまず、11,668,944のオープンリーディングフレーム（ORF）を含む高カバレッジのペプチドシーケンス参照ライブラリを構築しました。新規ペプチドを識別するために、超濾過タンデム質量分析（ultrafiltration tandem mass spectrometry, MS）技術を採用しました。正常な胃組織、胃癌組織、および細胞株を分析した結果、研究チームは8,945個のこれまでに注釈されていないペプチドを同定し、そのうち約半数が非コードRNAに由来するものでした。

2. CRISPRスクリーニングと機能検証

これらのペプチドの機能をさらに研究するために、研究チームはCRISPRスクリーニングを実施し、1,161個のペプチドが腫瘍細胞の増殖に関与していることを発見しました。スクリーニングスコア、アミノ酸長などの複数の指標に基づいて、研究チームは一部のペプチドを選択し、FLAG-Knockinなどの方法を用いてこれらのペプチドの存在と生理的機能を検証しました。

3. 人工知能構造とペプチド-タンパク質相互作用ネットワーク分析

これらのペプチドの潜在的な調節メカニズムをさらに明らかにするために、研究チームは人工知能（AI）構造予測とペプチド-タンパク質相互作用ネットワークに基づくフレームワークを構築しました。上位100の候補ペプチドを分析した結果、これらのがん関連ペプチドが多様なサブセルラー局在を持ち、特定の細胞小器官プロセスに関与していることが明らかになりました。

4. ペプチドの機能検証と臨床的関連性

研究チームはさらに、4つの代表的なペプチド（PEP1-NC-OLMALINC、PEP5-NC-TRHDE-AS1、PEP-NC-ZNF436-AS1、PEP2-NC-AC027045.3）の機能を検証し、それらがミトコンドリア複合体の組み立て、エネルギー代謝、コレステロール代謝において重要な役割を果たすことを発見しました。さらに、これらのペプチドの調節不全は臨床的予後と密接に関連していました。

主な結果

  1. 新規ペプチドの識別：超濾過タンデム質量分析技術を用いて、研究チームは8,945個のこれまでに注釈されていないペプチドを同定しました。そのうち4,097個のペプチドは単一のペプチド-スペクトルマッチ（PSM）によって支持され、4,866個のペプチドは少なくとも2つの異なるPSMによって支持されました。これらのペプチドは主に非コードRNAに由来し、非コードRNAが機能性ペプチドをコードする可能性を示しています。

  2. CRISPRスクリーニングと機能検証：CRISPRスクリーニングにより、研究チームは1,161個のペプチドが腫瘍細胞の増殖に関与していることを発見しました。さらに、これらのペプチドが腫瘍細胞の増殖において重要な役割を果たし、その機能がペプチド自体の翻訳に依存していることが確認されました。

  3. 人工知能構造とペプチド-タンパク質相互作用ネットワーク分析：AlphaFold2による構造予測とペプチド-タンパク質相互作用ネットワーク分析に基づいて、研究チームはこれらのペプチドが多様なサブセルラー局在を持ち、細胞代謝やエネルギー代謝などのプロセスに関与していることを明らかにしました。特に、これらのペプチドはミトコンドリアやリソソームなどの細胞小器官内のタンパク質と相互作用することで、細胞代謝を調節する可能性があります。

  4. ペプチドの機能検証と臨床的関連性：in vitroおよびin vivo実験により、研究チームは4つの代表的なペプチドの機能を検証し、それらが腫瘍成長と代謝調節において重要な役割を果たすことを発見しました。臨床サンプルの分析では、これらのペプチドの発現レベルが胃癌患者の予後と密接に関連していることが示され、これらが潜在的ながんバイオマーカーとしての可能性を提示しています。

結論と意義

この研究は、ヒトゲノムにおける非古典的ペプチドを体系的に発見し、その機能を解明した初めての研究です。非コードRNAが機能性ペプチドをコードする可能性を明らかにしました。高スループット質量分析技術、CRISPRスクリーニング、人工知能構造予測を組み合わせることで、研究チームは多数の新規ペプチドを同定し、それらが腫瘍細胞の増殖と代謝調節において重要な役割を果たすことを明らかにしました。これらの発見は、ゲノムの機能を理解するための新たな視点を提供するだけでなく、がんの診断と治療における潜在的なバイオマーカーや薬剤ターゲットを提供する可能性があります。

研究のハイライト

  1. 高スループットペプチド識別：研究チームは超濾過タンデム質量分析技術を用いて、8,945個の新規ペプチドを同定しました。これは、プロテオームレベルでこれまでに同定された最も多くの新規ペプチドです。

  2. CRISPRスクリーニングと機能検証：CRISPRスクリーニングにより、研究チームは1,161個の腫瘍細胞増殖に関与するペプチドを発見し、それらの機能を複数の実験で検証しました。

  3. 人工知能構造予測：研究チームは初めてAlphaFold2構造予測とペプチド-タンパク質相互作用ネットワーク分析を組み合わせ、これらのペプチドの多様な機能メカニズムを明らかにしました。

  4. 臨床的関連性：研究チームは4つの代表的なペプチドが腫瘍成長と代謝調節において重要な役割を果たすことを検証し、それらの発現レベルが胃癌患者の予後と密接に関連していることを発見しました。これらは潜在的ながんバイオマーカーとしての可能性を示しています。

その他の価値ある情報

研究チームはまた、「Human Novel Peptides Atlas Database」（http://hmpa.zju.edu.cn/）というデータベースを構築し、新規ペプチドの研究データを統合・共有するための貴重なリソースを提供しました。