14-1. 内在性遺伝子の発現状態を解析する
https://gyazo.com/c46126ed3d416a19ff66aa9dd02da825
https://gyazo.com/3a946d85f70154fc9d526b47c157ce4c
1) RNAやタンパク質の構造決定や同定の戦略
解析対象による種類
memo: オームとオミクス
解析規模による分類
個別試料に焦点を絞って分析する場合
網羅的かつ包括的に分析する場合
網羅的解析は膨大な数の試料を対象にするが、個別解析の単なる積み重ねでは実現困難なため、ハイスループット解析(コンパクト化、自動化、迅速化、大量試料の同時並列処理など)が必須となる タンパク質の場合も、結合タンパク質の検索・同定で似たようなアプローチを取る場合がある
既知か新規か
新規生物では新規解析(de novo解析)で全構造をシークエンス解析せざるを得ないが、既知生物の場合はデータベースの参照ゲノム配列が利用できるため、部分構造解析だけで分子種を同定できる アレイ解析は典型的な後者の解析手法
memo: 細胞アレイ
細胞アレイは基盤上の微小多数区画に細胞を1個ずつ入れたもの 表面抗原などに基づいた細胞のハイスループット解析ができる 区画内の細胞を回収することも可能
2) 特定のRNAの検出・解析・同定
RNAのまま検出する
1種類の遺伝子しか解析できないが、RNAに関する多数の情報が得られる
発現量、前駆体、加工や分解、類似遺伝子発現の有無など
ハイブリダイゼーションと酵素消化によって検出する
原理
被験RNAにRI標識の既知DNAをプローブとしてハイブリダイズさせ、その後一本鎖核酸にS1ヌクレアーゼを効かせて特異的に分解する https://gyazo.com/caa79134d656abe8e9b56a590f2bd500
操作の概要とポイント
プローブの範囲を、調べようとするRNA領域より広くとると、保護されて残った短いプローブが特異的シグナルとして検出できる
cDNAにしてから検出する
量の比較はできない
典型的なハイスループット解析
3) RNAの網羅的解析
原理
数cm四方以下の小さな基盤に多数の既知DNAを微細なスポット上に付けたDNAマイクロアレイに、蛍光標識した不特定多数のcDNAをハイブリダイズさせ、DNAに結合した標識cDNAの蛍光を顕微鏡的スケールで検出し、シグナルの位置からDNA種を同定する https://gyazo.com/3f9e2456f54d2ab15350e3bd376945c4
操作の概要とポイント
ハイブリダイゼーションの速度を解析ごとに合わせることが難しい
プローブcDNAは対照試料と対で用い(e.g. 発現のない組織とある組織)、両者の比較で結果を判断する
cDNAはそれぞれを別の蛍光色素(e.g. Cy3, Cy5)に分けて合成後、色調からターゲットDNAの発現がどちらの組織に偏っているかがわかる 両方で同等に発現していれば、中間の色になる
目的
比較的長い配列で両鎖で決定する
タグ数(既知配列(タグとみなす)の検出)を計測するために比較的短い配列を決定する 操作の概要とポイント
RNAを抽出し、必要に応じてサイズ分画や精製を行う
通常はRNA領域全体をカバーし、DNAのサイズも適当に短くできればよいので、cDNA合成はランダムプライマーで行う ただmiRNAなどの小分子RNAや極端に断片化されたRNA試料の場合はcDNA合成でランダムプライマーが使えないため、RNA末端にあらかじめアダプターを連結する必要がある NGSを用いて配列を決定し、また必要に応じて連結後に遺伝子を同定する https://gyazo.com/84b14c09a2aa8897685d945d5ea91565
cDNA合成時に第2鎖のDNA合成でウラシルを取り込ませ、各末端に個別のアダプターを付け、ウラシルDNAグリコシラーゼで第2鎖cDNAを分解すると(発現鎖の特定の末端は特定のアダプターをもつため)発現特異的DNAが調製できる 応用
翻訳状態の解析
https://gyazo.com/8950cb3012ed349eb19d002796b03d2f
この解析により、これまで翻訳されないと考えられていた領域でも翻訳が起こっているという知見が蓄積している 単離核では新たな転写は起きないがすでに起こっている転写は継続するという現象に基づく 核を単離した後、RI標識したRNA合成基質を加えて転写反応を行わせ、生じた放射性RNAの量から全体の転写速度を求める 転写速度はRNAポリメラーゼの伸張速度にはあまり依存せず、主に転写開始効率(具体的には鋳型DNA上のRNAポリメラーゼ数)に依存する 4) タンパク質の検出・同定
SDS化タンパク質は陽極に動くが、移動速度が分子量が小さいほど速いため、タンパク質を分子量に従って分離できる
SDS-PAGE後タンパク質をメンブランフィルターに移し、そこに抗体を作用させる https://gyazo.com/73d6c25149e12b87b8d707af2c96f242
未知タンパク質の同定法
通常、タンパク質のアミノ末端からエドマン分解によってアミノ酸を順次解離させ、そのアミノ酸を1個ずつ分析する 非精製標品の場合は、SDS-PAGEや二次元電気泳動で分離されたバンド中の微量タンパク質を、質量分析(MS)でアミノ酸配列解読する タンパク質を酵素で断片化したものをMSで分け、個々の断片をさらに物理的に断片化した後で網羅的に質量分析し、分子量の差からパズルを解くようにしてアミノ酸配列を決めていく MS解析はリン酸化などの化学修飾アミノ酸の検出も可能 原理
タンパク質はそれぞれ固有の電荷と分子量をもつが、まずタンパク質に、pH勾配をもつ非変性ゲル中で電圧をかけて固有の等電点のpH位置まで移動させる 次に、分離した個々のタンパク質をSDS-PAGEで分子量に従って分離する
等電点と分子量の違いにより、タンパク質を二次元的(平面的)に分離する方法もある
https://gyazo.com/8bae271fd7bed81dfc455c7cca48eb25
操作の概要とポイント
細胞抽出液を、pH勾配(e.g. pH 3.5 ~10.0)をもつ棒状ゲルにのせて電圧をかけると、各タンパク質は自身の等電点pH部分まで移動するが、そこで正味の電荷がなくなる(正負の電荷が等しくなる)ために停止する
ゲルの染色によってタンパク質を可視化し、スポット位置を識別する
数百〜千個の独立したスポットが識別できる
対照資料と比べることで、発現量の変化やリン酸化(分子量と電荷が変化する)などの状態がわかる 4) 各タンパク質を抽出し、ペプチドに分解後、断片を質量分析してアミノ酸配列を決定する 5) DNAデータベースをもとに該当遺伝子を探索し、タンパク質が何かを同定する
1つのタンパク質について連続する数残基を数カ所で決められれば、どのような遺伝子かがほぼわかる