変じて通じ、通じて久し

Fri, 21 May 2021 00:00:00 +0000

出勤早々、『雲南省の蝶の大発生』のライブ配信通知が届いた。しばらく前にホットサーチで見かけてから、ずっと興味を惹かれていた——学生時代、学部の先生お二人と一緒に山へ蝶の観察に出かけたことがある。一人は生物同定の達人、もう一人は昆虫学者で、いずれも私が敬愛する師である。

蝶という生き物は、考えれば考えるほど面白い。芋虫と蝶——同一のゲノムを持ちながら、まるで別の生を生きる。遺伝子が入れ替わるわけではない。変態というプロセスの中で、同じ遺伝情報が新たに「解釈」し直されるのだ。あたかもスプライシングの設計図を差し替えたかのように、まったく新しい形態と機能へと羽化する。ふと古人の言葉が浮かんだ——

変ずれば則ち通じ、通ずれば則ち久し。

分子生物学の文脈に置き換えてみると、これが意外なほどしっくりくる。

ヒトのゲノムにはわずか二万余りの遺伝子しかない。それでいて、これほど複雑で多様な生命システムを構築できるのは、その秘密の多くが転写後の選択的プロセシングにある。DNAから転写された一次mRNA（pre-mRNA）は、イントロンが切り除かれ、エクソン同士が連結されて初めて成熟mRNAとなる。だが、そのスプライシングの結果は一通りではない——同じ一次転写産物から、あるイントロンを保持したりスキップしたり、あるエクソンを含めたり除外したり、さらにはエクソンの連結順序を変更することもできる。これらの組み合わせにより、一つの遺伝子から数十、時には数百種類ものmRNA変異体が生まれ、それぞれ機能の異なるタンパク質へと翻訳される。

これが選択的スプライシング（Alternative Splicing）である。

同じ遺伝子が、組織や発生段階に応じて異なるスプライシングを受け、異なるタンパク質を産み出す。神経系を例にとると、同一遺伝子がスプライシングの違いによって、それぞれ異なる神経伝達物質に応答するイオンチャネルタンパク質を生成し、ニューロンの信号伝達の特異性を決定する。

これに劣らず精妙なもう一つの仕組みが、選択的ポリアデニル化（Alternative Polyadenylation）である。

mRNAの3'末端には通常ポリAテールが付加され、これが分解からの保護と翻訳の補助を担う。しかし、mRNA上には複数のポリアデニル化シグナルが潜在していることがある——転写開始点に近い部位を選べば、3'末端は短くなり、制御配列も少なく、mRNAは分解されやすくなる。一方、遠位の部位を選べば、いくつかの制御エレメントが保持され、細胞内でのmRNAの局在や翻訳効率に影響を与える。細胞はまさに、この部位選択を通じて、mRNAの寿命と翻訳のタイミングを緻密に制御しているのだ。

遺伝子の数は限られている。しかし、こうした「変化」の仕組みによって、発現の多様性は飛躍的に拡張される——限られた遺伝情報が、絶え間なく生命を紡ぎ続ける。

雲南省は、次回の生物多様性条約（CBD）締約国会議の開催地である。瑞麗は地理的に特殊な位置にあるため、新型コロナの再流行に見舞われ、当初五月の予定だった会議は十月に延期された。本来なら蝶の大発生の光景にちょうど間に合ったはずなのに、実に残念だ。

記憶違いでなければ、明日は国際生物多様性の日だ。

生物多様性はなぜそれほど重要なのか。それは、生態系の自然回復力に対する人々の楽観の度合い、私たちの倫理観、そして複雑さへの畏敬の念にかかっている。物質が極めて豊かな時代にあって、ホモ・サピエンスが占有する天然資源と掌握する科学技術は、寿命の延伸と種の安定をもたらした。それがどの程度まで他の生物の生存を脅かしているかは、容易には線引きできないように思う。

ある希少種の絶滅が、いま生きる世代に及ぼす影響のほとんどは、目に見えるものではない。それでも私たちは、できる限り持続可能性の観点から行動する。これと対極の価値観を持つ人々は、資源の不安を抱くことは稀だが、それでもなお病気という難題に直面する。ウイルスは単純な生命体でありながら、グローバル化の中で前例のない規模のパンデミックを引き起こした。癌はといえば、全二十三巻（一巻約千頁）の書物に、わずか四十〜六十の誤植が生じたに過ぎない——それにもかかわらず、それは生命にとって最も過酷な最終決戦となる。

幸いなことに、一部の聡明な人々——彼らが「ホモ・サピエンスこそ地球の支配者」と自負しているのでないことを願う——は、さまざまな種が生態系の中でそれとなく一定の役割を果たしていることに目を向け、行動を起こし、生物多様性の保全に関心を向けるよう人々に呼びかけている。

私もまた、深く感化された。

遺伝子の選択的スプライシングから、種の多様な共存に至るまで——「変わること」こそ、生命が限られた資源に対処するための根本的な戦略である。一つの遺伝子はスプライシングの違いによって多様なタンパク質を生み出し、一つの生態系は異なる種の組み合わせによって強靭さを保つ。理は同じ——ただ規模が異なるだけだ。

ポストコロナの世界が、健やかで平和に、新たな生を羽ばたかせ、蝶へと羽化することを願う。

選択的スプライシング解析詳解 / Alternative Splicing

Sun, 21 Feb 2021 00:00:00 +0000

背景

真核生物において、一つの遺伝子は選択的スプライシング（Alternative Splicing, AS）によって複数の mRNA アイソフォーム（isoform）を産生しうる。すなわち、pre-mRNA のスプライシング過程で異なるエクソンの組み合わせをとることで、異なる成熟 mRNA が生成されるのである。この仕組みは、遺伝子数を増やすことなくプロテオーム（proteome）の多様性を飛躍的に拡大する。

N 個のエクソンを持つ遺伝子は、理論上最大 2^(N-1) 種のスプライスバリアントを産生しうる。実際には多くの遺伝子が 2〜10 種のアイソフォームを産生するが、ショウジョウバエの Dscam のように数万種のスプライスバリアント（splice variant）を産生する例外的な遺伝子も存在する。

計算解析が必要な理由

ハイスループットトランスクリプトームシーケンシング（RNA-seq、全長 cDNA シーケンシング）は、参照ゲノムにマッピングされた数千本の転写産物を生み出す。これらを人手で一つひとつ検査することは現実的ではない。計算パイプラインに求められるのは以下の処理である。

同一遺伝子座に属する転写産物のクラスタリング
真のスプライスバリアントとアライメントアーティファクト（alignment artifact）の識別
各スプライスバリアントの分類
全ゲノム規模での AS イベントの定量と集計

AS Code の概念

AS Code 体系（Sammeth et al., 2008）は、任意の選択的スプライシングイベントをコンパクトかつ曖昧さなく記述する記法を提供する。その中核となる考え方は次のとおりである。

重複する任意の転写産物ペアについて、両者間で異なるスプライス部位が AS イベントを定義する。これらの差異部位を位置順に番号付けし、ドナー（^）またはアクセプター（-）として標識すれば、当該イベントの構造を一意に記述するコードが得られる。

このコード化により、AS イベントを生物学的に意味のあるカテゴリへ体系的に分類できるようになる。

入力データと前処理

必要な入力ファイル

ファイル	形式	内容
ゲノム	FASTA	参照ゲノム配列
遺伝子アノテーション	GTF	遺伝子モデルおよびエクソン座標
cDNA アライメント	GFF3 (cDNA_match)	全長 cDNA アライメント結果

遺伝子アノテーションは参照転写産物の構造を提供し、cDNA アライメントは実験的に観測された転写産物構造を提供する。後者には、アノテーションに未収録の新規スプライスバリアントが含まれている可能性がある。