毎日新聞　2005/9/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　理化学研究所発表

“ガラクタＤＮＡ”が大量作成　　ＲＮＡ、遺伝子を起動　　理研など解明

　マウスの全遺伝情報(ゲノム)を解析した結果、これまでは何の役にも立っていないと考えられていた部分から、遺伝子の発現を指令するなど重要な機能を持つ約2万3000種類ものRNA(リボ核酸)が作られていることを、理化学研究所など１１カ国の国際研究チームが発見した。RNAはDNA(デオキシリボ核酸)の遺伝情報を読み取ってたんぱく質を合成する「脇役」と考えられてきたが、この考えを根底から覆す成果で、2日付の米科学誌サイエンスに掲載される。

　理研ゲノム科学総合研究センターの林崎良英主任研究員らは、マウスのゲノムを詳しく分析し、計4万4147種類のRNAが作られていることを発見。このうちの53%に相当する2万3218種類は、たんぱく質合成に関与せず、遺伝子をいつ、どこで発現させるかを指令するなどの重要な役割を担っていた。ゲノムの少なくとも約7割が、RNAに転写されていることも突き止めた。

生命解明へ新鉱脈
　遺伝子の発現指令　糠尿病など新薬に道

2005/9/2　独立行政法人 理化学研究所

哺乳動物のトランスクリプトームの総合的解析による「RNA新大陸」の発見
http://www.riken.go.jp/r-world/info/release/press/2005/050902/index.html

　独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）を主体とした全世界11ヶ国／45ヶ所の研究機関などでマウスゲノムの研究を展開している国際コンソーシアム「FANTOM※1」などは、細胞が生産するRNAを今までにない大規模スケールで、哺乳動物のトランスクリプトーム※2の総合的解析をし、従来100個ぐらいしか知られていなかった「非タンパクコードRNA（Non-coding RNA; ncRNA※3）」が、当研究グループの以前からの報告数をはるかに超えて23,000個以上存在することを突きとめました。また、ゲノムに存在するプロモーター※4（転写※5開始点）が180,000個以上であることなどを突き止め、さらに、二重鎖DNAの双方の鎖が読まれるセンス※6／アンチセンス※7のRNAペア※8が従来考えられてきた数をしのぐ31,422ペアもあることを発見しました。この中には重要なヒトの疾患原因遺伝子も含まれており、新たな薬剤の標的になりえることが示唆された。
　これらの成果は、タンパク質がゲノムにコードされている最終機能物質であるという常識を覆し、予想を凌ぐトランスクリプトームの複雑さを認識させるもので、「RNA新大陸※9」を発見したと言えます。哺乳動物ゲノムの情報内容に対するこれまでの理解（「遺伝子」という領域が散在しているゲノムのイメージ）を根幹から変えてしまうものです。
　本研究成果の詳細は、2報の論文として米国の科学雑誌『Science』（９月２日号）に掲載されます。また同時に、関連する基礎情報は、理研のサイト（http://fantom3.gsc.riken.jp/db/）と国立遺伝学研究所の日本DNAデータバンク（DNA Data Bank of Japan : DDBJ , http://www.ddbj.nig.ac.jp/）のデータベース上で公開されます。
　論文のとりまとめにあたり、我が国においては、理研・ゲノム科学総合研究センター（榊佳之センター長）の遺伝子構造・機能研究グループの林�ｱ良英プロジェクトディレクターらが中心となり今回の成果に大きく貢献しました。
　なお、本研究成果には、ゲノムネットワークプロジェクトの一環から得られたものも一部含まれています。


1. 背　景
　過去５年間、数種類の哺乳動物のゲノムがつぎつぎと解読されてきましたが、ゲノムの塩基配列の中にいったい何が書かれているのかという情報に関して、いまだに詳細には知られていません。2004年10月、国際ヒトゲノムコンソーシアム※10により、ゲノムのたった約2％の領域が、生物の体を作り上げている主要部品である約22,000のタンパク質をコードしていると発表されましたが、これは、一部既存の実験データを入れたものの、コンピューター予測によるところが多く、本当にそれだけが、ゲノムにコードされている情報なのかは、依然として不明でした。また、各生体内組織のどの発生ステージで、これらの2％が選ばれていき、それらは如何にして制御されているのかという問題も残っています。
　トランスクリプトーム（転写物集団）とは、多くの個別RNA分子（転写物）により成り立ち、それらはもともとゲノムDNAから転写されたものであります。そして多くの場合、RNA分子はタンパク質へと翻訳※11され、最終生理活性物質となります。トランスクリプトーム解析がゲノム塩基配列決定よりもさらに労力を必要とする理由は、膨大な種類数のRNA分子がゲノムDNAから生産され、これらは個別にRNAを鋳型として合成する完全長cDNA※12として単離解析されなければならず、完全長cDNAの合成に高度な技術を要するからです。
　理研・ゲノム科学総合研究センターの遺伝子構造・機能研究グループとFANTOMコンソーシアムは、マウスゲノムから生産された2,000,000個以上のcDNA配列を解析し、そこから103,000個の完全長cDNA 配列を決定しました。さらに、遺伝子構造・機能研究グループが開発したCAGE（Cap Analysis of Gene Expression）※13、GSC（Gene Signature Cloning）※14、シンガポールのGenome Institute of Singapore が開発したGIS（Gene Identification Signature）※15と合わせ、転写の開始と終了の位置を表すタグ配列を作り出し、この解析に利用しました。


2. 研究手法と成果
　この研究では、トランスクリプトーム解析のために理研とFANTOMコンソーシアムが独自に開発した４種類の新技術を使いました。研究グループが先に開発した技術は完全長cDNAクローニング法であり、それは完全なmRNA配列をcDNAの形で写し取る技術です。この方法によって、理研は257種以上の組織から単離した総数2,000,000個以上の完全長cDNAを、その末端配列から分類わけしたのち、 103,000個のマウス完全長cDNAの配列を決定しました。さらに３つの技術全ては、RNA配列の先頭である5'端※16（CAGE、GIS/GSC）と末尾である3'端※16（GIS/GSC）の収集およびマッピングを高速かつ大量に行うものです。この技術を使ってマウスの11,567,973個、ヒトの5,992,395個のCAGEタグ情報と、マウスの2,465,449個のGIS/GSCタグ情報をそれぞれ得ました。
　このような大規模データをゲノム上にマッピングし解析を行った結果、同一の遺伝子から、複数の転写を制御するプロモーター（転開始点）、選択的スプライシング※17、複数のPolyA付加サイト※18（3'端：RNA末尾）など、多様なRNAが生産されることが判明しました。また約2,000,000個のマウス完全長cDNAを詳しく分類し、44,147種類の遺伝子（Transcriptional Unit: TU※19）を発見しました。これは、ゲノムの70％に相当する広大な領域が、一旦はRNAに読まれていることがわかりました。さらにこれらのTUの半分以上が、タンパク質をコードしていないRNA（ncRNA）が23,218個あることが明らかとなりました。それらのエクソン※20領域は種間（ヒト−マウス）で保存されていないにもかかわらず、プロモーターの配列が保存されていたことは特筆するべき事実です。このことは、後述するように、ncRNAでは、センス／アンチセンス（S/AS）による2重鎖RNAを介したメカニズムが機能しているのではないかと推察され、エクソンの配列よりも、いつどこで発現※21するのかということが重要であることを示唆しています。
　これらのデータは、哺乳類の分化や発生での転写制御の比較分析のための網羅的基盤となります。今回、新規マウス完全長cDNA配列のうち、16,247 個のマウスの新しいタンパクコード転写産物を同定しましたが、そのうち5,154個の転写産物は、既知のタンパク質とは全く異なる新規タンパク質をコードしていました。
　ゲノム上で双方の鎖がRNAに転写されているようなDNAの領域、つまり、双方のRNAがペアを作ることが非常に多く見られ、31,422個のセンス／アンチセンス（S/AS）のペアを発見しました。このS/ASのRNAペアはゲノムのほとんど全領域で普遍的に起こりうるということを示唆しており、細胞周期、タンパク質輸送、細胞死、細胞構造と接着、細胞分化、リン酸化酵素、インターロイキン、Rasタンパク質、ユビキチン化などの機能を持っている遺伝子によく見られます。この中には、重要なヒトの疾患原因遺伝子も含まれており、新たな薬剤の標的になりえることが考えられます。さらに、これらをノックアウトや強発現による手法を活用し、より詳細に解析するとS/ASによる制御は通常のRNAi※22現象で単純に説明できるものではないことが明らかになりました。この研究で、アンチセンスRNAにより、センスRNAの発現がコントロールされていることがわかりました。このことは、アンチセンス転写は哺乳動物の転写制御に大きな役割を担っており、それらのメカニズムにncRNAが一役かっている事実は、非常に面白い結果です。


3. 研究成果の意義
　これらのデータは生物医学研究領域において、高等動物のあらゆる生命現象を理解する手段となります。ゲノム配列は、哺乳動物の部品（タンパク質）を作るための暗号であるのみならず、いつ、どの組織で発現するかという情報も含んでいます。今回作成された国際標準となるデータベースは、現在のところ最も完全なトランスクリプトームの全体像を提供しています。
　哺乳動物ゲノム内には、「タンパクコード遺伝子※23」がショウジョウバエよりもわずかに2倍の種類数のしかありません（2004年10月ヒトゲノムコンソーシアム発表数、約22,000）。今回、 FANTOMコンソーシアムは、マウス完全長cDNAで新たな配列を含む56,722種類のcDNAを見つけました。その中には、リボゾームRNA※24、トランスファーRNA※25を除くと従来100個ぐらいしか知られていなかったncRNAが、予想をはるかに超える23,000個以上存在することを突き止めました。さらに、これらが単なる漏れ出てきたRNAではなく、生体内で機能しているということを証明したこととあわせると、従来のタンパク質がゲノムにコードされている最終機能物質であるという常識は覆り、人類未踏の領域である「RNA新大陸」が発見されたことになります。
　最近まで我々の生物学領域で存在や機能を考慮されなかった大量のncRNAによって遺伝子発現が制御されていることを示しました。ほとんどのタンパク質が哺乳類では類似なので、生物種間に差異を生じさせる理由の多くは、タンパク質構成要素系より、さらに速く進化しているRNA調節制御系の違いに隠されていることを示唆しています。もしこの考えが正しいなら、この発見は下に示すような生物学研究、医学やバイオテクノロジーの将来にとって重要な疑問に対し、予測される解答を劇的に変化させます。
　(1)　如何にして遺伝情報が我々のゲノム中に蓄えられるのか？
　(2)　如何にしてこの遺伝情報が複雑な哺乳動物の発生過程を制御するために処理されるのか？

　これらの研究は、一部ヒトのデータを含むマウスを中心とした解析であり、主に理研を中心とするFANTOMコンソーシアムによって成し遂げられました。現在、先に挙げた新手法（完全長cDNA、CAGE、GSC、GIS）を用い、ヒトの大規模データも同様に準備中であり、ヒトの疾患を理解すると期待されます。
　今回得た全ての情報は、日本時間2005年9月2日午前3時（2005年9月1日午後2時アメリカ東部沿岸時間）のサイエンス誌上発表と同時に、理研のサイト（http://fantom3.gsc.riken.jp/db/）と国立遺伝学研究所生命情報・DDBJ研究センター（五條掘孝センター所長）のデータベース；DDBJよりインターネット上で公開します。


4. 今後の展開
　本研究を通じて、遺伝子とは何か、という基本的概念にパラダイムシフトが起きたと考えています。ゲノムというもののなかに遺伝子がオアシスのように散在するという旧来のゲノム観から、かつてジャンクDNAと呼ばれていた領域は実際には機能しており、ゲノムは総体として働いているという新しいゲノム観が生じたといっても言い過ぎではありません。
　さらに、本研究における「RNA大陸」の発見は、「タンパク質が最終生理活性物質であり、遺伝子とは、単にタンパク質をコードするもの」であるという既成概念を崩す結果となりました。遺伝子から、表現形質を分子レベルで説明するネットワークの中に、新たにncRNAが登場することとなります。これにより、RNAがいろいろなレベルで遺伝子の発現を調節する新たなメカニズムの研究がスタートすることになるでしょう。
　現在のトランスクリプトーム解析は、いまだ完成していません。完全長cDNAとはまったく独立したアプローチであるタイリングアレイ※26のデータと考えあわせると、PolyA RNAの約半分ぐらいが本研究の解析対象となったことが推察されます。さらに、Non-polyA RNAは、PolyA RNAとほぼ同数あることも予測されており、トランスクリプトーム解析は、始まったばかりであるといえます。トランスクリプトームは、どのステージで、どの組織で発現しているのかという情報もあわせると、ゲノム解析と比べはるかに動的です。将来には、さらなるトランスクリプトーム解析が必要性となり、遺伝子機能を詳細に研究するための必須の知見をもたらしたことになりました。


<補足説明>