2026年6月14日
「Multiomics Explained」シリーズでは、さまざまな「オーム」を1つずつ取り上げて解説していきます。全体像を知りたい方は、まず、初回の「マルチオミクスとは何か？ 生物学の未来へのシンプルガイド」 をご覧ください。これらのオームがどのように連携し、ヒトの健康に関する最も困難な課題の解明にどのように役立つのかを紹介しています。また、研究者たちがマルチオミクスパイプラインをどのように活用しているのかについても解説しています。続いて、トランスクリプトミクスのガイドもぜひご覧ください。
今回は、プロテオミクスがどのように生物学のより完全な全体像を提供するのかに焦点を当てます。
プロテオミクスとは？
ゲノミクスが細胞内で起こり得ることを示すのに対し、プロテオミクスは細胞内で実際に起こっていることを明らかにします。
プロテオミクスは、生物のほぼすべての機能を担う分子であるタンパク質を大規模に研究する学問分野です。遺伝子が設計図を提供し、RNAがその指示を伝えるのに対し、タンパク質は生物学的プロセスを実行する機能的な最終産物です。
比較的変化の少ないゲノムとは異なり、プロテオームは非常に動的です。プロテオームは、細胞の種類や発生段階、さらには環境条件に応じて変化します。ある時点では特定のタンパク質が発現し、修飾され、活性化される一方で、別のタンパク質は分解されるなど、細胞内の活動は絶えず変化しています。
こうした動的な特性こそが、プロテオミクスを強力なアプローチにしています。タンパク質を直接測定することで、研究者はDNAやRNAの解析だけでは十分に捉えることのできない、リアルタイムの生物学的プロセスについての洞察を得ることができます。
プロテオミクスからわかること
プロテオミクスは、ゲノミクスやトランスクリプトミクスだけでは十分に答えることのできない疑問に対応し、より深い生物学的洞察をもたらします。
1. 存在するタンパク質の種類と量
遺伝子発現の程度は、必ずしもタンパク質の量と一致するわけではありません。プロテオミクスは、サンプル中に存在するタンパク質の種類とその量を直接測定することで、細胞や組織の実際の機能状態を明らかにします。
2. タンパク質の構造と機能
タンパク質の機能は、アミノ酸配列だけでなく、そのタンパク質がどのような三次元構造に折りたたまれているかによっても決まります。わずかな構造変化であっても、機能に大きな変化をもたらす場合があります。
3. 翻訳後修飾（PTM）
タンパク質は合成後、多くの場合、リン酸化、グリコシル化、ユビキチン化などの化学修飾を受けます。これらの修飾は、タンパク質の活性、局在、安定性を制御します。こうした翻訳後修飾は、シグナル伝達や免疫応答などのプロセスに不可欠であり、プロテオミクス解析によって検出することができます。
4. 生物学的パスウェイとネットワーク
タンパク質が単独で機能することはほとんどありません。プロテオミクスは、複雑なタンパク質相互作用ネットワークやシグナル伝達経路を明らかにし、生物学的システムが疾患、治療、あるいは環境からの刺激にどのように応答するのかについての洞察を提供します。
こうした解析能力を組み合わせることで、プロテオミクスは疾患メカニズムの理解、バイオマーカーの特定、さらには有望な治療標的の発見に不可欠なツールとなっています。
イルミナのプロテオミクスへのアプローチ
最近のイノベーションにより、プロテオミクスは、ターゲットを絞ったロースループットな研究分野から、シーケンスワークフローと統合可能な、スケーラブルでハイスループットな分野へと進化しています。イルミナのプロテオミクスソリューションは、NGS互換ワークフローとマイクロアレイワークフローの両方でタンパク質解析を実現し、大規模なプロテオミクス研究を可能にしています。
Illumina SomaSeq™ Discovery（旧称Illumina Protein Prep）は、タンパク質解析をシーケンス互換のワークフローに統合するソリューションです。このテクノロジーにより、研究者はタンパク質の測定結果をNGSリードアウトへ変換することができます。
Illumina SomaScan™ Discovery（旧称SomaLogic SomaScan® 11K Assay）は、ンパク質の測定結果をマイクロアレイリードアウトへ変換します。
主な利点：
- 大規模コホートにおけるハイスループットタンパク質測定（約11,000種類）
- 既存のシーケンスインフラとのシームレスな統合
- マルチオミクス研究デザインとの互換性
- 少量のサンプルイで解析可能
- 大規模集団研究への適合性
Illumina SOMAmerプロテオミクスの詳細はこちら
プロテオミクスの応用
プロテオミクスは、すでにさまざまな研究分野で重要な役割を果たしています。
- 疾患研究とバイオマーカーの発見: プロテオミクスは、がん、神経変性疾患、心血管疾患などに関連するタンパク質シグネチャーの特定に役立ちます。これらのシグネチャーは、疾患の早期兆候を示すだけでなく、研究において患者集団を層別化するための指標としても活用できます。
- 創薬と開発: 多くの医薬品はタンパク質を標的としています。プロテオミクスにより、タンパク質の経路や相互作用をマッピングすることで、研究者は有望な創薬ターゲットを特定し、化合物が生物学的システムにどのような影響を与えるかを評価できます。また、開発の初期段階でオフターゲット作用を明らかにすることも可能です。
- 免疫学と感染症: タンパク質は免疫応答を制御する中心的な役割を担っています。プロテオミクス解析は、免疫系が病原体、ワクチン、治療法にどのように応答するかを明らかにし、防御機構や疾患進行に関する理解を深めます。
- 集団規模の研究：イルミナのSomaScan DiscoveryアッセイやSomaSeqアッセイなどのハイスループットプラットフォームにより、研究者は数千件のサンプルから得られるタンパク質データを解析できるようになりました。これにより、大規模かつデータ駆動型の発見につながる新たな可能性が広がっています。
研究者によるプロテオミクスの活用
研究者は、どのようなタンパク質が存在しているのか、それぞれがどの程度存在しているのか、また異なる条件下でそれらがどのように変化するのかを理解するために、プロテオミクスを活用しています。タンパク質は、健康な状態や疾患の状態において実際にどのような生物学的プロセスが進行しているのかを直接反映します。
- Cleveland Clinicの研究者らは、COPDに関連するタンパク質バイオマーカーの特定にSomaScan™ Discoveryアッセイを使用しました。これにより、肺気腫の重症度や進行をより適切に分類するためのアプローチにつながりました。また、研究チームはゲノミクスとプロテオミクスを組み合わせることで新たな知見を獲得し、これらの疾患に対する予測モデルを改善しました。
- SomaScan Discoveryアッセイは、神経疾患の病態形成において重要な部位である脳脊髄液（CSF）中のタンパク質測定にも活用されています。2023年のNature Parkinson’s Diseaseの論文では、研究者らは、SomaScan Discoveryアッセイを用いて、これまでで最大規模となるアフィニティーベースの脳脊髄液（CSF）プロテオミクス研究を実施しました。
- 研究者らは、SomaScan DiscoveryアッセイとAIを組み合わせることで、眼球の生物学的年齢を予測する26タンパク質モデルを開発しました。このモデルを構成する26種類のタンパク質のうち、5種類については、それまで加齢との関連が知られておらず、この研究で初めて報告されました。
プレシジョンメディシンにおけるプロテオミクスの未来
プロテオミクスは、今後、プレシジョンメディシンとシステム生物学において中心的な役割を果たすと期待されています。技術の拡張とゲノムプラットフォームとの統合が進むにつれ、次のことが可能になるでしょう。
- 遺伝子変異と機能的なタンパク質の変化を直接関連付ける
- より精緻な疾患サブタイプを特定する
- 治療反応をより高い精度で予測する
- 新たな治療標的を発見する
多くの点で、プロテオミクスはDNAから始まるストーリーを完成させるものです。プロテオミクスは、生物学的システムが健康な状態や疾患の状態でどのように機能しているのかを理解するために不可欠な、機能的なコンテキストを提供します。
研究者は、マルチオミクスデータを統合することで、個々の観察結果を結び付け、複雑な生命システムをより包括的に理解できるようになります。SomaSeq DiscoveryやSomaScan Discoveryなどのイノベーションにより、プロテオミクスはこれまで以上にスケーラブルで利用しやすく、他のオミクスデータとの統合も容易になっています。
その結果、より明確で相互につながりのある生物学の全体像を獲得し、プレシジョンメディシンの可能性を最大限に引き出せるようになってきています。
SomaSeq Discoveryの詳細については、当社のオンラインリソースをご覧ください
SomaScan Discoveryプラットフォームを使用した論文をお読みください
マルチオミクスによる機能の解明については、こちらのリンクを参照してください
