世界初の“一细胞ネイティブ质量分析”に成功

横浜市立大学大学院生命医科学研究科　明石知子教授、小沼刚助教らが、ネイティブ质量分析^*1による赤血球1個からのヘモグロビン四量体の迅速な観測に世界で初めて成功しました。この技術は、生きた細胞内のタンパク質を直接観測し、細胞ごとにタンパク質の働きを理解するのに有用な手法として、様々な研究への利用が期待されます。本研究は学部4年生坂本和香さん（現博士前期課程1年）が中心となり卒業研究で行ったもので、研究開始から約1年で素晴らしい業績を挙げ、論文にまとめることができました。

本研究成果は、アメリカ化学会誌「Analytical Chemistry」に掲載されました。（米国時間2021年4月19日掲載）

研究成果のポイント

赤血球を一つだけサンプリングして、ヘモグロビン*2を壊さずに観测できた
细胞内で机能するタンパク质の状态を、细胞ごとに比较して把握できる技术を开発した

研究背景

质量分析は试料をイオンにして质量を求める方法で、微量の试料から迅速にデータを得られます。一般に、タンパク质の质量分析で感度を上げるには、酸や有机溶媒を加えてイオン化しやすい条件を整える必要があります。しかしながら、このような条件ではタンパク质は変性してしまい、机能する状态を保持することができません。机能する姿のまま観测するには、感度をある程度犠牲にしても、中性の水溶液として试料を调製して、ありのままの状态を保って质量分析する（＝ネイティブ质量分析）方法が用いられます。ネイティブ质量分析では、细胞内のタンパク质の状态の変化を质量の変化として捉えられるため、タンパク质の机能を理解する上で非常に有用な情报が得られます。数多くの细胞をすりつぶし集めたタンパク质を精製してから実験に用いるのが一般的であるのに対し、本研究では、たった一つの赤血球をそのままネイティブ质量分析に供し、データを取得することに挑みました。机能しているタンパク质の质量を细胞ごとに求められれば、様々な状态の细胞を一つずつ比较でき、生命科学研究を进める上で大きく贡献します。

研究内容

一つの赤血球细胞には、0.45フェムトモル（0.45&迟颈尘别蝉;10^-15モル）というごくわずかのヘモグロビン分子しか含まれていません。このような少ない量のヘモグロビンを観测するのは、酸や有机溶媒を加えた変性条件でも容易ではありません。研究グループでは、升岛らが开発した分子量数百の小さな化合物の网罗的分析に用いられている実験手法（参考文献）を参考にし、図1に示すようなシステムを用い、顕微镜で観察しながら赤血球1个をサンプリングし、ネイティブ质量分析のための様々な条件を最适化することで、一细胞ネイティブ质量分析を可能にしました。
まず、一般的なネイティブ质量分析の実験方法でデータを得るために必要な试料量を、すりつぶした赤血球を使って求めたところ、理论上、最低でも约200个の赤血球が必要と见积られました。そこで、顕微镜で観察しながらの赤血球のサンプリング方法や测定のために添加する试薬、条件などを精査した结果、30个、10个、そして最终的には1个の赤血球から再现性良く、ありのままのヘモグロビンをネイティブ质量分析で検出することに成功しました。図2に示すように、赤血球1个を极细のガラス管（エミッター）に素早く吸い込み、タンパク质を変性させずにイオン化を促进する酢酸アンモニウム水溶液をほんの少し加えてから、ヘモグロビンのイオンをネイティブ质量分析で観测するという、一连の実験操作のポイントを押さえて手际よく进めたことが成功の大きな决め手となりました。

今后の展开

「一细胞」のサンプリングで分析できるということは、细胞一つ一つの様子を比较できることになります。その际、「ネイティブ」、すなわち自然の状态での质量分析では、细胞内のタンパク质の様子をより正确に知ることができると期待できます。生命体を构成する细胞一つ一つについてタンパク质の状态を比较できる本技术は、生命现象の基础的な理解からその応用まで、幅広い分野で役立つと考えられます。

论文情报

タイトル：Single cell native mass spectrometry of human erythrocytes
著者：Waka Sakamoto, Nanako Azegami, Tsuyoshi Konuma, *Satoko Akashi
掲載雑誌：Analytical Chemistry
顿翱滨：

参考

用语説明

*1 ネイティブ質量分析：
タンパク质などを机能に重要な构造をできるだけ保ったままイオン化しその质量を测定する分析方法。非共有结合で复数の分子が集まった复合体でも、そのままイオン化し、正确に质量を决めることができる。

*2 ヘモグロビン：
赤血球に含まれる酸素运搬に関わるタンパク质で、赤い色をもつヘム分子を抱えた4つのグロビンタンパク质が非共有结合して构成されている。

図、画像、表

図1 実験手法の概念図

図2　顕微镜下、マニピュレーターで1个の赤血球をサンプリングする様子を観察した画像

研究体制（论文着者?所属など）

横浜市立大学大学院生命医科学研究科
　教授　明石　知子
　助教　小沼　刚
　共同研究员　畔上　奈々子
横浜市立大学国际総合科学部理学系
　4年　坂本　和香（现在　同大学大学院生命医科学研究科博士前期课程1年）

研究费

※本研究は、科学研究费補助金（JP18H04561, JP19H05774)、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム（BINDS） (JP20am0101076)、中谷医工計測振興財団、公益財団法人JKA、テルモ生命科学振興財団の助成を受けて実施されました。

参考文献

Fujii T, Matsuda S, Tejedor ML, Esaki T, Sakane I, Mizuno H, Tsuyama N, Masujima T, “Direct metabolomics for plant cells by live single-cell mass spectrometry.” Nat Protoc. (2015) 10, 1445-1456.

记者発表资料

问い合わせ先

横浜市立大学広報課
贰-尘补颈濒：koho@yokohama-cu.ac.jp

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