トランスクリプトーム解析とは

トランスクリプトーム解析でわかること

転写物組成は、細胞種、発生段階、疾患状態、薬剤刺激、栄養条件、ストレス応答などによって大きく変化します。
そのため、トランスクリプトーム解析は、生命現象の理解だけでなく、疾患メカニズムの解明、バイオマーカー探索、薬剤応答解析、細胞状態の分類、分化過程の推定などに広く利用されています。
主に解析できる内容は以下の通りです。

トランスクリプトーム解析の主な手法

bulk RNA-seq

bulk RNA-seqは、組織や細胞集団からRNAを抽出し、サンプル全体の平均的な遺伝子発現プロファイルを測定する手法です。
疾患群と対照群、薬剤処理群と未処理群、野生型と変異体など、条件間の発現差を調べる発現変動解析に広く用いられます。
bulk RNA-seqには、poly(A)+ RNA-seq、rRNA除去total RNA-seq、strand-specific RNA-seqなどがあります。

bulk RNA-seqは、比較的安定した統計解析がしやすい一方で、複数の細胞種が混在しているため細胞ごとの違いが平均化されます。
そのため、組織内の細胞多様性を調べたい場合には、シングルセルRNA-seqや空間トランスクリプトーム解析が有効です。

一細胞RNA-seq (scRNA-seq)

scRNA-seqは、1細胞ごとの遺伝子発現を測定する手法です。
bulk RNA-seqでは平均化されてしまう細胞間の不均一性を捉えることができ、細胞種同定、細胞状態分類、分化軌道推定、腫瘍微小環境解析、免疫細胞解析などに利用されます。
一方で、ドロップアウト、二重細胞、バッチ効果、細胞解離に伴う発現変化には注意が必要です。

単一核RNA-seq (snRNA-seq)

snRNA-seqは、細胞全体ではなく核を単離してRNAを測定する手法です。
凍結組織、神経組織、筋組織、脂肪組織など、細胞解離が難しいサンプルに適しています。
保存検体や解離困難な組織から単一細胞相当の発現情報を取得できる点で、非常に有用な手法です。
ただし、snRNA-seqでは核内RNAや未成熟RNAの比率が高くなるため、scRNA-seqと同じ発現組成にはなりません。

空間トランスクリプトーム解析 (spRNA-seq)

spRNA-seqは、組織切片上の位置情報を保持したまま遺伝子発現を測定する手法です。
従来のbulk RNA-seqやscRNA-seqでは、組織構造や細胞の位置関係が失われます。
一方、空間トランスクリプトーム解析では、どの遺伝子が組織内のどの領域で発現しているかを可視化できます。
空間トランスクリプトーム解析には、大きく分けて以下の2系統があります。

この手法は、がん、発生、神経科学、免疫学、病理組織解析との相性が高く、細胞間相互作用、腫瘍境界、炎症領域、組織微小環境などの解析に利用されます。

small RNA-seq (smRNA-seq)

smRNA-seqは、miRNA、piRNA、siRNA、tRNA由来フラグメント、snoRNA由来フラグメントなど、短いRNA分子を対象とする解析です。
通常のmRNA-seqとは、ライブラリ調製、サイズ選択、アダプター処理、マッピング、アノテーションの考え方が異なります。

small RNA-seqは、がん、神経疾患、感染症、発生、生殖、細胞外小胞、血中バイオマーカー探索などで利用されます。

ロングリードRNA-seq

ロングリードRNA-seqは、Oxford NanoporeやPacBioなどの長鎖リード技術を用いて、転写産物を長く読む手法です。
通常のショートリードRNA-seqでは、短いリードを参照ゲノムやトランスクリプトームへ対応づけて発現量を推定しますが、アイソフォーム構造や選択的スプライシングの解釈には限界があります。
ロングリードRNA-seqでは、full-length transcriptを読みやすいため、アイソフォーム特異的発現、選択的スプライシング、融合転写産物、長鎖非コードRNA、新規転写産物の同定に有用です。

Ribo-seq

Ribo-seqは、RNAの発現量そのものではなくリボソームに保護されたmRNA断片をシークエンスする手法です。
厳密にはトランスクリプトーム解析というより、翻訳状態を調べるトランスラトーム解析に近い手法ですが、RNA-seqと組み合わせることで、転写量と翻訳量の差を解析できます。

RNA-seqで「発現しているRNA」を測り、Ribo-seqで「翻訳されているRNA」を測ることで、転写後制御や翻訳制御をより深く理解できます。

CAGE / RAMPAGE

CAGEおよびRAMPAGEは、RNAの5′末端を利用して転写開始点、TSSを同定する手法です。
一般的なRNA-seqが遺伝子全体の発現量を測るのに対し、CAGEやRAMPAGEはプロモーター活性や代替プロモーター利用の解析に向いています。
これらの手法は、転写開始点アノテーション、プロモーター活性解析、エンハンサーRNA解析、細胞種特異的プロモーター利用の解析などに利用されます。

nascent RNA-seq / GRO-seq / PRO-seq

nascent RNA-seqは、すでに蓄積した成熟RNAではなく新しく合成されているRNA、すなわち新生RNAを測定する手法群です。
代表例としてGRO-seqやPRO-seqがあります。
通常のRNA-seqでは、RNAの安定性や分解速度の影響も含めて発現量が観察されます。
一方、nascent RNA-seqでは、進行中の転写活動をより直接的に捉えることができます。
nascent RNA-seqは、転写活性、RNA polymeraseの進行、転写伸長制御、エンハンサー活性、転写バーストなどの解析に有用です。

CLIP-seq / eCLIP

CLIP-seqやeCLIPは、RNAの量を測る手法ではなく、RNA結合タンパク質がどのRNA領域に結合しているかを調べる手法です。
RNAとタンパク質を架橋し、特定のRNA結合タンパク質を免疫沈降した後、結合していたRNA断片をシーケンスします。
CLIP-seqやeCLIPは、スプライシング制御、RNA安定性、RNA局在、翻訳制御、RNA結合タンパク質の標的RNA同定に利用されます。
発現量解析と組み合わせることで、RNA結合タンパク質が転写後制御に与える影響を評価できます。

メタトランスクリプトーム解析

メタトランスクリプトーム解析は、腸内細菌叢、土壌、海洋、感染症検体など、複数の生物種が混在するサンプル中のRNAを解析する手法です。
メタゲノム解析が「どの微生物がいて、どのような遺伝子を持つか」を調べるのに対し、メタトランスクリプトーム解析は「どの微生物群が、どの遺伝子を実際に発現しているか」を調べます。
メタトランスクリプトーム解析では、微生物群集の機能活性、宿主–微生物相互作用、環境応答、感染応答、代謝経路の活性などを評価できます。

目的別に見るトランスクリプトーム解析手法の選び方

研究目的によって、適した手法は異なります。