J. Mass Spectrom. Soc. Jpn.

Vol. 50, No. 3, 2002

REVIEW

複雑系研究手法としての PROTEOMICS とパῌスのアブダクション ῍仮説形成推理῎Proteomics as a Tool for Studying Complex Systems andthe Abductive Inference of C. S. Peirce
松本博行῍a)῎黒野 定a)῎小森直香a)
Hiroyuki M6IHJBDID, Sadamu KJGDCD, and Naoka KDBDG>(Received March 11, 2002; Accepted March 25, 2002)

A proteomics approach to the study of protein expression and post-translational modiﬁcation does not
require presumptions of the identity of target proteins. A proteomic investigation begins with the discovery ofunidentiﬁed proteins of interest under well-deﬁned physiological conditions. The approach involves 1) protein
display by two-dimensional gel electrophoresis or other separation technique, 2) determination of protein
entities, 3) peptide mass ﬁngerprinting, and 4) genome/proteome database search. We show that the methodology of the proteomics approach is characterized neither by deduction nor by induction in the traditional sense,
but is a clear example of what C. S. Peirce described as abductive inference almost a century ago. The
investigation of complex signaling pathways is intractable to deductive and inductive methods due to its extreme
complexity. We show two cases of the proteomics approach as applied to the visual systems of the fruit ﬂy
Drosophila melanogaster, and rodents. These examples illustrate the role of abductive inference in proteomics, adiscipline at the forefront of current studies in molecular biology.

Et ignotas animum dimittit in artes.

ことで生命を理解することができるだろうか῏ 今世紀ῌῌOvid, Metamorphoses, VIII, 188

あるいはこの千年紀の始まりをῌ 種ῐの知識体系と技術の而して彼は未知なる技術に身をゆだねしを῍

充実をもとに生命の理解をより深く統合的に行う第一歩となすことができるだろうか῏

オヴィッド 変身譚 VIII, 188

ヒトのゲノムの草稿達成に見られる将来への楽観論とは裏腹にῌ 一方ではῌ これまでの要素還元主義的アプロῑチ

1. は じ め にでは生命現象の究極的な理解はほど遠いだろうという悲観

過去 20 年間における医学生物学の歴史を見るとῌ 種ῐ

論も説得力がある῍ 生物現象の基本的な特徴はῌ 生体内での分野における技術が急速に発展しῌ それから得られた膨働いている仕組みが非線形でῌ しかも仕組みを担っている

大な知識の集積を多面的な方向から解析できる状況を導い分子の種類 ῒすなわち考慮すべき変数ΐ が多いことであろたことが特徴であるように思える῍ 昨年 ῒ2001 年ΐ の 2 月

う῍ 生物系研究の根底に潜むこのような困難はῌ 生物学的中旬に発表されたヒトのゲノムの草稿はῌ 現代の医学生物

多変数系をῌ 要素還元論的なアプロῑチではなく ῒあるい学を象徴する出来事の一つと見ることもできよう῍ この時はῌ 要素還元論的なアプロῑチに加えてと表現する方が妥期のもう一つの特徴としてῌ 種ῐの技術ῌ 特に分子生物学

当であろうかΐῌ むしろ経験主義的に取り扱う新しい方法の手法が一般化しῌ 誰でもその有効性の恩恵にあずかるこ

論への必要性を生ずる῍ このような状況のもとῌ 現代の質とができるようになった῍ 医学や生物学に関連するあらゆ

量分析学 (modern mass spectrometry) はῌ 次の第一歩をる分野で学術雑誌の数とそれに掲載される論文の数が爆発担う鍵であるように思われる῍ この小論は proteomics が的に増加したことにはῌ このことが多少影響しているよう

複雑系を研究する方法として優れていることを示す例としだ῍ しかしながらῌ 果たして生物を総体的な対象として理てῌ ショウジョウバエの視覚に関与するタンパク質のリン解するという医学生物学研究の究極の目的の達成はῌ 20

酸化のカスケῑドとῌ ネズミ網膜のタンパク質の生合成に年前に比べてより間近になっただろうか῏ 現在の生化学

種ῐのストレスがどう影響するかという研究を例として説分子生物学研究の主流をなす要素還元的論理を推し進める明する῍ さらにῌ proteomics を支える論理が通常行われている 2 種類の論理である演繹法 (deduction) でも帰納法

῍a) オクラホマ大学医学部生化学分子生物学科
Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of Oklahoma Health Sciences Center (P.O. Box 26901,
Oklahoma City, OK 73190, U.S.A.)(induction) でもありえずῌ むしろ前世紀の初頭にアメリカの経験主義哲学者パῑスが提案したアブダクション
ῒabduction; 仮説形成推理ΐ にあたることを示す῍ この小ῌ 116 ῌProteomics as a Tool for Studying Complex Systems and the Abductive Inference of C. S. Peirce

Fig. 1.

All proteins can be represented by their speciﬁc peptide mass ﬁngerprints. A case of bovine interphotoreceptor
retinoid-binding protein (IRBP) is illustrated as an example. A protease trypsin digests the carboxyl termini ofboth arginine (R) and lysine (K).

論はῌ 2001 年 7 月に賢島で行われた第 28 回 BMS Con-

ミノ酸配列をもっている事実に基づく῍ あるタンパク質

ference で発表した講演に加筆したものである῍

をῌ アミノ酸配列に特異的に依存した活性を示すエンドぺ
プチダῐゼ ῒ例えばトリプシンやキモトリプシンなどΐ で

2. ペプチドマスフィンガῌプリント

消化するとῌ 種῏の質量をもつペプチドの混合物が得られ(Peptide Mass Fingerprinting)る῍ この混合物を構成するペプチドの質量はῌ 元のタンパ

遺伝子のシῐクエンスのデῐタベῐスをもとにῌ 質量分

ク質に特有な値をもちῌ いわば指紋 ῒフィンガῐプリントΐ

析法を使ってタンパク質を同定する方法はῌ 1990 年代のとも言いうる῍ ペプチドフィンガῐプリントの基礎をなす

初めにいくつかのグルῐプによって開発された1)ῑ5)῍ これ

もう一つの要素はῌ 1990 年の初頭から開始されῌ 前世紀

はῌ ペプチドやタンパク質などの揮発性でない分子を効率

末から今世紀初頭にかけて完成されつつあるゲノムデῐタ

よくイオン化することができる ESI (electrospray ioniza-

ベῐスである῍ ここでῌ ゲノムデῐタベῐスの有効性を支tion) と MALDI (matrix-assisted laser desorption/ion-

える技術として過去数年に起こったマイクロコンピュῐization) の 2 種類の方法が 1980 年代の末に開発されたこ

タῐとインタῐネットの発達を無視できない῍ Fig. 1 はῌとと関連している῍ その後種῏の改良がなされῌ 特にペプペプチドマスフィンガῐプリントの原理を直感的に表してチドマスフィンガῐプリントと 2 次元ゲルとの組合せはῌ

いる῍ 図で矢印 a は実験を示しておりῌ 下部のマススペク

複雑なタンパク質混合物の分析に強力な武器であることがトルが得られたペプチドマスフィンガῐプリントである῍

示された῍ 1990 年代の半ばから後半にかけてῌ 遺伝子

その逆方向の矢印 b によって示される過程ῌ すなわち元のシῐクエンスのデῐタベῐスが充実するに伴いῌ この新しタンパク質の素性を知ろうという試みはいかなる科学的ない方法の有効性が認識され始めῌ proteome と proteomics

問題を含んでいるか῎ ここで忘れてはならないことはῌ

という新しい言葉が考案された῍ この分野の急速な発展は第一にῌ 一般にすべての理論的なペプチドフラグメント

過去数年に起こった῍ このあたりの事情を把握するために(peptide fragments deduced from in silico digestion) がはῌ 文献 6ῑ10 に掲げた総説を参照していただきたい῍ ま

すべて観測されることはまずないであろうことである῍ ペ

たῌ 筆者のグルῐプから発表されたプロテオミックスの視

プチドフィンガῐプリントが元のタンパク質の全シῐクエ

覚研究への応用例も具体的な参考になると思い掲げておンスをカバῐしないのはῌ 多くの原因が考えられるが15)ῌ

11)ῑ14)く῍

このことに関して体系的な研究はあまりなされていないよペプチドマスフィンガῐプリントの原理はῌ すべてのタうに思われる῍ 例えばῌ 不完全消化ῌ 消化後の抽出の不完

ンパク質は対応する遺伝子によって規定される一義的なア

全さなどのῌ より注意深い実験によって改良可能なものかῌ 117 ῌ

H. Matsumoto, S. Kurono, and N. Komoriら タンパク質の翻訳後修飾 (post-translational modiﬁ-の上の白い豆は その袋から取り出されたものと推論する

cation) やある特定のペプチドがたまたま極端に低いイオだろう このような推論は仮説形成 (making a hypothe-

ン化効率を示すことによるなどの 改良が簡単でない原因

sis) と呼ぶことができよう

が混合しており 真の原因を特定するのは ほぼ不可能にパスは このような推論をアブダクション (abduc-近い 第二に 質量測定の実験誤差の問題がある 現在のtion) と呼んだ エコはさらに 次のような例を挙げて説

MALDI-TOF MS (matrix-assisted laser desorption/ion-

明する

ization time-of-ﬂight mass spectrometry) が比較的簡単

In the case of logical deduction there is rule fromにユニットマス (1 Dalton) 程度の精度を出せることは

which, given a case, I deduce a result: All the beans

10 年前の常識に照らすと脅威的なことである しかしなfrom this bag are whiteῌThese beans are from thisがら 1 ユニットマス程度の精度では 測定された質量か

bagῌThese beans are white.

らそのペプチドを一義的に類推したり ましてや証明した

In the case of induction, given a case and a result,

りすることは難しい これは 別の言葉で言えば 理論的

I infer a rule: These beans are from this bagῌThese

ペプチドマスのある実験精度下における縮退 (degenera-

beans are whiteῌAll the beans from this bag aretion) と言えよう どれほどの精度があれば 正確なペプチ

white (probably).

ドの確認が 1 回の質量測定だけでできるかどうかという

In the case of hypothesis or abduction there is the

問題は 質量測定の精度 ゲノム情報の完成度 さらに翻inference of a case from a rule and a result: All the

訳後修飾の考察を必要とする複雑な過程であり ここではbeans from this bag are whiteῌThese beans are

議論しない 第三の問題は 第一と第二で述べた状況が現

whiteῌThese beans are from this bag (probably).

実であるがために 現在の段階ではペプチドマスフィン

ῌUmberto Eco, “A Theory of Semiotics” 17)ガプリントによるデタは予想されるタンパク質がそれでは 本論に戻り ペプチドマスフィンガプリントのであるための必要条件ではあるが 十分条件ではないとい論理を検討しよう ペプチドマスフィンガプリントは次う事実である すなわち あるタンパク質が確かに予想さの三つの命題からなる
(1) 遺伝子 X は翻訳され タンパク質 Y を産生し タ

れた候補であるためにはペプチドマスフィンガプリント
が合うことが必須であるが その逆は必ずしも真ではな

ンパク質 Y は ( y 1, y 2, y 3, () からなるペプチドマス

い すなわち ペプチドマスフィンガプリントは必ずしフィンガプリントを生ずる

も絶対的な証明を提供しない このことは パスの仮説(2) タンパク質 A の消化物は ( y1, y2, y3, () なるペプ

形成推理と関連して次の章で説明する

チドフィンガプリントを与える
(3) タンパク質 A は 遺伝子 X にコドされている

3. パῌスの仮説形成推理 (Abduction)演繹法 (deduction) の構造は以下のように示すことがで

ここでパスに関して少し述べておく 広辞苑第五版

きよう新村書店 はパスに関して次のような解説をしている

Rule: 遺伝子 X は翻訳され タンパク質 Y を産生しパス Charles Sanders Peirce (18391914) アメリ

タンパク質 Y は ( y1, y2, y3, () からなるペプチド

カの哲学者 プラグマティズムの創始者 ある対象についマスフィンガプリントを生ずる

て考えるときは それの概念によって考えられる実践的可Case: タンパク質 A は 遺伝子 X にコドされている

感的効果を確認すればよいと考え これをプラグマティズ

Result: タンパク質 A の消化物は ( y1, y2, y3, () なるムの確率とした 思考作用を記号活動に還元し 統辞論や意味論の先駆けとなった

ペプチドフィンガプリントを与える
演繹法による議論は常に真である
これに対して 帰納法 (induction) は以下のような構造

自然科学は事実と論理に基づく議論 (argument) によって進歩する 一般的に 事実と論理に基づく議論は 演繹をもつ

法 (deduction) か 帰 納 法 (induction) の い ず れ か に 属 す

Case: タンパク質 A は 遺伝子 X にコドされているる16) アメリカが生んだ偉大な哲学者パスは プラグマ

Result: タンパク質 A の消化物は ( y1, y2, y3, () なるテ ィ ズ ム の 創 始 者 で あ り ソ シ ュ  ル (Ferdinand deペプチドフィンガプリントを与える

Saussure) とともに近代記号論 (Semiotics) の源流をな

Rule: 遺伝子 X は翻訳され タンパク質 A を産生しす ウンベルト エコ (Umberto Eco) は deduction,

タンパク質 A は ( y1, y2, y3, () からなるペプチド

induction, そして abduction の関係を以下に示すように

マスフィンガプリントを生ずる

簡明に説明している17)

このケスはたまたま真であるが このような帰納法に

もし私が部屋に入っていき そこで違った種類の豆がよる規則の一般化が常に真であるとは限らない入っている幾つかの袋を見つけるとする テブルの上に

ではアブダクション (abduction) ではどうであろうか

は片手に余るほどの白い豆がのっている そして 少しのRule: 遺伝子 X は翻訳され タンパク質 Y を産生し間探査した後 その袋のうちの一つは白い豆だけしか入っ

タンパク質 Y は ( y1, y2, y3, () からなるペプチドていないことを見つけるとする 私は すぐに テブル

マスフィンガプリントを生ずるῌ 118 ῌProteomics as a Tool for Studying Complex Systems and the Abductive Inference of C. S. Peirce

Result: タンパク質 A の消化物は ( y1, y2, y3, () なる

ペプチドフィンガプリントを与える

5. キイロショウジョウバエ (Drosophila melanogaster)の視細胞中で起こるタンパク質のリン酸化

Case: タンパク質 A は 遺伝子 X にコドされている

前例に挙げた豆のケスと非常によく対応していることが次に 筆者らのグルプで過去 20 年間興味をもって研わかる すなわち タンパク質 A は 遺伝子 X にコド

究を続けてきたキイロショウジョウバエ 以下単にハエとされている という結論は 仮説 (hypothesis) にあたる

呼ぶ の複眼視細胞中で光刺激によって誘起されるタンパ

すなわち アブダクションが仮説形成推理と呼ばれるゆえ

ク質のリン酸化のカスケドを例に挙げ ペプチドマスんである

フィンガプリントの有効性を示したい ハエを暗順応させ 二つのグルプに分ける 一つのグルプはそのまま

4. ペプチドマスフィンガῌプリントの結果

暗黒中で液体窒素処理し さらにアセトン中で組織を脱水得られる仮説はいかに証明されるかさせる 他のグルプには光を照射することによって明順

前章で導かれた結論は 第 2 章で簡単に述べた ペプチ

応させた後 同じように低温化 ( 20 ) アセトン中で脱水

ドマスフィンガプリントは 必要条件ではあるが 十分させる アセトンを蒸発させた後に顕微解剖によって非常条件ではない という命題とよく呼応する では 実際ペにきれいな複眼試料が得られることが藤田ら19) によってプチドマスフィンガプリントで得られた結果をどうすれ報告されている 顕微解剖は常温で行われるが 組織は脱ば完全に証明できるだろうか ここで 二つの大きな考

水状態にあるので 生化学反応は阻害されている 暗順応

え方の差異が生ずるように思われる 第一の立場は 質量と明順応の 2 種類の複眼からタンパク質を抽出し 2 次元

分析学の正統的な方法で解決しようとするもので 例え

電気泳動にかけることによって 視細胞に特異的で発現量ば 選択されたイオンの MS/MS 分析でペプチドの構造をの多い 3 種類のタンパク質が光刺激によってリン酸化さ直接に証明しようというものである このような方法はれることを発見した20) 22) リン酸化は 2 次元ゲル上でスhorizontal approach とも呼ぶべきもので 質量分析学のポットが酸性方向へ 0.2

いわば正統派的な常套手段であろう 他の立場は 何かそ

よって予測されのペプチドに特異的な特色 例えばリン酸化されたアミノ

れた これらのタンパク質はその SDS῍PAGE 上での見か酸残基からリン酸基を酵素的に消化することで起こる質量

けの分子量によってそれぞれ 39 K, 49 K, そして 80 Kの減少や Tyr 残基や His 残基がヨド化されることによタンパク質と命名された 1990 年前後に 筆者らグル

る質量の増加を確認することによって仮説を確かめる方法

プ23), 24) と他のグルプの研究25), 26) によって 39K タンパ

で orthogonal approach とも呼ぶことができよう  あ

ク質と 49K タンパク質はそれぞれアレスチンのホモログ

るいは 質量分析とは全く違った方法 例えば消化ペプチであることが明らかにされた アレスチンは G タンパクドを単離したあと直接エドマン分解でペプチドシクエン

質とカップルしたレセプタ (G protein-coupled recep-

18)

32

0.3 pH 単位移動することにP-リン酸の取り込みによって確かめらスを決める方法 または より生化学的な考え方の例とし

tor; seven-transmembrane-spanning receptor) がアゴニては 抗体でタンパク質を染めることによる証明もありう

ストによって活性化され そのカルボキシル末端にあるる ここで どの程度までの証拠をそろえれば十分かとい

Ser と Thr 残基がレセプタリン酸化酵素 (G protein re-

う疑問に対する答えを単純に与えることは難しい 例え

ceptor kinase) によってリン酸化されると そのレセプ

ば タンデムマススペクトロメトリ (MS/MS) で何個のタに親和性を示し結合する その結合の結果 レセプ

イオンの構造を証明すれば完璧かという基準を一般的に決タシグナルは緩和される すなわち アレスチンは順応

めるのは難しいだろう それは 一つには すべての理論(adaptation) 過程に働く阻害性のファクタである 筆者

から予想されるペプチドを観測することは ほぼ不可能にらのグルプは この二つのリン酸化されたアレスチン様近いこと またある場合には 遺伝子がキメラ構造をもっタンパク質をそれぞれ phosrestin I (PRI; 49K) と phos-ていて頭と尻尾で違った遺伝子から由来したシクエンス

restin II (PRII; 39K) と命名した PRI, PRII はそれぞれからなり少数個のイオン構造の証明だけでは足りないこと

arrestin B, arrestin A と呼ばれてもいる その後の突然変もあろう このような極端な例をも含めて一般的に完全な異株やトランスジェニック株を用いた研究により PRI

証明の判定基準を決めることは困難なように思われる

(arrestin B) は視細胞が光刺激を受けた後の明順応過程

しかしながら 実際には ペプチドマスフィンガプリ(light adaptation) に関与していることが示された PRII

ントで得られる結果は 将来の実験を企画するための仮説(arrestin A) の生理的機能はいまだにはっきり理解されてを与えるという性質上 一度立てられた仮説は 常に検証いないされる状況におかれなければならないし また実際常に検さらに 筆者らのグルプの研究によると PRI は視細証される状況におかれるだろう そして もしその仮説が胞が光刺激を受けるやいなや非常に短時間の間に  500

間違っていれば どこかでつじつまの合わない実験結果にミリ秒以内 リン酸化されることが観察される27) その後遭遇することから 間違いを避けることができよう この

80K たんぱく質のリン酸化が続き 2

3 秒以内 さらにような状況は パスが約 100 年程前に提唱したプラグマ

PRII (arrestin A) のリン酸化が 10 秒程度の時間スケ

ティズムの方法論とよく呼応することに注目したいルで起こる 筆者らはこれらのリン酸化 特に視細胞内で
ῌ 119 ῌ

H. Matsumoto, S. Kurono, and N. Komori

Fig. 2.

Protein phosphorylation cascades induced by light stimulus in the photoreceptor cells of Drosophila melanogaster.
Photoreceptor excitation induces phosphorylation of at least three classes of photoreceptor-speciﬁc proteins
within several seconds in vivo. Among them, the ﬁrst phosphorylation takes place at the Ser366 of phosrestin I(PRI) by calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) that is triggered by the increase of
intracellular calcium.27), 28) It is unknown which kinases are responsible for the phosphorylation of INAD (80K)
and phosrestin II (PRII). The name of the gene encoding the protein is shown in a parenthesis. Hypothetical rolesof protein phosphorylation are described in a box.

最初に起こる PRI のリン酸化がどの種類のリン酸化酵素

た῍ῒ 他の研究グルῐプの過去数年の報告によりῌ INAD はによっているかを研究した῍ 最初にῌ 生化学の常套手段でPDZ タンパク質ファミリῐに属しῌ その基本的な生理的あるリン酸化酵素の精製を行いῌ さらに PRI のトランケῐ

役割は sca#olding ῑ足場作り῏ 他のタンパク質と結合し機ションや予想したリン酸化部位を代表する合成ペプチドを能を完成させることῒ にあるとされている῍ INAD は具体

基質に使いῌ PRI の Ser-366 がリン酸化部位でῌ しかもカ的にはῌ 視細胞シグナル変換機構 (visual transduction)

ルシウム῎カルモデュリン依存性キナῐゼ II(CaMKII) がに関与しているタンパク質ῌ すなわちイオンチャンネル

PRI をリン酸化していると結論した27), 28)῍ ここでῌ 筆者ら

trp, エフェクタῐ PLC (phospholipase C), そしてプロテが直面したのはῌ 本当に Ser-366 が生きた視細胞中でリンインキナῐゼ PKC を複合体として保つ足場として働いて酸化されているのかという素朴であるが重要な疑問であっいるらしい31)῍ このような状況のもとでῌ 光刺激によってた῍ このような in vivo でのリン酸化部位の決定῎確認は誘起される INAD ῑ80K タンパク質ῒ の可逆的リン酸化

非常に難しい῍ このことを達成するためにῌ 筆者らはῌ 1)

がῌ シグナル変換機構の調節を担っていることは想像する

in vivo でリン酸化された PRI の 2 次元ゲルによる分離ῌ

にかたくない῍ これまでの筆者らのグルῐプの非力な研究

2) 2 次元ゲルスポットの in-gel digestion, そして 3) mic-でわかったことと他のグルῐプの報告を基に仮説῎疑問をrobore HPLC と ESI-triple quadrupole mass spectrome-も含めてまとめたのが Fig. 2 である῍ 筆者らがここで強調

ter によるオンライン分析システムを開発しῌ Ser-366 をしたいのはῌ ペプチドマスフィンガῐプリントが ῑハエゲ

含むトリプシン消化ペプチドのリン酸化型を確認した ῍

ノムの情報が入手できたがゆえにῒ 筆者らの研究の中でこのようなῌ 2 次元ゲル῎ゲル内消化῎オンライン HPLC-

80K タンパク質の素性を明らかにしῌ 他の方法とは比較に

27)

ESIMS によるリン酸化ペプチドの確認は筆者らの報告がならないほどプロジェクトの発展に役立ったという事実で世界で初めてであると思う῍ このような背景を下に 80Kある῍ 筆者らはῌ これまでに最初のリン酸化過程の観察後タンパク質の素性は果たして何だろうかという疑問が残20 年を費やしたからῌ Eliot34) によればῌ “Twenty years

る῍ もし 80K タンパク質をコῐドしているハエの遺伝子

largely wasted” とも言えよう῍ もちろんペプチドマス

がすでにゲノムデῐタベῐスに登録されているならばῌ ペ

フィンガῐプリントは 20 年前にはなかったのであるが῍

プチドマスフィンガῐプリントが 80K 遺伝子の発見に役

6. 網膜のプロテオミックスとストレスで立つだろう῍ 筆者らはῌ ほぼ 20 年前に展開し乾燥保存さ誘導されるタンパク質合成れていた 2 次元ゲルでもペプチドマスフィンガῐプリン
トの試料を提供することを観察した29)῍ さらにῌ 過去に調次に挙げる例はῌ 前章で挙げた例と趣きを少し異にす製した 2 次元ゲルから 80K タンパク質を切り取ってペプる῍ なぜかと言うとῌ 今度はリン酸化タンパク質の素性はチドフィンガῐプリントすることによりῌ 80K タンパク質

何かという単純なあて物式の疑問ではなくῌ もっと生命のは inaD 遺伝子の産物 ῑ以下 INAD と呼ぶῒ であることを背後に潜む複雑な信号処理の仕組みを彷彿させるかのよう確認した30)῍ ῑさらにῌ 80K タンパク質消化後のペプチドな例であるからだ῍ 網膜は視覚の初期過程を担う光受容細の数個をエドマン分解することにより INAD を確認し胞である視細胞 (photoreceptor cell) が含まれている組織

ῌ 120 ῌProteomics as a Tool for Studying Complex Systems and the Abductive Inference of C. S. Peirce

Fig. 3.

Neonatal rats reared under bright light conditions develop resistance of photoreceptor cells toward light-damage.

Fig. 4.

Two-dimensional gel analyses of retinal proteins of rats reared under di#erent light conditions.

である῍ それゆえ視細胞が何らかの病理的原因で死に至る

光による視細胞の変性過程に大きい差異を示すことを観察と眼が見えなくなるのは言うまでもない῍ 視細胞死の原因

した35)῍ すなわちῌ ネズミを明るい条件下 ῏800 ルックスῐ

にはῌ 遺伝病理的要因とともにῌ 特に遺伝学的異常がないで飼育した場合と薄暗い条件下 ῏5 ルックスῐ で飼育した

場合でも近紫外線照射などによる生理的要因が視細胞に損場合とではῌ 前者の方が後者に比べて青色光や極端に強度傷を与え死に至らしめることもある῍ したがってῌ 視細胞が強い光 ῏たとえば 2,000 ルックスῐ に対する抵抗性がでの生存と死のメカニズムを理解することは眼科学の重要なきる (Fig. 3)῍ このように同一な遺伝的背景をもつ動物がῌ

課題の一つであろう῍ 以下に筆者らが最近経験したῌ 視細後天的な因子の違いによって異なる表現型を示すモデル

胞死のメカニズムの複雑さを垣間見るような例を示そう῍はῌ プロテオミックス研究の格好な材料とも言える῍ それ

例 1. 後天的因子による視細胞変性の予防効果

はῌ 遺伝子型の違いがもたらす効果を心配しなくてよいか

近紫外線 ῏青色光ῐ による網膜の変性症は約 20 年ほど

らである῍ これらの 2 種類のネズミの網膜のタンパク質を前にネズミを使って報告されῌ その後ῌ 視細胞死の動物モ抽出し 2 次元ゲルで分析するとῌ Fig. 4 に示されるようにデルとしてよく使われてきた῍ 約 10 年ほど前にῌ Ander-

顕著な違いが観察された῍ 特に Fig. 4 で円で囲んである中

son のグル῎プはῌ ネズミの発育条件の違いによって青色性付近の低分子量のタンパク質に注目されたい῍ 明らかにῌ 121 ῌ

H. Matsumoto, S. Kurono, and N. Komori

Fig. 5.

MALDI-TOF spectrum of the two-dimensional gel spot that was up-regulated by bright-light conditioning. The
spot shown by the arrow in Fig. 4 was digested by trypsin and the MALDI-TOF spectrum of the digest wasmeasured (lower). The upper ﬁgure illustrate the post source decay (PSD) spectrum of the m/z῕1007.76 peak,indicating that the protein is likely to be aA-crystalline.

これらのタンパク質はῌ 明るい条件下で育てた動物の網膜果が弱められる῍ このようなアポプトῐシスが抑制されたにより多く発現されている῍ これらのタンパク質をペプチ

状況下でῌ 網膜中のタンパク質の発現にどのような変化がドマスフィンガῐプリントにかけるとῌ ほとんどすべての見られるかを調べた結果が Fig. 7 に示されている῍ 図に示ものがクリスタリンに属するものであることが判明した῍

されるように bcl-2 発現ハツカネズミではῌ 網膜中に少な

そのうちの矢印で示されている一つは A-crystalline であくとも 5 本のバンドが SDS῍PAGE 上で観測できた῍ 一番

る῍ このことはῌ ペプチドフィンガῐプリントのピῐクを多く発現されているバンド (Band 1) をペプチドマスフィ

PSD (post source decay) で確かめたこと (Fig. 5) とῌ 網膜

ンガῐプリントにかけることによって Band 1 は aA-

切片の免疫染色で視細胞に (A-crystalline が存在すること

crystalline であることがわかった37)῍

が裏づけている36)῍ クリスタリンはレンズ ΐ硝子体῔ 細胞

上の二つの例を総合すると如何なる推論が可能であろう

中の構造タンパク質であるというのが常識的な考えであるか῏ 例 1 と例 2 の結果をまとめると Fig. 6 のようにながῌ 果たして何が起こっているのだろうか῏ ここでクリろうか῍ 要点はῌ 1) 明るい条件下で育てる操作とアポプ

スタリンが網膜中に誘導発現されるもう一つの例を示す῍トῐシスを阻害する操作が共に視細胞死に対する抵抗性を

例 2. アポプトῌシス阻害因子 bcl-2 が強制発現される与えることとῌ 2) 異なる原因によって抵抗性を獲得した 2ことによって起こす効果

種類の網膜中に同一のタンパク質 aA-crystalline が大量

細胞死が予定されたもの ΐアポプトῐシス῎ apoptosis῔

に発現されていることがῌ 同時に起こったという事実であと外的原因によるもの ΐネクロῐシス῎ necrosis῔ の二つる῍ aA-crystalline が発現されることの意味は何であろうに分類できることは周知の事実であるがῌ アポプトῐシスか῏ このことはῌ インタῐネットを使って文献サῐチをを阻害する因子の一つとして bcl-2 が知られている (Fig.

するとῌ a-crystalline ファミリῐのタンパク質が ῑ低分子6)῍ bcl-2 はアポプトῐシス阻害因子であるからῌ 遺伝子操ストレスタンパク質ῒ (small stress protein) グルῐプに属作されたハツカネズミ (transgenic mouse) の視細胞中にしῌ 細胞が何らかの危機的状態に置かれたときにそれに抵

bcl-2 を強制発現させるとῌ 視細胞が細胞死を起こさせる

抗する因子として分類されていることから憶測できよう῍

何らかの状況下で死に対する抵抗性を示すことが予想でき

ここで新しくわかったことはῌ アポプトῐシスとストレスる῍ 確かにῌ bcl-2 を発現させたハツカネズミではῌ SV40との何らかの連関である῍ このことはῌ 従来の研究方法での T-antigen を同時発現させたときに見られる毒性の効はむしろ気がつきにくいことであろう῍ それはなぜかと言ῌ 122 ῌProteomics as a Tool for Studying Complex Systems and the Abductive Inference of C. S. Peirce

Fig. 6.

The apoptotic pathway and the stress-signaling pathway appear to be interacting each other in rat retinal cells.

Fig. 7.

Over-expression of the bcl-2 protein in photoreceptor cells up-regulates at least 5 proteins revealed by SDS῍PAGE;
Fo9083, bcl-2 over-expressed mouse retina; NT, non-transgenic control. Peptide mass ﬁngerprinting of Band 1
revealed its identity as aA-crystalline.37)

うとῌ 第一にῌ 見かけがかなり違って見える系を観測すると見なしうるだろう῍ この異なる背景をもつ二つの実験系

ことがあまりにも非生産的に見えるのでῌ あまりなされるで 得 ら れ た 結 果 (Result) はῌ ス ト レ ス タ ン パ ク 質 a-

機会が少ないだろうこととῌ 第二にῌ 抽出されたタンパク

crystalline の過剰産生である῍ これらの命題から導かれ質をすべて比べて同定する方法論が今までなかったことにる Case はῌ 二つの異なる ῏と思われているῐ 細胞生理学的よる῍

信号変換機構 (cellular signal transduction pathways) は

ここでこれらの結果をパ῎スのアブダクションに照らし

どこかで相互作用 (interaction or cross-talk) しているらて解釈してみよう῍ 二つの独立な外的因子 ῏800 ルックス

しいということである῍ これらの考察をまとめると次のよ

下で飼育することと bcl-2 を過剰発現させることῐ が視細うになろうか῍胞の変性に対する抵抗性を与える二つの例は動かしがたい

Rule: 800 ルックス下での飼育あるいは bcl-2 の過剰生事実である῍ 実験の再現性を信ずる限りῌ この事実は Rule

産が視細胞の変性に対する抵抗性を与える῍ῌ 123 ῌ

H. Matsumoto, S. Kurono, and N. Komori

7)

Result: 800 ルックス下での飼育あるいは bcl-2 の過剰生産のいずれの場合にもストレスタンパク質a-crystalline の過剰産生が起こっている῍

8)Case: 二つの異なる細胞生理学的信号変換機構 ῑ800

ルックス下での飼育がもたらすストレスと bcl-2

9)がもたらすアポプトῐシスの阻害ῒ がῌ どこかで相互作用しているらしい ῑパῐスの言うアブダク
ションあるいは仮説の形成ῒ῍
7. 結

10)
11)

語

12)

この小論ではῌ プロテオミックスに起用される論理構造がῌ 演繹でも帰納でもなくῌ むしろ前世紀の初頭にプラグ13)

マティズムの創始者パῐスが提唱したアブダクション ῑ仮14)

説形成推理ῒ であることを示した῍ さらにῌ アブダクショ
ンの条理はῌ プロテオミックスを多重的に支配するように見える῍ 例えばῌ この小論ではῌ プロテオミックスの第一

15)
16)

次操作であるペプチドフィンガῐプリントがアブダクショ
ンによることῌ さらにῌ ペプチドフィンガῐプリントを網膜のタンパク質発現に適用した例がῌ やはりアブダクショ

17)
18)

ン過程と呼ぶにふさわしいことを示した῍ アブダクションの特徴はῌ 伝統的な還元論的生物学と異なりῌ 仮説を基に

19)

実験系を組み立てないことである῍ なぜならばῌ アブダク

20)

ションはῌ むしろ観察や実験の結果に基づき仮説を形成する過程であるからだ῍ 半世紀の還元主義的な立場の下に発展した分子生物学の産物であるプロテオミックスがなぜこ

21)
22)

こに至ってῌ 仮説から出発する伝統的な立場をにわかに捨て去ろうとしているのだろうか῏ ここにトῐマス῎クῐ
ン (Thomas S. Kuhn) の言うパラダイムシフト38) が起こ

23)

りつつあるのだろうか῏ もしそうであるならばῌ このパ
ラダイムシフトに質量分析学が果たす役割は大きいと思24)

う῍ この意味でῌ 分子医学生物学の将来がῌ 質量分析学に25)とって実りの多い時代となることを期待したい῍

26)

謝

辞

こ の 研 究 は NIH グ ラ ン ト EY 06595, EY

13877, EY12191, RR15564, ならびに Presbyterian Foun-

27)

dation Grant によって行われた῍ 筆者らは松本昌臣と田中 聡医学博士からの議論と黒野民恵の原稿作成における補助に感謝する῍

28)

文
1)

2)
3)
4)
5)
6)

献

29)

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30)

31)
32)
33)
34)

35)
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38)

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Keywords: Proteomics, 2-D gel, Photoreceptor cells, Peptide
mass Fingerprinting, Abduction

ῌ 125 ῌ