8月10日:社会性をセロトニンで回復させる(Natureオンライン版掲載論文)
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8月10日:社会性をセロトニンで回復させる(Natureオンライン版掲載論文)

2018年8月10日
我が国では自閉症の症状改善にオキシトシンが効かないか調べる臨床治験が盛んに行われ、報道によると多くの結果はポジティブなようだ。このオキシトシンは側座核(NAc)と呼ばれる脳の奥の方にある領域のセロトニン分泌神経に働いて作用すると考えられている。ただ、詳しい脳回路の研究は人間で行うわけには行かず、たかだかオキシトシン投与による脳イメージング検査の変化を症状の変化と対応させるしかない。従って、そのギャップをマウスモデルを使って埋める必要がある。

今日紹介するスタンフォード大学からの論文はマウスの脳を操作する光遺伝学を駆使してマウスの社会性とセロトニンの関係を調べた研究でNatureオンライン版に掲載された。タイトルは「5-HT release in nucleus accumbens rescues social deficits in mouse autism model(則座核でのセロトニン分泌はマウス自閉症モデルの社会性の欠如を回復させる)」だ。

この研究では自閉症の人で見られる16番染色体の一部の欠損に対応するマウスモデルを用いて、このマウスが示す社会性の欠乏を治す回路を明らかにすることが目的になっている。このタイプの自閉症では、社会活動時のNAcへセロトニン神経の端末を送っている縫線核(DR)のセロトニン活性が落ちていることが知られており、これを正常化することで社会性を回復させることがより具体的なこの研究の目標になる。

研究ではまず、NAcとDRをつなぐセロトニン神経回路が社会性を支配しているか調べている。方法は、DRのセロトニン神経に光で興奮させるチャンネルロドプシンを発現させ、この刺激によりセロトニンがNAcで分泌されると社会性が高まるかを調べている。例えば、DR領域に光を当てても、またNAcに来ているDRからのセロトニン神経端末に光を当てても、同じように社会性が高まることから、DRからNAcへ伸びるセロトニンニューロンであることが確認される。もちろん、光遺伝学的にこの神経結合を阻害する実験も行い、社会性が低下することを確認している。

次は16p11欠損を再現した自閉症モデルでこの回路を調べている。この研究では生まれてからこの領域を欠損させるモデルを用いているが、確かに社会性の低下が見られると同時にDRのセロトニン神経細胞の興奮が強く押さえられていることがわかる。そこで、この神経を光遺伝学的に刺激してセロトニンを分泌させた時に症状が改善するか調べ、期待通りNAcに来ているDRの端末を刺激してセロトニン分泌を誘導すると社会性が改善する。同じマウスで他の行動も調べているが、基本的には社会性特異的に回復が見られる。また、同じDRから他の領域に伸びているセロトニン神経を活性化しても、社会性の回復は見られず、この回路特異的に社会性が支配されていることがわかる。

次に、セロトニン分泌刺激が長期的回路形成に関わるかどうかも調べている。もちろん、セロトニン分泌の効果が長く続けば言うことはないが、残念ながら社会性の回復は、神経細胞が刺激されている時だけ見られる一過性のものだ。最後に、セロトニン受容体の刺激剤CP93129を投与してもこのマウスの社会性欠乏を治療できることを示している。

以上が結果で、個人的にはこのような研究がこれまで行われていなかったのかと意外な感じを持ったが、これまでの考えに沿った研究結果で、オキシトシンによる治療も十分期待できると思う。しかし、この研究はセロトニン分泌により、長期的な変化を誘導するのが難しいことを示しており、オキシトシンも常に必要とされるのかもしれない。

しかし、この研究では直接CRのセロトニン神経を刺激する実験が行われているため、その上位にある神経結合に治療可能性がないかを調べることも重要になる。最後に、この研究では16p11が確かにセロトニン神経の興奮低下であることを示しているが、実際の患者さんのように、最初からこの遺伝子異常を持っていた場合、脳回路に変化がないのかも確認する必要があると思う。いずれにせよ、これまで期待した通りの結果になり、ホッとする研究だった。
カテゴリ:論文ウォッチ

8月9日:ポイツ・ジェガース病発症メカニウム:通説は覆る(7月27日号Science掲載論文)

2018年8月9日
ポイツ・ジェガース症候群(PJ病)は、消化管に多くのポリープができる遺伝病で、過誤腫と考えられているように、良性の腫瘍だが現在のところ治療法は手術しかない。病因については、1998年セリンスレオニンキナーゼのひとつSTK11であることが明らかになり、腫瘍抑制遺伝子として働くこの分子の発現量が低下することで、上皮が異常増殖を起こすという説で納得していた。実際、同じ患者さんは他のガンの発生率も高く、この通説は20年近くあまり疑われることも無かった。

しかしなんでも確かめてみるもので、今日紹介するカナダ マクギル大学からの論文はPJ病がT細胞異常による炎症性に発症するポリープであることをマウスモデルで示した研究で7月27日号のScienceに掲載された。タイトルは「LKB1 deficiency in T cells promotes the development of gastrointestinal polyposis(T細胞でのLKB1 (STK11)欠乏は胃腸のポリープ形成を促進する)」だ。

PJ病についてはSTK11をノックアウトしたモデルマウスも作られていたが、おそらく病巣の炎症細胞の浸潤が強いことから、本当に上皮の増殖異常によるポリープかどうか調べようと思い立った。まず上皮や平滑筋特異的にSTK11をノックアウトしてみると、平滑筋でのノックアウトではポリープが低い確率で発生するが、上皮で欠乏してもポリープはみられない。そこで全血液細胞、及びT細胞、B細胞特異的にSTK11が欠乏するマウスを作成すると、全血液細胞、T細胞特異的欠乏で全例にポリープが形成された。すなわち、PJ病のポリープは上皮細胞の内因性の異常ではなく、T細胞の活性が変化して炎症が起こり、それにより刺激されることがわかった。

これがこの研究のハイライトで、あとはT細胞で何が起こっているのかを解析して、最終的には治療法の開発を目指すことになる。まず、T細胞側でSTK11の発現が半分に減少すると、IL11,IL6,IL17, TNFなど多くの炎症性サイトカインの発現が高まっている。同時に、間質の方でもこのような炎症性サイトカインへの反応性が高まっており、両方が合わさって強い増殖が起こることも明らかにしている。中でも、IL-6―STAT3経路と呼ばれるシグナルが最も重要な役割を果たしていることがわかるが、IL-6だけをノックアウトしてもポリープはできる事から、STAT3を活性化するさまざまなサイトカインの関与が考えられる。そこで、白血病治療に用いられているJAK2阻害剤を投与すると、T細胞の浸潤が消失し、ポリープの大きさが減少する事から、治療薬として用いることができる可能性がある。

かなり省略して紹介したが、要するにPJ病の中心には炎症性T細胞の関与があるという話で、これをコントロールすることで、手術以外の治療も開発できる可能性がある。ただ、ではT細胞だけかと言うとそうではなさそうだ。もしそうなら、T細胞移植を行う実験が行われるはずで、おそらくT細胞活性化だけでは病気にならず、間質や上皮の状態も重要な要因になっているような印象を受ける。JAK2服用が現実的かどうかは別として、他にも治療法が出てくるような気がした。
カテゴリ:論文ウォッチ

8月8日 試験管内でのアルツハイマー病の再現(Nature Neuroscience7月号掲載論文)

2018年8月8日
アルツハイマー病を試験管内で再現することがどのぐらい真剣に考えられていきたのかあまり気にしたことはなかったが、アミロイドの分泌や重合などの実験系は別として、さすがこの病気だけは試験官内での再現は難しいと思う方が普通だろう。病気の成立には時間がかかるし、単純な神経編成というより、多くの細胞が複雑に絡む上に、神経炎症の関与まで示唆されている。しかし、本当に試験管内で再現できればその効果は計り知れない。ひょっとしたら、この病気への挑戦をあきらめ始めた多くの会社が、もう一度再挑戦するきっかけになるかも知れない。

今日紹介するノースカロライナ大学からの論文はニューロンとグリアが相互作用を行う3次元脳組織を作ることでアルツハイマー病の試験管内再現に挑戦した研究でNature Neuroscience7月号に掲載された。タイトルは「A 3D human triculture system modeling neurodegeneration and neuroinflammation in Alzheimer’s disease(3種類の細胞を3次元に構築した実験系によりアルツハイマー病の神経変性と神経炎症をモデル化する)」だ。

読んでみると、アルツハイマー病再現に必須のアミロイド沈着は2次元の神経細胞培養では、アミロイドタンパク質が培地中に逃げてしまって再現できないという問題があり、これをニューロン、アストロサイト、ミクログリアを集めて3次元組織を作れば再現が可能という至極まっとうな発想だ。ただこの為に特殊な培養シャーレを開発している。この系ではまず多能性の神経幹細胞を培養して、神経細胞とアストロサイトに自然に立体構造を作らせる。この3次元構造に中央のチェンバーから飛び出した傾きのある細いチャンネルを通してミクログリア細胞を自力で移動させ供給することで、活性化されたミクログリアだけが3次元構造に集まるようにしている。実際には、このような特殊なシャーレを用いる必要があるかどうかはわからないが、活性化されたミクログリアだけが集まるようにするには、このシャーレは必須の条件だと著者らは考えている。そして、この3者さえ集まれば基本的なアルツハイマーの病態が再現できるというのが、この論文のメッセージになる。

実際には遺伝的アルツハイマー病の原因になることがわかっている突然変異型βアミロイドを発現させた神経幹細胞を培養して、ニューロンとアストロサイトからなる3次元構造を構築させ、そこにチャンネルを通して活性化ミクログリアが分布する事で、Aβアミロイド分泌が高まり、しかも明確な組織炎症状態から神経細胞編成までミミックできる脳の3次元構造を再現できることを示している。

こうして構築した実験系では、ニューロンとアストロサイトの相互作用、そしてミクログリアの反応を必要ならビデオで追跡することが可能で、βアミロイドの凝集、タウタンパク質のリン酸化による凝集、炎症性サイトカインの分泌による神経炎症過程など、アルツハイマー病の成立に必要な素過程が全て再現され、変性神経細胞のミクログリアによる処理まで再現できることを示している。また変異アミロイド遺伝子導入神経幹細胞だけでなく、アルツハイマー病の神経細胞から樹立したiPS細胞を用いても同じような実験系を作ることが可能であることも示している。

結果は以上で、このような方法は広く使われて初めて意味があるが、この系は本当に役に立つのか、実際に実験を行なっているプロに聞かないとわからない。しかし最近この分野で相次いでいる治療薬開発からの撤退を聞く、と是非役に立ってほしいと願っている。
カテゴリ:論文ウォッチ

8月7日:膵臓癌の意外な治療薬(Oncogeneオンライン版掲載論文)

2018年8月7日
これまで何ども強調しているように、現在まですい臓がんの治療は限られており、外科手術で切除しきれないステージでは、薬剤の効果も長く続かず、予後は極めて悪い。なら免疫療法はと考えるが、他の癌と比べてチェックポイント治療が効果を示さないケースが多い。いつかこの問題も解決され、ステージの進んだすい臓がんの治療も可能になると確信しているが、今苦しんでいる患者さんに対しては、一つでも治療オプションを増やすしか方法がない。そんないくつかの可能性については、Youtubeで紹介しているので是非参考にして欲しい(https://www.youtube.com/watch?v=tOTvpFBfCc8&t=24s)。

今日紹介するロンドン大学からの論文は、まだマウスの話だが、ひょっとしたらすい臓がんの患者さんの延命に役立つかもしれない情報に思えたので紹介することにした。タイトルは「GPR55 signalling promotes proliferation of pancreatic cancer cells and tumour growth in mice, and its inhibition increases effects of gemcitabine (GPR55シグナルは膵臓癌の増殖とマウスでの腫瘍増殖を促進し、その阻害はジェムシタビンの効果を増強する。)で、Oncogeneのオンライン版に掲載された。

タイトルにあるGPR55はlysophosphatidylinositolの受容体だが、大麻成分であるカンナビノイドにも反応することがわかっている。なんとこの大麻成分に反応するGPR55が多くのガンに発現しており、最も悪性のすい臓がんでも25%がGPR55を発現している。この研究ではすい臓がん発がんモデルを用いて、GPR55をノックアウトしたマウスではすい臓がんの発生が1ヶ月とはいえ遅れることをまず確認している。さらに都合のいいことに、ステージが進むほどGPR55の発現が上昇し、ガンのGPR55への依存性が高くなる。

試験管内で増殖しているすい臓がん細胞を用いて、GPR55がどの過程に関わるか調べると、MAPキナーゼ経路のERKのリン酸化を介して細胞増殖に関わり、p53により誘導されたマイクロRNA、miR34b-3pによりGPR55のmRNAが分解されることで、細胞の増殖が抑えられる。逆に言うと、ガンでp53が喪失すると、GPR55発現が高まり、増殖が上昇することを示している。

最後に、ではこの受容体をGPR55の拮抗剤で、やはり大麻から抽出できる阻害剤カンナビディールで抑制するとガン細胞の増殖が抑えられるか検討し、期待通り試験管内での細胞周期を抑制し、また単独では抑制効果は強くないが、すい臓がん治療に最もよく用いられるジェムシタビンと併用することで、寿命を20日程度延長することが出来ることを示している。

結果は以上で簡単な論文だが、思いがけず大麻成分により抑制できるGPR55シグナルがp53の喪失により発現し、がんの増殖を助けており、この過程を標的にしたカンナビディオールをジェムシタビンを組み合わせることで、マウスの延命を図ることができるというシナリオだ。残念ながら根治を望める治療法ではないが、カンナビディオールは向精神性が低く、安全に使える薬剤の一つなので、もし延命効果があるなら使う価値はあると思う。早く人間での臨床治験を望みたい。
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8月6日:食事により概日リズムが変化する(8月9日号Cell掲載論文)

2018年8月6日
進化過程で起こる環境による生物の自然選択は、生物側から見ると環境の同化といえると個人的には考えている。例えば亀の甲は、最初はともかく最終的にカメを外敵から守る構造として発達したと思うが、逆に生物が隠れていた洞穴を自己に同化したと考えても悪くない。この環境同化が最も典型的に現れるのが概日リズムで、地球の自転という環境を、生物自体が取り込んだと考えることが出来る。ただ、生物が常に環境を同化して進化するとすると、他の環境ルールを同化するとき常に概日リズムと調整しながら、新しい環境リズムを作らなければならない。当然生物にとって一番大事な食環境も例外でなく、概日リズムと深く関わるはずだ。

今日紹介するペンシルバニア大学からの論文は、肥満につながる高脂肪食を取り続けた時、肝臓での概日リズムが大きくリプログラムされる事を示した研究で、8月9日号のCellに掲載された。タイトルは「Diet-Induced Circadian Enhancer Remodeling Synchronizes Opposing Hepatic Lipid Metabolic Processes (肥満食による概日周期エンハンサーのリモデリングが肝臓の対立する代謝プロセスを同調する)」だ。

この研究ではマウスに高脂肪食・高カロリー食(DIO)を摂取させ、肝臓での遺伝子発現の概日変化を、転写されたばかりのRNAを網羅的に調べるrun-on sequencing方で調べている。結果は驚くべきもので、正常食のマウスで概日リズムを刻む遺伝子が1722種類存在するが、DIOを摂取すると、なんとそのうちの278種類を除いてほとんどの遺伝子発現から概日性が消える。一方、DIO食マウスでは新しく1343種類の遺伝子が概日性を獲得している。しかも、新しく概日性を獲得した遺伝子の多くは、朝10時にピークを持ち、正常食の逆相になっている。しかも、新たに概日性が生まれる遺伝子の多くは脂肪代謝に関わる遺伝子が濃縮されている。さらに、これに合わせて確かに脂肪酸の合成が高まっている。

遺伝子発現の概日性は、遺伝子発現に関わるエンハンサーの活性が概日リズムを刻むことで生まれると考えられるので、活性化されたエンハンサー領域から低いレベルで転写されるエンハンサーRNA(eRNA)をエンハンサー活性を示す指標として、run-on sequencingを用いて調べ、なんと5000近いエンハンサー活性の概日性が失われ、3500近いエンハンサー活性が新たに概日性を獲得する大きな変化が起こっている。

次に活性化されるエンハンサー配列の共通性から、新しく概日リズムを刻む遺伝子を支配するマスター遺伝子を探索し、コレステロール代謝を調節するSREBPがDIOで概日性を獲得することで、多くの脂肪合成に関わる遺伝子の概日性が生まれることを明らかにしている。また、SERBPはもう一つの重要な脂肪代謝マスター遺伝子PPARの概日リズムを増幅して、その結果脂肪を燃やす酸化経路に関わる遺伝子群がやはり概日リズムを獲得する。

最後にこれらの概日リズムを考慮して、これまで高脂肪血症に使われたPPAR阻害剤はPPARのピークに投与するとその効果が高い事を示している。 昨日に続いて、ダイエットの論文を選んだが、食事に合わせて概日リズムがこれほど大きく再編成されることを知ると、体の適応力とともに、私たちが様々な環境因子を同化して進化したことを改めて実感する。次は、マスター遺伝子の概日性を再編するメカニズムについてもぜひ知りたい。
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8月5日:肥満を伴う糖尿病のダイエット治療効果(Cell Metabolismオンライン掲載論文)

2018年8月5日
最近、食事療法と栄養で肥満を改善するプログラムを提供するR社のコマーシャルが目立つ。実際、私の付き合う範囲で、そのプログラムに参加している知り合いを一人見つけ、確かに浸透しているという感触を持った。R社のプログラムは、もちろん糖尿病の人に向けたものではないが、糖尿病、特に肥満を伴う糖尿病の場合、薬剤による治療をやめられるかどうかは、食事療法により体重を落とし、代謝を改善することにかかっている。ただ、食事療法により体重を落としても、糖尿病が治らない人が確実にいることが、欧米の研究でわかってきた。

この厳格な食事療法の効果があった人と、反応しなかった人の違いを知ることは糖尿病の標準治療を開発するためにも重要で、これまでも解析が続けられているが、今日紹介する英国ニューカッスル大学からの論文は、トレーナーもついて厳格な食事療法を行うコホート研究の中から、治療に反応した人と、反応しなかった人を選んで、その差をどこでも行える検査から見つけようとしている、まさに一般臨床に即した研究でCell Metabolismにオンライン先行掲載された。タイトルは「Remission of Human Type 2 Diabetes Requires Decrease in Liver and Pancreas Fat Content but Is Dependent upon Capacity for b Cell Recovery(人間の2型糖尿病の寛解には肝臓と膵臓の脂肪量が減少する必要があるが、これもβ細胞の回復力にかかっている)」だ。

タイトルにつられて読み進むと、食事療法で対処できる人と出来ない人を見つけ出すためのしっかりとしたコホート研究が行われている以外は、なんの変哲もない研究と言っていい。まず、参加者の全ては100kg近い肥満で、空腹時血糖やHbA1cも高く、糖尿病として薬剤の治療を受けていた人たちだ。この人たちに糖尿病薬の投与をやめるとともに、1日825-853kcal/dという厳しい食事制限を3−5ヶ月課し、プログラム終了後も食事療法のサポートを続け1年後に効果判定を行っている。

これほど厳しい食事制限が行われると、すべての人が10kg以上の減量に成功する(平均で15%の改善はすごい)。ところが驚くことに、空腹時血糖やHbA1cを見ると、同じように体重が減っているのに効果が見られる人と見られない人ではっきりと分かれる。実際には、結果がわかってから解析が行われたのがこの論文なので、この結果をもとに、効果のある人と、ない人が分けられている。

この差をさらに追求するため、最近注目されている肝臓の脂肪量を調べてみると、減量により同じように低下する。また脂肪代謝もほぼ同じように改善する。ただ、効果が見られなかった人たちは体重が増え出すと、脂肪代謝のマーカーが上がりだす。それでも、最初よりは随分低い値を保つことができている。

一方、何よりはっきりしたのが、インシュリン分泌能力で、効果のあった人はインシュリン分泌能がはっきりと改善するのに、効果の無かった人はどんなに体重が正常化し、肝臓脂肪も低下しても、インシュリン分泌能が元に戻らない。これらの結果から、糖尿病を薬剤なしでコントロールするためには、β細胞が疲弊して、インシュリン分泌能が不可逆的に失われるより前に、食事療法を始める必要があるという結論になる。

はっきり言って結論にはなんの驚きもないが、皆が当たり前と思っていることをしっかりと実験的に示している点は評価できる。対策としては、糖尿病とわかったらなるべく早く、すい臓β細胞が疲れる前にまずしっかり食事療法を受けて見るべきということになるが、やはり800Kcalというのは高い壁だと思ってしまう。

最後に強調したいのは、インシュリン分泌能が非可逆的に低下してしまったら、もうダイエットの意味がないということは決してない点だ。この結果は、糖尿病についてだけの話で、肥満が万病の原因になっている事は間違いない。
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8月4日:single cell transcriptomeを用いたガン免疫機能の包括的解析(8月23日号Cell掲載予定論文)

2018年8月4日
クリスパー、光遺伝学、クライオ電顕など、現代の生物学の進展を支える新しい技術は数え切れないが、最近目立つのが単一細胞の遺伝子発現を調べるsingle cell transcriptome (SCT)のあらゆる分野への浸透だ。もちろん単一細胞レベルで遺伝子発現を網羅的に行うことはこれまでも行われ、私たちのラボでもかなり古くからチャレンジしていた。ただ、それを何万もの細胞で行うことは、一個一個の細胞を別々に調べる方法では限界があった。ところが最近、まず個々の細胞のRNA増幅の際、細胞ごとのバーコードを組み込んで、遺伝子配列決定は全部まとめて行い、後からバーコードにより各細胞に分類し直す方法が開発され、組織などの大きな集団に存在する細胞の性質をこれまでとは違うレベルで調べることができるようになった。結果、発生学での細胞多様化過程や、がん組織の解析など、この方法を用いた研究がトップジャーナルで掲載されない日がないほど急速に新しい知見を生み出している。あまりの勢いに、昨年Molecular CellにSCTの様々な方法の比較した論文が出るほどだ(Molecular Cell 65:631, 2017)。

この方法の利用が期待される領域の一つが、がん免疫に関わるリンパ球の解析で、さまざまな遺伝子発現とともにT細胞受容体(TcR)のレパートリーを同時に調べることで、がん組織や全身での免疫反応を解析することが可能になる。今日紹介するニューヨーク、スローンケッタリング研究所からの論文は乳がん患者さんでまさにこれを行なった研究で、8月23日号のCellに掲載予定だ。タイトルは「Single-Cell Map of Diverse Immune Phenotypes in the Breast Tumor Microenvironment (乳がんの微小環境に存在する多様な免疫形質の単一細胞地図)」だ。

この研究ではオイルドロップ内でバーコードをつける方法を用いてSCTを行なっているが、一人の患者さんにつき、がん組織、正常組織、末梢血、リンパ節と4箇所からCD45陽性細胞を取り出し、そのSCTを行なっている。

当然各患者さんで多様な細胞の浸潤が存在することがわかるが、この研究では正常組織に存在する血液細胞を調べることで、8人のがん組織に共通の性質を抽出するソフトを開発し、ガンに対する免疫反応の一般的特徴を調べている点が重要だ。それでも結果は膨大で、詳細は全て省いて、気になった点だけを列挙しておく。

1)正常組織と比べ、ガン組織には通常免疫、自然免疫などさまざまな細胞が存在し、明らかにガンと周りの組織が活性化シグナルとして働いていることがわかる。
2)遺伝子発現から見ると、T細胞が活性化されているだけでなく、最終成熟分化が進行していること、そして低酸素反応が起こっていることが共通の特徴としてみられる。
3)期待通り、T細胞の性質のかなりの部分はそれが発現するTcRにより決まっている。すなわち、がんに対する反応のレパートリーを決定できる可能性がある。また、多様なTcRが検出されることから、多様な抗原に対する反応が、ステージとともに変化しながら進んでいくことがわかる。
4)予想以上に、多様な調節性T細胞(Treg)が存在し、ガン免疫の制御にはこの多様性を理解して、これまで以上にTregを制御する方法の開発が必要になる。
5) ガン組織のマクロファージも、単純に活性化型に変わるというものではなく、M1,M2両方のマクロファージが共存しており、この点の理解もガン免疫療法をさらに発展させるためには重要な問題になる。
他にも、内容の多い論文で、著者ですらこれを全て解析し尽くすのは難しいと思う。いずれにせよ、レパートリーとT細胞の遺伝子発現を同時に細胞レベルでマップする技術は、ガン免疫療法を大きく進展させることは間違いないと思う。そして、まだまだガン組織の免疫に関しては理解しなければならないことはおおく、今後、嵐のようにこの分野の論文が出てくることが予想され、それらは全て患者さんに直結していくだろう。逆に、今日行われている治療法も、明日は新しい方法に置き換わる可能性も高い。大きなうねりを感じてエキサイトしている。
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8月3日 スーパーエンハンサーの形成機構(7月27日号Science掲載論文)

2018年8月3日
転写因子が結合するエンハンサーと呼ばれる領域が、それに結合する転写因子や様々なコファクターとともに、転写活性の高い大きな複合体を作っていることを示し、スーパーエンハンサーと呼んだのはRichard Youngだ。概念先行でデータに信頼性がないと厳しく評価する研究者も多いが、しかし彼の提唱する概念はなかなか本質をついていて、理解を深める助けになるので、私はいつも学ぶところが多い。

そのYoungの研究室からスーパーエンハンサーが大きな複合体を形成して広いゲノム領域を1箇所に集めるときの化学的メカニズムを調べた論文が7月23日号のScienceに掲載された。タイトルは「Coactivator condensation at super-enhancers links phase separation and gene control (スーパーエンハンサーでのコアクチベーターの濃縮が相分離と遺伝子調節を結びつける)」だ。

これまでYoungらが示してきたように、確かに多くのエンハンサー部分が結合する転写因子とともに集合して、発生やガンでの形質変化に重要な働きをしていることはわかるが、核の中でこのような構造が形成される化学的基盤については確かによくわからなかった。最近になって、例えばアミロイド沈着など、化学でいう液体の相分離により分子が強く濃縮できることを示す研究が相次いでいるが、Youngたちはエンハンサーに集まる転写因子をはじめとする多くの分子が相分離を起こすことで、分子が濃縮した構造ができ、この相分離の主役がスーパーエンハンサーに多く集まるコアクチベーターBRD4とMED1分子だと考えた。

そこでまず、ES細胞の核内でスーパーエンハンサーを形成しているNanog遺伝子領域にBRD4とMED1が点状に集まっていることを確認し、BRD4とMED1が分子集合形成の核になっていることを示している。そしてこのBRD4とMED1の集合が、液体が濃縮して周りから相分離した化学性質をもっていることを、蛍光たんぱく質と結合させたBRD4がエンハンサー上でダイナミックに動いていることを、蛍光をブリーチしてからのATP依存性回復を調べるプロの方法で示している。また、分子同士の疎水性結合を阻害すると、この集合が壊れることから、確かにダイナミックな濃縮液相が形成されていることを明らかにした。

このように疎水性の結合を基盤に液相分離が起こるのなら、BRD4,MED1分子内にこの相分離をガイドする結合領域が存在するはずで、この2つの分子には長いintrinsically disordered region(IDR:分子の中に構造化されないでフラフラしている領域)が存在し、IDRだけを取り出して蛍光タンパク質に結合させたキメラ分子は試験管内で相分離することを示し,IDRが分子の結合濃縮を媒介していることを明らかにしている。そして最後に、この相分離とともに他の転写因子が複合体の中に巻き込まれることを示して、この2つの分子が液体として相分離して核を作り、エンハンサーと結合した転写因子が巻き込まれてスーパーエンハンサーが形成されるというシナリオを提案している。 これまで分子が静的に集まった構造物がをスーパーエンハンサーとして頭の中に描いていたが、この研究のおかげでこの構造物がダイナミックに動き出した。
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8月2日:進化から病気の遺伝子を割り出す(Nature Geneticsオンライン版掲載論文)

2018年8月2日
全ゲノムレベルのSNP解析や塩基配列決定により病気のリスクを前もって知る遺伝子診断が、一般の人にも広がりを見せているが、0.1%以上の人に見られる変異は全体の1000分の1に過ぎず、アミノ酸変異が起こっている変異のほとんどは、病気との相関があるのかないのかわからないまま、放置されているのが現状だ。

今日紹介するイルミナ社の研究所からの論文は変異の病気へのインパクトを進化の観点から推定できないか調べた研究で,ゲノム解析をリードするイルミナならではの論文だと感じた。タイトルは「Predicting the clinical impact of human mutation with deep neural networks (人間にみらる遺伝子変異の臨床的インパクトをニューラルネットワークAIで推定する)」だ。

この研究は、稀な変異が臨床的に問題があれば、進化の過程で淘汰されているはずだが、多くの場合、完全に淘汰されるには人間が発生してからの時間は短すぎるため、淘汰されずに低い頻度で残っていると考え、人間で見られる変異がサルや場合によっては他の動物にも存在するかどうかについて調べることで、淘汰の選択圧にさらされる変異かどうかわかるのではと着想した。

まず同じ遺伝子の変異で、アミノ酸変異を伴うものと、伴わないものの比率と、その変異の頻度を調べ、アミノ酸変異を伴う比率が高いほど頻度が低い事を確認している。ところが、サルにも人にも同じ変異が存在する場合を選んで調べると、稀な変異も、稀でない変異もほとんど比率が変わらない。すなわち、進化の過程をサルから見直してみることで、淘汰される変異かどうかを判断することができる。要するに、サルにも共通する変異があれば、病気のリスクは少ないというわけだ。

あとはこの結果に基づき、機械学習法で人間の変異と同じ遺伝子のサルでの変異情報とともに、病気についての情報をインプットして機械学習を行い、特定の変異についてサルの情報を入れるだけで、病気との関わりをかなりの確度で診断できるAIを作り上げている。その上で、これまで特定されてこなかった、脳に関わる疾患のリスクになる変異を14種類リストしている。

詳細を全て飛ばして紹介したが、人だけでなくサルと比べることで長い進化過程での淘汰圧を推定できるとしたアイデアがこの研究の全てで、このようなアイデアでAIを設計できるイルミナ社がこの分野をリードするのも当然だと納得してしまう。個人的に最も興味を惹かれたのが、こうしてAIが病気のリスクファクターとしてリストされた変異のほとんどは、小頭症など大きな発達障害に関わるものが多い中で、自閉症のリスクファクターとしてTBR1遺伝子変異もリストされている点で、この分子のサルでの変異がどのような行動につながっているのか、是非知りたいと思った。
カテゴリ:論文ウォッチ

8月1日:脳髄膜リンパ管システムの役割(Natureオンライン掲載論文)

2018年8月1日
2013年、睡眠は脳内のリンパ管などの脳脊髄液排出機構を拡げて、覚醒時に脳に蓄積した老廃物が排出されるのを助ける役割があることを示した論文を紹介した(http://aasj.jp/news/watch/608)。それまで、脳にはリンパ管のようなドレーンはないと考えられていたため、この論文はその年のサイエンス10大ニュースに選ばれたぐらいだ。今年になってこのシステムの機能を確かめようと、一睡もさせずに一晩過ごした被験者の脳に、なんとアルツハイマー病の原因の1つと見なされている、βアミロイドが蓄積している論文まで現れた(http://aasj.jp/news/watch/8330)。

今日紹介するバージニア大学からの論文は、この重要な問題をマウスモデルで研究するため、脳のリンパ管系の機能を低下させたマウスを作成し、その影響をしらべた研究でNatureオンライン版に掲載された。タイトルは「Functional aspects of meningeal lymphatics in ageing and Alzheimer’s disease(老化とアルツハイマー病での脳髄膜のリンパ管の機能的側面)」だ。

このグループはこれまで、脳内の老廃物を排出するのが髄膜にあるドレーンシステムで、遺伝子の発現からリンパ管と呼んで良いことを示してきた。実際、リンパ管の形成が押さえられているProx1(+/-)マウスでも脳のドレーン機能が落ちていることが示されている。この研究では、Visudyneと光を用いて管腔を詰まらせる方法を用いてマウス髄膜のリンパ管を塞ぐ方法を開発し、ドレーン機能と、脳機能の関係を調べることが出来る実験システムを作り上げている。

この操作で確かにドレーン機能が低下し、様々な大きさのタンパク質が脳内に蓄積しやすくなることを確認した上で、ドレーン機能の低下が脳機能に及ぼす影響を調べている。念のため、2週間おきにリンパ管の機能を除去する操作を2回繰り返し、そのあと広い場所でのマウスの行動、および2種類のテストによる記憶能力を調べている。この結果、ドレーン機能を抑制しても、マウスの一般的行動は正常マウスと同じだが、記憶テストは両方とも強く低下しており、ドレーン機能が脳機能,とくに記憶に重要であることが実験的に示された。

そこで、老化による記憶減退にもこのドレーン機能が関わっていないか調べると、老化マウスでは髄膜リンパ管が細くなりドレーン機能が低下していることがわかった。そこで、脳内にリンパ管新生を誘導するVEGF-Cを様々な形で投与すると、管腔が拡がり、ドレーン機能が復活し、新しい場所の記憶や、迷路実験に必要な記憶が正常化することがわかった。

最後にさまざまなアルツハイマー病でドレーン機能の役割を調べ、遺伝的アミロイド蓄積マウスの実験系で、リンパ管を塞ぐと、アミロイドβの髄膜リンパ管への蓄積が亢進することを見出している。そして、実際のアルツハイマー病の患者さんでも、髄膜リンパ管へのアミロイド蓄積が見られる事を発見している。

結果は以上で、老化による記憶減退や、アルツハイマー病でのアミロイド蓄積にドレーン機能が関わっている可能性が示唆され、おそらく初めて大脳のドレーン機能を担うリンパ管の役割が明らかになったといえる。最初、「本当かな」と見ていた大脳でのドレーン機能が少しづつ市民権を得てきたように思う。今後VEGF-Cゲルによるアルツハイマー病の進行抑制や老化による認知障害の改善などが本当に明らかになれば、大ブレークする可能性もありそうな気がしてきた。
カテゴリ:論文ウォッチ
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