2018年5月18日
２０１６年１１月、このブログでYork大学の若手考古学者Penny Spikinsの論文について紹介したことがある（
http://aasj.jp/news/watch/6064）。自閉症に関わる様々な遺伝子が、人類の多様な能力を維持するために必須の役割を演じてきたことを、考古学的に考察し、考古心理学、考古精神医学を開発しようとする意欲あふれる論文だった（
http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1751696X.2016.1244949）。特に自閉症について、neurodiversityとして認める消極的容認を逆転させ、社会に必須の人たちとして認める彼女の積極的な評価に感動した。
実は私が初めて彼女の研究について知ったのは彼女が2015年に出版した「How compassion made us human（いかに思いやりが私たちを人間にしたのか）」を読んでからで、現代社会が失いつつある人間の優しさ、信頼、そして道徳性の起源を２００万年にも及ぶ人類史を遡りつつ解明しようとする、熱い心が伝わってくる本だった。おそらくまだ翻訳されていないと思うが、推薦したい一冊だ。
そのSpikinsさんが年一回発行されるオープンアクセスの雑誌Open Archeologyにまたまた意欲的な論文を発表したので紹介することにした。タイトルは「How do we explain autistic traits in European upper palaeolithic art（ヨーロッパの旧石器時代の美術に見られる自閉症的特徴をどう説明すればいいのか）」(Open Archaeology 4: 262-279, 2018 *
https://doi.org/10.1515/opar-2018-0016)だ。
自閉症児の大半は社会性の問題から言葉の発達が遅れることはあっても、知能は正常だ。そして中には、私たち一般人が失った高い能力を持っている人たちが多い。例えば2014年のMuthらのメタアナリシスによると、Block designやFigure Disembeddingと呼ばれる視覚能力で調べたとき、自閉症児は明確に一般児より優れていることが報告されている（J.Autism Dev. Disord 44:3245, 2014）。そしてこの中には、一度見ただけで空間的イメージを明確に記憶し絵として再現できる特殊な能力がある。このような子供についてはDrakeらの多くの研究があるが、彼女がScientific Americanに書いた論文で紹介されている絵を見ると、様々な視覚認識能力が自閉症児では現れやすいことを理解することができる（Mind Scientific American Special edition, Spring 2017）。
この論文でSpikinsは自閉症児が示すlocal processing bias (部分的情報処理バイアス)とよばれる、全体にとらわれることなく細部を表現する能力に着目する。この能力は決して自閉症特異的ではなく、一般人にもこの能力は存在しているが、自閉症児では社会との付き合い方が違ている結果、より強く現れることを様々な文献から確認している。また、これまで自閉症児のlocal processing biasに基づく能力は、向精神薬で再現できるという考えを否定し、neurodiversityとして人類進化で獲得し維持されてきた、人類の発展にとって必須の遺伝子プールの結果であると結論している。
そして返す刀で、ではフランスショーべ洞窟で発見された世界最古の壁画や （
https://www.flickr.com/photos/44919417@N04/7887319298 参照）、ドイツ・シュターデル洞窟で発見されたライオンマン（
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3%E3%83%9E%E3%83%B3#/media/File:Lion_man_photo.jpg参照）のフィギャーのように、現代から見てもリアリズムの粋と言える作品は、誰が作成したのかと問う。
彼女にとって、答えは明白で、これらのリアリズム、local processing biasの強い作品は決して旧石器時代の人類の誰もが書いたわけではない。すなわち、特殊な能力を支える遺伝子プールを持っていた一部の人間のみ、描く能力と衝動を持っていたと考えている。これは言葉と大きく異なる。そして、この能力こそ、私たちが自閉症スペクトラムとして診断している人たちに間違いなく濃縮していると結論している。現在ネアンデルタール人の洞窟で見つかる絵画と、ショーべ洞窟の絵画を比べると、その違いは一般児と、Drakeが紹介している自閉症児と同じ程度の大きな差がある。ひょっとしたら、ネアンデルタール人のゲノムと現生人類のゲノム比較から、この差についてのヒントが見つかれば、大発見になること間違いない（と勝手に私が興奮している）。
いずれにせよ、自閉症児がもつ能力を理解しつつも、社会への適応性を理由に子供たちを排除したアスペルガーと異なり、自閉症児の持つ可能性をもっと発掘し、石器時代に人類が行ったように、社会を自閉症児の性質に合わせていくことが、新しい人類発展の鍵になるという彼女の主張にエールを送りたい。一度会って見たいと思う注目している研究者の一人だ。
2018年5月17日
卵巣癌は肺がんと同じで、病理組織学的にさまざまなタイプに分けることができる。その中でも数の多い漿液性腺癌のhigh gradeタイプ（HGSC)は、すい臓がんに勝るとも劣らぬ悪性の癌で、早くから腹膜を含む転移を起こし、治療が困難だ。これまで、原発巣と転移巣を比べるなど、がん細胞の進化を調べる研究が行われ、癌の進展とともに卵巣癌が多様化しやすいことがわかっているが、この進化の速さにおそらくガンの周りの組織が関わるのではないかと想像されていた。
環境によるガンの変化というと、エピジェネティックな要因に頭が行くが、ゲノム自体の多様化はあくまでもダーウィン進化の問題で、環境による選択圧が重要になる。今日紹介するカナダ・バンクーバーBC Centerからの論文はガン細胞集団に起こる多様化したゲノムの環境による選択を扱った研究で、6月14日号に発行予定のCellに掲載された。タイトルは「Interfaces of Malignant and Immunologic Clonal Dynamics in Ovarian Cancer（卵巣癌の悪性度と、免疫クローン動態の接点）」だ。
繰り返すが、この研究の目的はガンの遺伝的多様性を選択する環境要因を探っている。このため、さまざまな分泌因子を通してエピジェネティックな多様性を誘導する間質細胞ではなく、最初から選択圧としての免疫系に焦点を当てている。
ガンを進化させる選択圧を解析するために末期の卵巣癌患者さん38名から、原発巣や転移巣を200箇所以上集め、それぞれのサンプルに浸潤するリンパ球の種類や状態を組織学的および遺伝子発現から解析するとともに、、それぞれの場所のがん細胞の性質を全ゲノム解析を使って調べている。いうのは簡単だが、インフォーマティックスも含め大変大掛かりな研究だ。
まず組織上のリンパ球の浸潤パターンと、浸潤しているリンパ球の遺伝子発現を調べ、組織像と遺伝子発現が相関していることを確認する。わかりやすく単純化すると、リンパ球浸潤ががん細胞内部まで到達しているケースでは、キラー活性が強く、浸潤が少ない場合はキラー活性が弱い。一方、ガンの周りの間質に浸潤が限局している場合の活動性は両者の中間になっている。
ガンに対するリンパ球の活動性をガン進化の選択圧として考えると、組織学的浸潤パターンと、ゲノム解析から計算されるがん細胞の多様性が相関すると考えられるが、予想通りガン内部まで浸潤しているキラー活性が高い場合に、ガンの多様性が最も低下していることが明らかになった。すなわち、キラー細胞によりがん細胞が選択され多様性が低下している。不思議なことに、浸潤の少ないケースでも多様性はある程度低下することから、卵巣癌の場合、常に免疫反応が起こっていることがわかる。しかし、浸潤が間質に限局されている場合は、キラー活性は存在しても、それががん細胞の選択圧として機能しないことがわかった。はっきり言って、この結果がこの研究のメッセージで、後の結果は免疫がガンの選択圧として働いているという結論の延長と言える。
すなわちガンに対する免疫系の選択圧力は、ガンのネオ抗原の低下や、免疫を逃れるためのMHC 抗原のロス、さらには免疫反応を弱めるチェックポイント分子の上昇からも確認できる。結局、免疫系の圧力に対して、ガンの方もさまざまな方法で進化していることがこの研究の結論だ。このように確かに癌は選択圧から逃れようと進化するが、それでも免疫が強いほど予後が良いことも分かった。
結果は以上で、予後が改善したと言っても、治癒に至るほどの改善ではなく、ガンに対する免疫が成立しても、ガンのしたたかさのみが強調される研究だ。しかし、ガンも免疫も、ともにダーウィン進化の正当性を教えてくれる重要なシステムだが、それぞれの関係を進化の観点から調べることは観点でない。その意味で、最後に強調したいのは、この研究は200箇所の組織のゲノムと、遺伝子発現、さらに組織を調べるという大掛かりな研究でこの問題にチャレンジしている。まだまだ解析は不十分だが、おそらく集まったデータの中には多くの重要な発見があるように思っている。
2018年5月16日
Rett症候群はX染色体上にコードされているMECP2遺伝子が欠損する病気で、完全欠損では発生が進まないため男性患者さんはいないが、女性の場合片方のX染色体が正常で、（少し難しい話になるが）この結果体内の細胞は正常と異常のX染色体のどちらかを使うよう振り分けが起こり（X染色体不活化と呼ばれる現象）、原則として体内はMECP2を持つ細胞と、持たない細胞の混合になる。このため、正常の細胞の働きで発生は起こるが、半分の細胞が MECP２を欠損しているため、神経系を中心に様々な異常が生じる。
根本的な治療は遺伝子導入でMECP2遺伝子を回復させる必要があり、現在MECP2の数が増えるMECP2重複症とともに、遺伝子治療法の開発が進んでいる。幸い、最近の研究は根本治療だけでなく、これらの病気に効果のある対症療法が開発できる可能性を示唆しており、時間的にはこちらの方が実用化が早いのではと期待されている。
今日紹介するスペイン・バルセロナの研究機関からの論文は動物モデルを用いてRett症候群の一部の症状を抑えることができる薬剤があることを示した研究で5月8日号のCell Reportsに掲載された。タイトルは「Inhibition of Gsk3b reduces Nfkb1 signaling and rescues synaptic activity to improve the Rett Syndrome phenotype in Mecp12-knockout mice（Mecp2遺伝子ノックアウトマウスのRett 症候群の症状をGsk3b阻害剤がNfkb1シグナルを介して改善する）」だ。
Gsk3bはWntなど発生に必須のシグナルを伝達するリン酸化酵素で、様々な組織の発生には必須の分子だ。神経細胞ではこの分子が阻害されると、シナプス結合の強さが低下し、様々な機能異常が誘導される。この研究では、Mecp2が欠損することで脳細胞内に起こってくる変化を探索し、MECP2欠損モデルマウスの脳、特に小脳でGsk３bの活性が強く上昇していることを発見する。
幸いGsk3bには比較的特異的な阻害剤が存在しているため、次にMECP2欠損マウスに投与して症状を抑えることができるか調べている。MECP２欠損マウスは4週目から認知機能や運動機能が低下し始め、その結果10週程度で死亡してしまう。ところが阻害剤を0.5mg/Kg/dayで投与すると、治ることはないが、発症が遅れ、さらに２０日以上長く生存できることがわかった。
さらに、遺伝子発現や組織染色から、Gsk3bが活性化されると炎症シグナルの核になっているNFkb１が活性化され、様々な炎症性サイトカインの発現が脳内で上昇するが、これらの異常をGsk3b阻害剤で抑制できることも確認している。すなわち、多くの神経症状が神経炎症に起因することを示唆している。
最後に、Gsk3b阻害剤投与により、脳組織が正常化するかどうか脳外に取り出した組織のスライス培養で調べると、樹状突起の形成不全をかなり正常化できること、そしてシナプス結合の強さの指標となるPsd９５分子の低下をGsk3b阻害剤がほとんど正常レベルに戻ることを確認している。しかし、生理学的なシナプスの伝達性の改善は最小限で、これが全身症状の改善をどこまで説明できるかは疑問に思える。実際、行動や運動能の検査でも、阻害剤によりある程度の改善が見られるが、私が見ても大きな改善とは言えない。
しかし、阻害剤投与による実際の脳組織の改善は試験管内での変化より大きい。例えば神経結合の指標になるスパインの数は２倍近くに上昇しているし、海馬のシナプス形成も改善は大きい。おそらく、小さな変化でも時間が経つと、明瞭な改善として現れているのではと考えられる。
以上が結果で、小脳起源の運動障害が改善するなど一見期待が持てそうに思える。ただ、Gsk3b阻害剤は様々な細胞に効果をもち、病気でもガンやアルツハイマー病に至るまで、治療薬としての可能性が検討されている。ということは逆に、副作用なども強いことを示唆し、この結果がこのまま病気の子供の治療へと直結するとは考えにくい。それでも、MECP2欠損がNFkb1を介する神経炎症を誘導することが神経発生障害の一因であるなら、治療標的の選択肢は広がる。その意味で次の段階に期待したい。
2018年5月15日
地球温暖化で種の絶滅の危機に最もさらされている種が爬虫類だ。亀、ワニ、トカゲなどの一部の種は、性が卵が孵化するときの温度で決定される。この温度による性決定を行う種がどれぐらい存在するかについては、私が顧問として勤務している生命誌研究館の季刊誌、「生命誌」２４号に詳しく書かれているのでぜひ参考にしてほしい（
https://www.brh.co.jp/seimeishi/journal/024/ss_1.html#2）。この記事では、少なくともカメ類で４７種、全てのワニ類（８種）、そしてトカゲの１７種が温度に性が決定されることが紹介されている。もし地球の寒冷化や温暖化が進み、発生時の温度が特定の閾値を越えると性比が大きく変化し、場合によってはオスあるいはメスが生まれなくなり、種の維持が不可能になる可能性すらある。ワニについては全てのワニが絶滅する危険性すら存在する。ただ問題は対策を打とうにも、温度による性決定のメカニズムが完全に明らかになっておらず、研究の進展が待たれていた。
今日紹介する中国の新しい大学・浙江万里学院と米国デューク大学が共同で発表した論文は、カメの温度による性決定に関わる分子を特定し、絶滅を防ぐ対策の可能性を示した研究で５月１１日号のScienceにオンライン出版された。タイトルは、「The histone demethylase KDM6B regulates temperature-dependent sex determination in turtle species（カメの温度依存的性決定はヒストン脱メチル化酵素KDM6Bにより調節されている）だ。
この研究ではアカミミガメと呼ばれるアメリカ原産のカメを対象に、その性決定のメカニズムを調べている。このカメは、発生の特定の期間に温度が２６度ではオス、３２度ではメスへの決定が行われる。温度で性が決定されるということは、遺伝的に決まるのではなく、遺伝子発現の（エピジェネティックな）調節により性が決定されることを示唆している。このグループは、ヒストンの２７番目のリジンのメチル基を外す脱メチル化酵素の一つKdm6bの生殖原器での発現が、オスになる温度２６度で上昇することを発見する。この発生のステージに温度を２６度から３２度、あるいは３２度から２６度に変化させると、迅速にこの分子の発現が変化することも明らかにしている。
次に、Kdm6b がオスへの分化を指令する決定因子かどうか調べる目的で、オスになる２６度で卵を孵化させるとき、RNAiを用いてこの分子の発現を抑制する実験を行うと、期待通り８０−８７％の個体がメスへと転換することを明らかにする。またこの転換に応じて、最初発現していたオスの性決定に関わる遺伝子の発現が抑えられ、メスの性決定に関わる遺伝子が活性化されることを明らかにしている。
そこで、Kdm6bにより活性化されるオス決定分子を探索し、ほぼ全ての脊髄動物種でオスの性決定を決めているマスター分子Dmrt1が、Kdm6b発現と相関して転写され、さらKdm6bをノックダウンした個体に強制発現させると、オスへと性決定する分子であることを見出している。すなわち、Kdm6bはヒストンの脱メチル化を通していくつかの遺伝子発現のスイッチを入れる役割を持っているが、最終的にオスへの性決定を行う分子は、Kdm6bにより転写が上昇するDmrt1であることを明らかにしている。
最後に、Kdm6bがヒストン脱メチル化酵素として働いて、Dmrt1の発現を上昇させているのか調べるため、Dmrt1遺伝子領域のヒストンの２７番目のリジンのメチル化を調べ、オスになる２６度だけでヒストンが脱メチル化されていることを明らかにしている。
以上から、
「温度の違いでまずKdm6bの発現が誘導され（このメカニズムについてはまだはっきりしない）、これによりオスへの性決定分子Dmrt1領域のヒストンが脱メチル化され、抑制が外れてオスへの分化が決定される」がオス決定のメカニズムで、この過程が誘導されないと、メスが生まれる」
と結論している。
今後本当に温暖化でオスが生まれないという心配が出てくれば、Kdm6b、あるいはDmrt1の発現を外部から調節することで、性を操作し、絶滅を防げる可能性があることがよくわかった。他の爬虫類種でも同じようなこと起こっているようなので、古典的だが、重要な性決定に関する研究と言える。
2018年5月14日
ビタミンDで私たちの頭に浮かぶのは、カルシウム代謝を通して働く骨のビタミンとしての機能だが、その核内受容体は様々な遺伝子の調節に関わっており、最近では慢性炎症を抑制する重要な分子ではないかと考えられている。だとすると、骨だけでなく様々な病気に関わる可能性がある。
今日紹介するソーク研究所からの論文は、ビタミンD（VD）が膵臓β細胞を炎症やストレスから保護し、糖尿病の治療標的として用いる可能性を示した論文で５月１７日号のCellに掲載された。タイトルは「Vitamin D switches BAF complexes to protect βcell（ビタミンDはBAF 複合体をスウィッチさせてβ細胞を保護する）」だ。
この研究は極めて重厚で総合力の高い研究で、読み終わって著者を見直すと、核内受容体研究のパイオニアR.Evansの研究室からで、なるほどと納得した。
研究ではインシュリンを分泌するβ細胞の維持に関わる分子をバイアスなしに探索する研究から始まっている。ソーク研究所はiPSの研究も盛んで、これを利用してヒトiPS由来のβ細胞からCRISPR/Cas9を用いて遺伝子を網羅的にノックアウトし、細胞の生存に必須と思われる分子のトップランクにビタミンD受容体（VDR）があり、この分子がIL-1による炎症性のストレスからβ細胞を保護することを発見した。これが発端で、VDが糖尿病に一般的に関わるという発見がこの論文の第一のメッセージだ。
しかしもっと面白い現象がメカニズムを追求するうちに明らかになる。VDR受容体と結合する分子を調べると、なんとBAF複合体の一つBRD9と、PBAF複合体のメンバーBRD7と結合することがわかった。BAFとPBAFはともにヒストン修飾を通して染色体を調節するが、BAFは染色体を閉じて転写を抑える方向、PBAFは染色体を開いて転写を高める方向に働くことがわかっている。VDRがこれら両方に関わるということは、VDによりVDR結合サイトの染色体の構造を閉じたり、開けたりする可能性を示唆している。
さすが核内受容体のパイオニアと言える膨大な実験を行なっているが、詳細を省いてまとめると次のようになる。
１） BRD９はVDと結合とは関係なく、VDRの９１番目のアセチル化されたリジンの存在する領域と結合する。
２） BRD７はVDと結合したVDRのやはり同じ91番目のアセチル化リジン領域に結合する。すなわち、VDRの同じ領域をBRD9とBRD7が競合し、VDが存在するとBRD7の結合が高まり、BRD9は遊離する。
３） 以上の分子構造から想像されるように、VDが存在するとVDR結合部位の染色体構造は開く。
４） しかし、染色体を閉じる働きを持つVRD9はVDとは関わらずVDRに結合しているので、VDの効果を上げるためにはBRD9がアセチル化リジンを認識するブロモドメインを選択的に抑制する阻害剤を加えると、完全にBRD9がVDR結合領域から追い出され、VDの効果が高まる。
５） VDR結合部位の染色体が開くと、細胞をストレスから守る多くの分子の転写が長期間続く。
以上のメカニズムを明らかにした上で、最後は様々な糖尿モデルで、原因に関わらずVDとBRD9阻害剤の組み合わせがβ細胞を守ることを明らかにしている。繰り返すが、iPSを用いた実験系の構築から、分子メカニズムの解析、そして治療手段の全臨床研究と、普通なら何編もの論文になるデータがつまった大変な研究だと思う。Evansも随分な歳になったと思うが、この仕事は自身の経験と若い考えが融合した研究の典型だと思う。
2018年5月13日
私自身は、医師として働いていた時も昼夜勤務をシステマティックに逆転させることはなかった。夜勤はあったが、私たちの時代は夜勤が終わってもそのまま勤務が続いたので、結局24時間勤務といった感じだったし、夜勤といっても夜起こされる可能性がある勤務で、まれに何もないとそのまま寝ていた。しかし、製造業、サービス業を問わず多くの人々がシステマティックな昼夜勤務体制をシフトさせて働いている。そして、これまで行われた多くの研究が、夜勤シフトに変わってリズムが乱れると、生物学的なさまざまな問題が出てくることを示し続けてきた。だからと言って、どうすればいいのか名案があるわけではないが、この生物学的変化を詳細に解析して、ストレスを減らす工夫も重要になる。
今日紹介するカナダ・マクギル大学からの論文は末梢血中の白血球の遺伝子発現を網羅的に調べ、夜勤シフトの遺伝子発現に対する影響を調べた研究で米国アカデミー紀要にオンライン掲載された。タイトルは「Simulated night shift work induces circadianmisalignment of the human peripheralblood mononuclear cell transcriptome （実験的に夜勤シフトを行うと、末梢血単球の遺伝子発現が概日リズムから外れる）」だ。
研究は8人のボランティアを朝10時就寝、夕方6時起床のリズムに変えて4日間生活させ、シフト前と、シフト4日目に4時間おきに採血、単球の遺伝子発現をマイクロアレーを用いて測定している。この夜勤シフトシミュレーションが実験的で、労働の現場でない点、あるいはアレーを用いた比較なので、RNAseqよりは不正確かなと思うが、これまでこの様な詳しい解析はほとんど行われてこなかった様だ。
結果だが、夜勤シフトは間違いなく遺伝子発現を変化させる。概日リズムを刻む遺伝子のうち約75％は、目や脳からの調節は効かず、昼勤務時のリズムをそのまま続けている。すなわち、頭と体が完全に分離している。原因か結果かはわからないが、サイクルがそのまま続く場合、ほとんどの遺伝子は発現が抑えられて、リズムの振幅が縮小する。
この論文を読んで初めて知ったが、転写調節に関わる遺伝子は夜に発現が高い概日リズムを持ち、逆に免疫など刺激への反応に関わる遺伝子は昼にピークを持つ様で、なるほどうまくできていると思う。従って、体の細胞のリズムが4日間では夜勤シフト後ほとんど変わらないというのは確かに問題だと思う。
もちろん、夜勤シフトでリズムそのものが変化する遺伝子も多くはないが特定されている。特に、リズムが逆転する遺伝子が24種類見つかっている。これらの遺伝子の機能を調べると、なんと7種類がNK細胞機能に関わる遺伝子であることがわかった。これまでの研究で概日リズムの乱れにより最も影響される細胞はNK細胞であることが知られており、この結果はこれと完全に一致している。
最後に、夜勤シフトの影響を強く受ける遺伝子（全体の3％ほど）のネットワークを解析して、発現が低下する遺伝子調節のハブになっているのがJUNで、逆にアップする方のハブがSTAT遺伝子であることを示している。この結果を生物学的な変化と対応させることは今後の重要なテーマになると思う。とはいえ、いずれの分子も勤務を変化させるから薬剤で抑えようという気になる分子ではない。
以上が結果の全てで、生活の変化でおこる体の変化を脳のレベルで調整することは、少なくとも1週間ぐらいでは難しいということだ。しかしこれがわかっても、労働環境を体のリズムに合わせられる社会の到来は、あるとしてもずっと先のことだろう。結局この仕事も、地球の裏側に1週間旅行するときの注意事項で終わってしまう。
2018年5月12日
マウスES細胞は、胎盤の元になる細胞と組み合わせると正常の胎児発生を遂げることができる。4倍体補完法と呼ばれる手法で、卵割時に細胞融合させて4倍体の胚を作り、その胚が胚盤胞まで発生した後、ES細胞を注入する。すると、4倍体細胞は胎盤にはなれるが、胚自体の形成ができないため、注入したES細胞だけからできた個体を得ることができる。この方法は、例えばiPSが単独で全ての細胞を形成できることを証明するための重要な手段として利用された。
いずれにせよ、バラバラになった細胞から極めて初期の胚を再構成することは簡単でない。4倍体でも、卵割を経て形成された胚の構造がないと、細胞の正常な発生が起こらない。この部分からだけ全体を再構成することが難しいことが、発生学の醍醐味でもあるし、また困難にもなっている。とは言え、この壁を破ろうとチャレンジは続けられている。
今日紹介するオランダ・マーストリヒト大学からの論文は、胎児の全ての細胞に分化できるES細胞と、胎盤を形成できるTS細胞からどこまで機能的な胚を再構成できるか調べた研究でNatureにオンライン出版された。タイトルは、「Blastocyst-like structures generated solely fromstem cells （幹細胞だけからできた胚盤胞様の構造）」だ。
これまでの長い研究で、正常個体の全ての細胞を形成できるES細胞と、胎盤など全ての胚外細胞は株化されている。この研究のゴールは、この2種類の幹細胞株を組み合わせて、個体へと発生する胚盤胞を形成することだが、もちろんこの研究ではそこまで達成できていない。達成できれば、世界中大騒ぎになっていただろう。ただ、不可能と諦めることはなく、最終段階に一歩近づいたことが示されている点では、重要な研究だと思う。
この研究では、ともかく胚盤胞に近い形態を作ることを最初のゴールに定め、24時間培養したES細胞塊にTS細胞を後から加えるという手法を用いて、ES細胞が内側、TS細胞が外側にある構造を作り、そこにWnt とcAMP シグナルを活性化させると、高い効率で胚盤胞様の構造が発生することを発見した。実際、内部細胞塊は多能性のマーカーNANOGを発現している。しかし、このままでは胚外のトロフォブラストはCdx2の発現が弱い。おそらく試行錯誤を繰り返し、この問題がFGF4,TGFβ,IL11を加えることで解決できることを示している。こうして形成した胚盤胞様構造内では、たしかに原始内胚葉まで観察できるが、私の目にも弱々しく、まだまだ構造化しているとは思えない写真だ。
一方、胚外のトロフォブラストについては完成に近づいているのがわかる。マウスの子宮に移植すると、子宮側の脱落膜反応を誘導し、正常胚を移植したのと同じ程度の胚外組織を形成する。ただ、胎児側の発生がないため、これ以上の発生は進まない。
この研究では、胎児側の発生条件を改善するのは諦めて、胚外組織の成熟を促す胚細胞の条件（例えば少し分化したEpiStemではうまくいかない）、あるいは胚外、胚内細胞の分子条件(BMP,Nodal, Klf6などの役割）についての研究に切り替えているが、詳細はいいだろう。実際には、脱落膜反応が確実に起こる胚外細胞まではできるが、内部細胞塊側の発生が組織化できていないため、これ以上発生が進まないことがわかっただけで大きな前進だ。あとは、ES細胞を継ぎ足したりして、原始内胚葉と原始外胚葉がしっかりと構造化した内部細胞塊をどう形成させるか、道は長いが最後の難関が代謝の問題であることもわかって、成功率は上がってきたと感じる。
2018年5月11日
６０歳を超えた頃から、皮膚が乾いて湿疹のような痒みに悩まされるようになった。ローションなどで保湿を心がけると、ある程度症状は治るので生活の支障になるほどではないので、特に保湿以上の処置はせずに今まで来ている。確かに、熱帯地方で湿気が高いところではアレルギーの発生が少ないことが知られている。しかし、なぜ皮膚が乾くと湿疹が出てくるのか、あまり真剣に考えたことはなかった。
今日紹介するチューリッヒ大学からの論文は、この素朴な疑問になんとか答えようとした研究で、少し中途半端な研究だなという印象はあるが紹介することにした。タイトルは「Humidity-regulated CLCA2 protects the epidermis from hyperosmotic stress （湿気により調節されるCLCA2が上皮を高浸透圧ストレスから守る）」で、５月９日号のScience Translational Medicineに掲載された。
読んでいくと驚くほどの研究ではないので、素朴な疑問に正面から取り組んだ点が評価されたのだろう。この研究では、まずFGF受容体が皮膚のケラチノサイトから欠損することで、皮膚のバリアー機能が障害され、慢性湿疹が起こるマウスを用いて、この症状を湿気で防げるのか調べている。研究ではFGFR1/2がケラチノサイトで欠損して湿疹が起こるマウスの症状を、湿度を上げることで改善できるか、まず調べている。結果は予想通りで、湿度を４０％に下げると、ケラチノサイトの肥厚と様々な炎症細胞が皮膚に浸潤する。ところが同じ実験を湿度７０％で繰り返すと、炎症がおさまる。確かに保湿は効果がある。
この湿度が遺伝的な原因の炎症を防ぐという現象に関わる分子を調べる目的で、高い湿度により変化するタンパク質を探索すると、いくつかのリボゾームタンパク質、ケラチン１６、そしてクロライドチャンネルと結合しているCLCA3A2(CLCA)が高湿度で低下することを発見する。また、この分子の発現上昇と皮膚のバリアー機能の低下が連動していることが知られていること、さらにこの分子の発現が低下すると、人間でも皮膚に湿疹が出やすいことが知られていることから、この分子の機能に絞って研究をしている。
この分子は、湿度を感じるというより、湿度が低下して皮膚の水分の浸透圧が上昇するストレスにさらされると、p38/JNKシグナルを介してケラチノサイトで発現が上がる。したがって、ソルビトールや高い塩濃度にさらすだけでも、マウス、人間共にケラチノサイトでの発現が上がる。これらの実験から、CLCAは皮膚が乾燥し浸透圧ストレスが発生すると、ケラチノサイトのアポトーシスを防ぎ、さらに皮膚からの水分蒸発を減らすよう細胞間接着を上昇させる、浸透圧ストレスから皮膚を守ることに関わる分子であることがわかる。
最後にアレルギー性の皮膚炎の患者さんでCLCAの発現を調べると、炎症によりケラチノサイトの肥厚が見られる部分に特に発現が上昇しており、人間でも重要な働きをしていることが示唆されている。
さて、全部読み通してわかるのは、炎症と湿度とCLCAの関係が単純でないことだ。もしCLCAの発現が皮膚をストレスによる細胞死から守り、接着を高めて乾燥を防ぐなら、保湿自体はこの反応を低下させることになって、保湿は悪いという話になる。もちろんそうではなく、湿度が十分ならCLCAは必要ないという話だ。ただ、CLCAと炎症との関係は、保湿でCLCAを低下させれば炎症が抑えられると考えないほうがいいように思う。
保湿の効果を真面目に調べるうちに、ケラチノサイトに対する高浸透圧ストレスに気づき、そのなかでCLCAが皮膚のバリアーを守る一つの分子であることがわかったという研究で、皮膚の乾きが常に問題になる高齢者の皮膚を理解するためには重要な切り口になるのかもしれない。
2018年5月10日
昨日に続いてプラナリアの研究を紹介する。それも、昨日と同じグループだ。昨日は、プラナリアを切ったり貼ったりして再生のルールを実験的に探る、いわば古典的手法の研究を紹介したが、同じグループが今度は、発生学に急速に導入が進む単一細胞の遺伝子発現を調べて、発生過程を細胞から再構築する、これまでとは異なる切り口の研究だ。この手法を用いた研究が、同じScienceにプラナリア、ゼブラフィッシュ（２報）、アフリカツメガエルと、なんと４報も掲載された。どれを取り上げてもいいのだが、昨日の研究との対比でプラナリアを取り上げることにした。
ずいぶん昔になるが、昨年亡くなった岡田節人先生から、発生学で最も有名なシュペーマンは論文に一度も細胞という言葉を使わなかったと聞いたことがある。自分で確かめていないので、真偽のほどはわからないが、場所と時間を基礎に組織化された生物個体を考える発生学のことを上手く表現されたのだと、個人的には全面的に信頼している。すなわち、体の「何処に何時」を問わずして発生学はないという話だ。従って、単一細胞の遺伝子発現を網羅的に調べられるようになっても、「何処何時」というラベルをつけた細胞を取り出して調べられることが多かった。ところが、今日紹介するホワイトヘッド研究所からの論文は、まずプラナリアの体を完全にバラバラにして、場所とは切り離した後、それぞれの細胞を調べ、発生のプロセスを再構築する手法を用いており、これまでの古典的発生学とは正反対のアプローチが取られている（昨日の研究と比べるとそれがよく分かる）。タイトルは「Cell type transcriptome atlas for planarian Schmidtea mediterranea（Schmidtea mediterraneaプラナリアの細胞種の遺伝子発現地図）」だ。
昨日も述べたように、プラナリアではあらゆる組織が全能性の幹細胞から恒常的に新陳代謝しているため、細胞の分化過程が全て体内で起こっている。従って、卵からの発生過程を追うことはしていない。代わりに、プラナリアをバラバラにして得られた個々の細胞で発現しているmRNAを網羅的に調べ、細胞のデータだけから細胞分化過程を再構築しようと試みている。ただ、細胞が発現する遺伝子の中には、体の体制に応じて発現するものもあることから、幹細胞の多い咽頭とそれ以外の３領域に分けて解析を行っている。
このような手法を用いる時、すべての遺伝子についての発現量をそのまま用いるグループと、一部の遺伝子を選んで用いるグループがあるが、どちらでもいいだろう。原理的には、選んだ遺伝子が一つの次元を形成し、各次元の発現量を数値化して、多次元空間に分布させた後、見やすいように次元を圧縮して細胞集団を定義するのが基本的手法だ。
この研究では、５万個に及ぶ細胞を解析しているが、プラナリアはカエルなどと比べるとより単純なので、そのまま多次元空間の分布を見るのではなく、発現量に差がある遺伝子と、すべての細胞に発現している遺伝子群に分けて、２次元の主成分解析を行うことで、細胞集団を分けているが、結局は他の論文と方向性は同じだ。
この解析から、２次元空間に分布した細胞を４４種類の明確な集団に分離できること、特徴的な遺伝子の発現から各集団の系統をほぼ特定できること、またこうして特定された細胞のプラナリアの体内での分布もほぼ予想通りなことを示している。すなわち、「何時何処」という情報がなくとも、かなりの精度で細胞の系列と分布を特定できることを示し、細胞からボトムアップでプラナリアを再構成することが可能であることを示している。
一種のデータベースができたわけで、あとはクエスチョンをもってこのデータベースを使えば様々なことが明らかになるだろう。論文でも、実に多くのクエスチョンが調べられている。主なところでは、
１） 幹細胞特異的な遺伝子を発現する集団だけ取り出してより詳しく見ると、これまでの研究で存在が想定されていた、最も未熟な幹細胞から各系列への分化方向が決まった中間段階への分化の階層性をほぼ完全に定義できる。
２） これまで特定できていなかった例えば腎臓の機能に相当する細胞集団の前駆細胞の特定や、消化管を上皮とゴブレット細胞に分けることができ、それぞれの前駆細胞も特定できる。
３） 神経系は２４種類の集団に分離することができ、このうちの多くがこれまで定義できていなかったこと。
４） RNA干渉を用いて発現遺伝子をノックダウンすることで、細胞分化の階層性を明らかにできること。
５） 同じ筋肉細胞でも、ボディープランに応じて場所に関わる遺伝子の発現が異なっていること、
などだが、これ以外にも多くのデータを示している。
ただこのような詳細は、このデータベースの有用性を示す一例に過ぎず、細胞レベルから見ることで、プラナリアの細胞構築を再定義できることさえわかれば十分だろう。詳細についてはぜひオリジナル論文を読んで欲しい。
この論文を読んでいて、わが国の再生生物学の草分け、江口吾郎先生が独特の名古屋弁で、「西川くんは（形のない）「血（ち）」をやっとるから・・・」とおっしゃって、私の思考法が発生学からちょっと外れていることを意識させてもらったのを思い出した。しかし、プラナリアの研究がここまで「血」の研究に近づいたのをみて、一度熊本までどう思うか聞きに行きたい。
2018年5月9日
CDB創立当時、新しい研究所を一般の人に認知してもらうためには「切っても切ってもプラナリア」の阿形さんの存在は大きかった。プラナリア再生の不思議については、神戸の子供達だけでなく、全国に知れ渡っていた。ある時知り合いの証券会社社長のMさんが東京から電話してきて、「子供がプラナリアの飼育にチャレンジしているのだが、うまくいかない」と聞いてこられた。早速阿形さんに連絡すると、水道水は一度沸騰させろとの指示があり、飼い方のマニュアルとともにMさんに送った。おそらく阿形さんのところには全国から多くの問い合わせがあったのだろう。Mさんの質問にも即座にしかし丁寧に対応するシステムができているのを知って本当に心強く思った。しかし、あれからずいぶん経ち、ゲノムを始め多くのことがプラナリアで明らかになった。それでも古典的な再生実験が生き続けているのがプラナリアだと思う。
今日紹介するボストン・ホワイトヘッド研究所からの論文は、古典的な再生実験を基礎に、プラナリアの再生のルールについて調べた論文で４月２７日Scienceにオンライン出版された。タイトルは「Self-organization and progenitor targeting generated stable pattern in planarian regeneration（自己組織化と前駆細胞の標的への誘導によりプラナリアが安定したパターンを再生する）」だ。
最近の研究をあまりフォローしていないためか、久しぶりに古典的再生研究に再会した気分になる論文だ。プラナリアでは脳も含めてほとんどの細胞が常に幹細胞から新陳代謝している。この定常的な細胞の動きは、すでに存在する体のパターンで制御されているが、体の一部を切ってしまうと、このパターンが狂う。この狂いが新陳代謝とは異なる、再生現象を生み出すことになる。この研究の売りは、目という小さな領域の再生と、頭を切り離したり、体の側面を全部切り離したりする大きな再生実験を組み合わせることで、幹細胞が適切な箇所に移動して臓器を作り直すルールがよりはっきりすると着想したことだ。
例えば目をくりぬくと、正常な目と同じ高さに前駆細胞が移動してきて、目が再生する。ただ、この実験だけだと元の高さに眼になる細胞を集める分子が発現しているとして話が終わってしまう。ところが、これに頭を切り離すという操作を組み合わせると、体を再生する過程が組み合わさり、再生とともに目の細胞を供給すべき標的領域は刻々変化する。このことから、再生眼はもう一方の眼の高さにまず形成され、体の再生とともに他の目と一緒に前の方に移動するのか、あるいはもう一方の眼の位置とは関係なく、体全体の再生ルールに従って新たに作られるかの２つの可能性が考えられる。
この研究では、実際に頭を切り離すと、元の眼の位置よりも前方に再生眼ができることを示し、場所決めが体の体制の影響があることを確認する。しかし、眼の一部を残して置くと、それが核となって元々の眼のあった場所に完全な眼ができることから、眼の細胞の組織的集合も重要な働きをすることも確認する。すなわち、体の体制に従って移動しながらある程度の細胞数が集まると、そこに再生眼ができるというシナリオに到達する。実際には、これまでの研究で前駆細胞を標識する分子マーカーや、この場所決めに関わる分子の可能性について、長い研究による知識が蓄積しているおかげで、実験結果の解釈は確実に容易になっている。要するに、
あとはオペレーションの規則が理解できると、自由自在に切断部分とその時間を変化させて、眼の高さを変えたり、目の数を思い通りに増やしたり、自由自在に眼の再生を操作できることになり、実際論文では、驚くほど様々なパターンの目の再生が起こった個体の眼の写真を示してくれている。
実際の実験の詳細はこれぐらいにして、これらの結果から考えられた臓器再生のルールを以下のようにまとめることができる。
１）一定数の前駆細胞が集まると自己組織化的に眼の形成が起こる領域が形成される
２）前駆細胞の集合と眼への分化を支持するフィールド(TAZ)が形成される、
３）TAZの中に前駆細胞が集まると、そこに自己組織化の核ができ、その場所に眼が形成されるTZになる。
４）TAZはWntとそれを阻害する分子の量できまる。
このルールさえ心得ておけば、再生の場所や数を人為的に決めることができるという結論になる。
ここまで、古典的実験といったが、同じグループはやはりScienceに単一細胞のmRNA発現を調べる最先端の研究も行なっている、高い実力を持ったグループだ。今後、古典的手法と先端手法を組み合わせて、プラナリア研究を新しい段階に引き上げるのではと期待している。
