1月23日:腸内細菌とホストの新しい関係(1月26日号Cell掲載論文)
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1月23日:腸内細菌とホストの新しい関係(1月26日号Cell掲載論文)

2017年1月23日
    腸内細菌叢に関する研究の勢いは今年も衰えることはないと思うが、これまでの様に、次世代シークエンサーを使って細菌の種類とその変化をただ特定するという研究は、この研究領域の主役から退き、ホストとバクテリアの相互作用に関わる分子メカニズムの研究がこの分野の主役として牽引するだろう。ただ、因果性を明確にしようとすると、細菌叢全体をそのまま対象にして研究することが困難になり、どうしても部分に焦点を充てざるを得なくなる。この矛盾する課題を扱うどんな新しいアイデアが登場するか、楽しみな一年になりそうだ。
   今日紹介するカリフォルニア大学サンフランシスコ校からの論文は、腸内細菌叢を構成する細菌に特異的に見られるペプチド合成系に着目し、細菌叢とホストの新しい関係の可能性を調べた研究で1月26日号のCellに掲載予定だ。タイトルは「Discovery of reactive microbiota-derived metabolites that inhibit host proteases(ホストのプロテアーゼを阻害する腸内細菌叢由来の代謝物の発見)」だ。
   この研究は、リボゾームとは無関係にアミノ酸を結合させて小さなペプチドを合成する細菌の能力に最初から焦点をあてて研究を行っている。もともとアミノグリコシル系の抗生物質はバクテリアの持つこの能力を利用したものだが、この研究ではこのグループがこれまで発見してきた腸内細菌に特に発現が多いペプチド合成系に焦点をあて、バクテリアゲノムデータベースを探索し、主に腸内に生息する嫌気性菌ゲノムに存在し、他の場所にはほとんど見当たらないペプチド合成酵素遺伝子を47クラスター発見している。
   次にこのクラスターを、遺伝子操作がしやすい大腸菌や枯草菌に組み込んで培養し、上清中に出てくるペプチドを質量分析器で解析し、ピラジノンやN-acylated dipeptide aldehydeなどのペプチドを合成できる機能的クラスターを7種類同定している。
   次に、試験管内で合成できるペプチドが、実際の腸内に存在する細菌が合成しているのか菌を培養して調べているが、一部の細菌で確かに合成が確認されているが、合成が見られる培地を見つけるのは困難で、この点については未解決のまま残されたと言える。ただ、遺伝子の配列は9割以上の腸内細菌ゲノムに見られ、腸内でRNAに転写されていることも確認されているので、今後新しいペプチドの発見を含む進展が期待される。
   最後に、今回特定したペプチドの一つPhe-Phe-Hが抗原をMHCにロードする際に重要な働きをするカテプシンを強く抑制することができることを示している。
   以上の結果と、この合成系が腸内細菌に特に強く発現しているという事実から、ホスト免疫系とうまく付き合う一つの進化として進化したのではないかと結論している。
   この研究は、これまでのバクテリアの代謝物や中間体がたまたまホストの機能に影響があったという関係を超えて、ホストの生体機能を外から調節するためにバクテリアが進化させた代謝物が存在し、ホスト〜バクテリアの関係を考えるときに、考えなければならないことを示している。その意味で、ホストとバクテリアの本当の共生関係を探る新しい分野であると言っていいだろう。すなわち、バクテリアもホストに合わせて進化している。
   加えて、こうして発見された様々な代謝物は、研究材料としても有用で、一石二鳥の分野だと思う。
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1月22日:鬱状態とJNK1(Molecular Psychiatry オンライン版掲載論文)

2017年1月22日
   うつ病にかかったことはなくても誰でも憂鬱な気分に沈むことはあるし、身近な人がうつ病にかかっていたという経験を持っていると思う。私も身近な人が重いうつ病にかかったという経験があるが、症状が重いとまず仕事を続けながら治療などと悠長なことは言っておられない。このうつ病に対しては現在、セロトニン再吸収阻害剤、セロトニン・ノルエピネフリン再吸収阻害剤が使われるが、これらは残念ながら対症療法でしかない。特に、最近の研究でうつ病の患者さんでは海馬の神経細胞増殖分化が抑制されている可能性が示され、根本的治療は細胞の増殖力や分化力を元に戻すことであると考える人が増えてきた。
   このホームページでも、
1) FGF2対して拮抗作用を持つFGF9を脳に投与するとラットの鬱状態を誘導できること(http://aasj.jp/news/watch/4086
2) 神経幹細胞を増殖させる化合物NSI-189の第2相の治験で症状は改善されるが、海馬の大きさは変化なかった(http://aasj.jp/news/watch/4537
などを紹介してきた。
   今日紹介するフィンランド・トゥルク大学からの論文も神経細胞の増殖分化を調節できればうつ病を治せる可能性を示した研究でMolecular Psychiatryオンライン版に掲載されてた。タイトルは、「JNK1 controls adult hippocampal neurogenesis and imposes cell autonomous control of anxiety behaviour from the neurogenic niche(JNK1は海馬の神経細胞生成を調節し、神経細胞生成能をもつニッチに起因する不安行動を細胞自律的に調節する)」だ。
   断っておくが、この研究は全てマウスで行われており、またメカニズムの解析も不完全だと言わざるをえない。とはいえ、現象自体は面白いので紹介することにした。
   研究はJun転写因子をリン酸化して活性化するJNK1遺伝子がノックアウトされたマウスが不安を感じなくなり、これと並行して海馬の顆粒細胞の増殖と分化が上昇しているという発見から始まっている。ノックアウトマウスは最初からJNK1が存在しないため、成体でのJNK1阻害剤の効果を調べると、長期間投与を続けると不安反応が低下し顆粒細胞の樹状突起が増え、細胞数も増えることを明らかにしている。以上の結果から、JNK1はなんらかの理由で海馬の顆粒細胞の増殖と分化を阻害しており、これを抑制することで、海馬での顆粒細胞の数や機能が促進され、不安反応が低下すると結論できる。JNK1阻害剤は必ずしも特異的でないので、これを確認する目的でレトロウィルスベクターを用いてJNK1阻害配列を海馬に注入し、成体での効果もJNK1の特異的阻害によることを示している。
   話はこれだけで、ではうつ病ではJNK1の活性が上がっているのか(これを示す論文は存在する)など、実際のうつ病患者さんの解析が必要になる。うつ病に海馬幹細胞の増殖が関わっているという可能性はヒトで完全に証明されたわけではない。また、鬱状態で脳の酵素活性を調べることも簡単ではない。したがって、この発見をすぐに臨床応用することは難しいだろう。その意味で、Neuralstem cell Incが進める、幹細胞増殖活性化化合物の治験は重要な意味を持つだろう。これが成功裏に終われば、まず重症患者さんに限ってJNK1阻害剤などの治験も行われるようになると思う。その意味では、試験管内で人間の神経幹細胞を用いた研究が重要になる。
   重症のうつ病患者さんの治療の難しさを考えると、発展を期待したい。
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1月21日:心臓機能補助・ソフトロボット(1月18日:Science Translational Medicine掲載論文)

2017年1月21日
    2000年に入ってから、小型の埋め込み型補助人工心臓の開発が加速し、最終的に心臓移植以外の治療法がない患者さんでも、自宅で長期間生きることが可能になり、装着数は飛躍的に増加していると思う。しかし、いくら埋め込みと言ってもこの方法では循環システム外に血液を流す必要があり、凝固を防ぐためワーファリンなどの抗凝固剤の投与が必要で、常に出血の危険と隣り合わせになる。
   この問題を解決すべく、心臓を空気で膨れたり縮んだりするパイプが埋め込まれたシリコンで包み込んで、心臓の動きに合わせて空気を出し入れすることで、心臓の収縮・拡張を助ける方法の補助心臓の開発が続けられていた。この方法の最大の利点は、血液を本来の循環システム外に導入する必要がないことから、抗凝固剤を必要としない点だ。
   今日紹介するハーバード大学からの論文は、この方法が臨床応用までもう一歩のところに来たことを示す研究で、1月18日号のScience Translational Medicineに掲載された。タイトルは「Soft robotic sleeve supports heart function(柔らかいロボット化したカバーを使って心臓の機能を助ける)」だ。
   このソフト補助心臓カバーには心筋の走行性に合わせ、斜めのパイプと、水平に丸く取り巻くパイプが任意の数設置できる。収縮拡張には空気を用いるが、それぞれのパイプを別々に時間コントロールすることで、通常の心室が収縮するのに近い動きを再現している。また、それぞれの収縮拡張のタイミングを、本来の心臓の動きと完全に連動できる。
  こうして作成した補助心臓を、まずは安楽死させた豚の心臓に装着し、血液の拍出量等を実測した後、急性心停止を起こさせた豚に15分装着して、急性に不全に陥った機能を回復できるか調べ、90%近い回復が可能であることを示している。最後により実践的な心停止モデルでも装着して、エコー検査で機能回復を確認している。また、長期間心臓に装着しても、炎症が起こらないことも確認している。
   この研究では急性の心不全に、しかも短期に装着する実験だけが行われ、現在用いられている補助人工心臓の様に何年もこれが機能するかどうかめどがたつためには、何年もの年月がかかるだろう。しかし、様々な原因の急性心不全で心臓が回復するまで補助するためには、比較的早い段階で臨床に使われる可能性があると思う。さらに、このカバーに持続的注入器を装備して、心筋細胞や薬剤を注入しながら回復を待つことも可能だと提案している。人型ロボットには大きな関心が集まっているが、この様な見えないロボットも着実に進歩していることがよくわかった。
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1月20日:人間でしかできない統計研究(American Journal of Hypertension及びJAMA Pediatricsオンライン版掲載論文)

2017年1月20日
   人間でしか研究できない、あるいは気づかない課題は山ほど存在する。例えば言語能力となると、当然人間でしか研究できないが、それ以外にも哺乳動物共有の性質だが、人間を見ていないと気づかないことは存在する。この様な性質の中には、動物で実験し直せば面白いかもしれない性質がある。今日は最近読んだ中で動物でも実験してみたら面白いと思った2編の論文を紹介したいと思う。いずれも先進国の医療機関が、途上地域に出かけて行ったコホート調査だ。
  最初はカナダ・トロントにあるマウントサイナイ病院が中国瀏陽市で行っている妊娠前から出産後まで追跡するコホート研究の解析からわかった不思議な現象についての報告でAmerican Journal of Hypertensionオンライン版に掲載された。タイトルは「Maternal blood pressure before pregnancy and sex of baby: a prospective preconception cohort study(妊娠前の血圧と生まれた子供の性別:妊娠前からの前向きコホート研究)」だ。
  タイトルを見てわかる様に、妊娠前の血圧が高いほど男の子が生まれる確率が上がるという話だが、最初からこの問題を調べようとしたのではないだろう。2009年から3,000人近い妊娠前の女性をリクルートし妊娠、出産、育児と継続的に様々な項目について調べる研究だ。カナダの研究機関がわざわざ中国に出かけてと思うが、湖南省の瀏陽市では民族的にも環境的にも揃った集団を追跡することができるためだろう。実際、出産年齢も平均25歳と極めて揃っている。こうして得られたデータと、生まれた子供の性別に影響する様々な要因(血圧、喫煙、肥満度、教育、コレステロール値、血糖値)との相関を調べた結果、驚くことに血圧のみ強い相関があるのに気づいている。データに影響する様々な要因を補正して調べると、男性が生まれる確率はオッズ比で血圧とともに比例して上昇、例えば収縮期血圧100で1とすると、120で1.5、160で2.5だ。しかも、妊娠前の血圧のみ相関が見られ、妊娠中の血圧は生まれた子供の性別とは全く相関がない。
  おそらく他の研究で確認される必要があるが、現象としては面白い。しかし今の所理由は全くわからない。これまで、テロの襲撃にあったといった大きなストレスにさらされた女性からは男児が生まれやすいことを示す研究もある。こんな話から、重要な発見があるかもしれない。
   同じ様に、理屈を調べれば重要なことがわかるのではと思った論文がスウェーデンのウプサラ大学からJAMA Pediatricsオンラン版に発表された。タイトルは「Effects of delayed umbilical cord clamping vs early clamping on anemia in infants at 8 and 12 months(臍帯結紮の時間と8、12ヶ月時点での貧血)」だ。
   比較的古くから生後すぐに臍帯を結紮しないで、3分以上待ってから結紮すると子供の血液量は30−40%増え、新生児の血行や呼吸動態をよくすることが知られている。ただ、このグループがスウェーデンで無作為化して臍帯結紮時期を変え、長期効果を調べたところ、早くても遅くても、あまり変化がなかった。一方、発展途上国で行われた研究では、結紮を遅らせると、8ヶ月経った後も貧血が少ないことが示されており、
   この違いを明確にするため、ネパール・カトマンズの病院で、無作為化研究が行われた。方法は徹底しており、臍帯結紮時間をストップヲッチで正確に指示、記録している。出産後8、12ヶ月で貧血を中心に検査を行い効果を確かめている。最終的にはそれぞれ150人程度の子供を追跡できている。
   結果は明確で、8ヶ月時の鉄欠乏性貧血で見ると、早く結紮すると38%、遅く結紮すると22%と多く改善している。その後1年目になると、43%、35%で差は縮まっているが、やはり遅く結紮したほうが良い。
   驚くのは、ネパールではまだ子供の貧血率が高いことだ。実際、8ヶ月より12ヶ月後の貧血率は高くなっている。おそらくスウェーデンで行われた調査で差が出なかったのは、子供の栄養がよく、もともと貧血率が低いからだ。このことから、途上国では間違いなく臍帯結紮を3分間待ったほうがいい。一方、基礎研究側から言うと、幹細胞の数が増えたからだろうと単純に説明しないで、様々な可能性を調べることは、今後途上国の母子衛生に重要な示唆を与えられるのではと思う。
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1月19日:動物のロボット化(1月12日号Cell掲載論文)

2017年1月19日
   分野を問わず論文に目を通すようになって感じるのは、読者から見たとき脳研究領域が面白いという点だ。もちろん脳の解明は21世紀を超えた最も重要な分野で、何を今更と言われそうだが、この面白さの感覚は、重要性の認識や、新しいことがわかるということとは別の原因があるように感じていた。
   同じことを考えながら今日紹介する、ネズミが餌を追いかけて食べるという一連の過程に関わる脳回路を調べたイェール大学の論文を読んでいるうちに、突然、ずいぶん昔に見たキューブリックの映画「時計仕掛けのオレンジ」が頭に浮かんだ。黒、白、赤が強調された原色の画面と、大音量で暴力シーンに流れるベートーベンの第9交響曲以外の詳細は思い出さないが、この映画の主人公アレックスの暴力性を脳科学的に治療しようとするイメージが、この論文と重なった。そのおかげで、最近の脳科学の面白さの一つの理由が、生きた生物を、機械仕掛けのロボットのように意のままに動かすという研究者の欲望を、光遺伝学をはじめとする様々なテクノロジーが解放したからではないかということに気がついた。
   前置きが長くなったが論文のタイトルは「Integrated control of predatory hunting by the central nucleus of the amygdala(捕食行動は扁桃体中心核により統合的に制御されている)」だ。
   この研究では、ネズミがコオロギを追いかけ、補足し、食べるという一連の動作に関わる神経回路の解明を目指している。これまでの論文なら、行動中の脳活動の記録から始まるのだが、この論文では最初から扁桃体中心核がこの過程をコントロールするとあたりをつけて、中心核のGABA作動性神経を光でコントロールできるマウスを作成し、疑似餌にたいしても補足し噛みつくこと、また本当のコウロギをハントする速度が上がることを示すことから始めている。
   その後、実際の捕食活動での記録、光遺伝学を用いた様々なタイプの神経(GABA 作動性、グルタミン酸作動性)の操作、同じく化学物質を用いた操作をそれに組み合わせる実験などから、扁桃体中心核が、捕食のための首と肩の筋肉の動き、補足後に食べるかどうかの判断など、必要なすべての行動を制御していることを明らかにしている。例えば、扁桃体から網様体へ投射する小細胞性ニューロンは噛みつく動作を抑制しており、この神経を活性化すると、噛み付いて殺す動作が抑えられる(この辺を読んでいたとき突然時計仕掛けのオレンジがひらめいた)。
   詳細は全て省いていいと思うが、一連の動作の促進も抑制も、同じ場所に収束し統合されていることが解剖学的、生理学的に示されている。この様な領域は例えばダマシオらがConvergence-divergence region (CDR)と呼んだ機能領域に一致するが、これを操作して本当にマウスを機械仕掛けの様に動かせるのは圧巻だ。新しいテクノロジーを用いた脳科学も一つのピークに差し掛かった気がする。
   さて時計仕掛けのオレンジに戻ると、映画では人為的洗脳は完全でないことが示唆される。すなわち、暴力性に対抗する良心が生まれるのではなく、暴力性だけが抑制されただけであることがわかる。しかしそんなことにはお構いなく、人間のマインドコントロールに使えないかなどと思い始める権力者がでないとは限らないとちょっと心配になる。
   幸いこの研究グループは脳に限らず広い視野を持っている様で、捕食活動は、顎を持った脊椎動物の進化とともに発生したはずで、これは顎を持たない八つ目ウナギに扁桃体結合が存在しないことから想像できることを議論している。
   今の脳科学が生物を機械の様に動かしたいという研究者の本能を解放したことを考えると、広い視野と倫理性を持つ若者の育成の必要性を実感する。
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1月18日:全能性のES/iPS(1月12日号Science掲載論文)

2017年1月18日
    Natureに掲載された2報の小保方論文を見たとき、STAPがES細胞と決定的に異なると思ったのは、若山さんがlast authorのletter の方の論文の最初の図に、STAPが胎盤と胎児の両方に分化することが示されていたからだ。私が記憶する限り、このデータは、最初2年ほど前に見せてもらった論文のドラフトにはなかったと思う。この結果は単純にES細胞を注射する実験では得られるはずがなく、当事者からの説明ができていない点だと思っている。
   一般的にES細胞やiPS細胞は胎盤などの胚外組織に分化できないため、多能性(Pluripotent)であっても全能(Totipotent)ではない。このため、この差を生む分子メカニズムは多能性の研究にとって重要な課題だった。
   今日紹介するカリフォルニア大学バークレー校からの論文は、この違いが一つのマイクロRNA、miR-34aによって決められている可能性を示す研究で1月12日号のScienceに掲載された。タイトルは「Deficiency of microRNA miR-34a expands cell fate potential in pluripotent stem cells(miR-34マイクロRNAの欠損は多能性幹細胞の分化能を拡大する)」だ。
   どうもこの発見は、研究の過程でたまたま見つかり、著者らも驚いたといったたぐいだ。もともとmiR-34aをノックアウトすると、iPSの樹立効率が上がることが知られており、これについて深掘りしていたのだろう。ところが、miR-34a欠損iPSからできたテラトーマの中に、胎盤細胞が存在していることに気づき、また同じことは試験管内の培養でも再現できることを発見する。そこで、miR-34a欠損細胞を胚盤胞に移植する実験を行い、まず普通なら内部細胞塊だけに組み込まれるES細胞が、胚外の栄養膜細胞にも組み込まれること、そして分化した胎盤にも注入細胞由来の細胞が見つかることを示している。すなわち、全能性を獲得したES/iPSが樹立されたことになる。
  次に、この全能性が獲得された分子メカニズムの解析に進んでいるが、遺伝子発現の比較では内因性のレトロウイルスMERVLのヒストン修飾がオン型に変わり、ウイルス分子が発現していること以外に明確な違いを見出すことができなかったようだ。ただ、この発現は正常マウス発生でも、全能性を持つ細胞だけに見られることから、たしかにmiR-34a欠損と全能性とが一致することは明確だ。そこでMERVLの発現誘導のメカニズムを探索し、miR-34aの標的GATA2がMERVLの発現調節の必要十分条件であることを示している。
   残念ながら、なぜ全能性が獲得できたのかの完全な答えは得られていない。しかし、この研究としては単一のmiR-34a欠損細胞が両方の組織に組み込まれているという結果で十分なような気がする。この分野にはプロが多くいる。納得いく説明があっという間に出てくるだろう。
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1月17日:翻訳開始の狂いがガンを誘導する(Natureオンライン版掲載論文)

2017年1月17日
     ガンについてゲノムだけでなく、mRNA,タンパク質、エピゲノムなど総合的なデータベースが構築されつつある。これにより明らかになったことのひとつが、多くのガンでmRNAとタンパク質の発現が一致しないことが明らかになり、ガン遺伝子の発現が翻訳調節プログラムを変化させる可能性が示唆されている。
   今日紹介するロックフェラー大学からの論文は、山中4因子の一つSox2が、これを発現している皮膚ガンや肺ガンの翻訳プログラムを狂わせ、発がんに関わるのではという可能性を調べた研究でNatureオンライン版に掲載された。タイトルは「Translation from unconventionall 5’ start sites drives tumour initiation (普通でない5’非翻訳領域からの翻訳開始が腫瘍の発生を誘導する)」だ。
   この論文は皮膚発生や発ガン研究の第一人者フックスの研究所からで、おそらく皮膚ガンだけでなく、肺がんや、喉頭がんなどの扁平上皮ガン共通に発現し、またESやiPSの多能性維持に必須のSox2自体の機能について調べていたと思う。研究を進めるうちにSox2を発現する基底細胞ではmRNAからタンパク質への翻訳スピードが一般的に低下する一方、リボゾームに結合しているmRNA領域の配列からガンが持つストレス抵抗性に関わる様々な遺伝子の翻訳が選択的に維持されることがわかった。
   翻訳が全般的に低下している中で、発ガンに関わる遺伝子の翻訳が選択的に上昇する原因をさらに探索すると、このようなタンパク質では翻訳開始が通常のAUGサイトより上流へシフトすることが翻訳を構造的に安定化させ、これに呼応して合成されるタンパク質の長さが多様化することが明らかになる。不思議なことに、この5’ UTRへのシフトを示すタンパク質の多くが発ガンに関わることから、扁平上皮ガンではSox2の発現が前癌状態を形成していると結論している。
   次に翻訳の5’UTRへのシフトのメカニズムを明らかにするため、750種類のsiRNAを胎児の羊水から発生中の皮膚細胞に導入するという大変な探索実験を行い、Sox2を発現した細胞では、通常の翻訳開始に関わるEif2αを核にする分子セットの活性が低下し、代わりにEif2Aを核にするセットの活性が高まることが、翻訳全般が低下する中で、一部のmRNAの翻訳が上昇する原因になっていることを明らかにした。
   最後にSILAC法(以前の記事参照:http://aasj.jp/news/watch/827)を用いて、Eif2αからEif2Aへのシフトにより、ガンに直接関わるRASやKi67分子の翻訳が選択的に高まることを示し、Sox2発現、全般的翻訳低下、ガンに関わる分子の選択的翻訳増強、そして発ガンの一連の過程の分子メカニズムについてのシナリオを完成させている。
   特異の皮膚上皮細胞操作技術に加えて、ribosome protected sequencingからSILACに至るまで、最先端の解析手法を用いて、他を寄せ付けない研究といえる。とはいえ、ちょっと結論を急ぐ感があり、またなぜ扁平上皮ガン共通にSox2が発現する意味についてはわからないまま終わった気がする。そして何より、このシナリオのmRNA選択制、例えばiPSでは同じことが言えるかなど、このシナリオを受け入れる前に知りたいことは多い。
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1月16日:クエン酸回路の酵素がミトコンドリアから核に移動して転写開始に関わる(1月12日号Cell掲載論文)

2017年1月16日
   毎日論文を紹介しようと思い立ってもう2年近くになるが、「今日は読んだ論文が面白くないので紹介できない」という気持ちになったことはない。ほとんど、「どれを紹介しようか?」と悩むぐらい、毎日興味を惹かれる論文が数多く発表されている。17世紀近代誕生以降、おそらく新しい知識を生み出すという点で、結局前進しているのは科学だけという状況になっていると思うのは、科学者の思い上がりだろうか?
   個人的に一番面白い論文は、「どうしてこんなことが今までわからなかったのか?」と思う発見についての論文だ。その典型例が今日紹介するUCLAからの論文で1月12日号のCellに掲載された。タイトルは「Nuclear localization of mitochondrial TCA cycle enzymes as critical step in mammalian zygotic genome activation(ミトコンドリアのTCAサイクルに関わる酵素の核移行は哺乳動物の受精卵のゲノムの活性化に必須のステップ)」だ。
   タイトルにあるTCAサイクルはクエン酸回路のことで、酸素呼吸を行う生物の最も重要な代謝回路と言っていいだろう。この反応は、ピルビン酸がピルビン酸デハイドロゲナーゼ(PDH)によりアセチルCoAになるところから始まるが、全てミトコンドリアの中で行われる(と思っていた)。
   この研究は受精卵が分裂を進める過程の代謝を調べ、最適の胚培養法の確立を目指していたのかもしれない。ピルビン酸の存在しない培地でマウス受精卵を培養すると、2分割して止まる理由を調べるうちに、培地にピルビン酸が存在しないと受精卵の新たな転写が起こらないことが、胚発生が停止する原因であることを突き止める。そこでピルビン酸からアセチルCoAへの経路に関わるPDHやその活性を調節するPDKなどの酵素について調べるうちに、ピルビン酸存在下のみで活性のあるPDHが核に移行し、活性のないリン酸化PDHはミトコンドリアに残ることを発見した。
   ミトコンドリアの酵素が核に移行するという話はこれまでも報告はされているが、初期胚ではクエン酸回路でスクシニルCoAのできる前の段階に関わる酵素の全てが系統的に核移行しており、また完全に胚の新たな転写開始と一致していることから、この移行により核内でクエン酸回路の最初の過程がオペレートすることが必要と結論している。
   次の問題は、この移行の機能だが、ピルビン酸が存在しないとアセチル化H3K4が欠損し、メチル化H3K27も消失することから、ヒストン修飾にクエン酸回路酵素が関わり、ヒストン修飾異常により転写が開始しないと結論している。一方、核移行のメカニズムについては、酵素に糖が付加されシャペロンにより核に移行する可能性をあげている。
  残念ながら、核内移行のメカニズム、転写開始とクエン酸回路をつなぐ分子などについては完全に解明できていないことから、全貌が明らかになったとは言い難いが、ミトコンドリアの酵素が大挙核に移動することが正しいなら、クエン酸回路はミトコンドリアという教科書的話は通用しなくなる。おそらく哺乳動物特異的だと思うが、なぜこんなことが今までわからなかったのかと思うとともに、「真実は細部に宿る」ことを実感する面白い論文だ。もう少し深くこの現象の意味とメカニズムを知りたいと思う。
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1月15日:私たち真核生物の先祖(Natureオンライン版掲載論文)

2017年1月15日
   現存の地球上の生物は、核膜でDNAを包み込んでいる真核生物と、核膜構造が見られない細菌生物に分けることができ、この細菌をさらに、真正細菌と古細菌に分けることができる。真核生物と細菌類の差は核膜の差にとどまらず、細胞骨格、ミトコンドリアやクロロプラスト、ゴルジや小胞体などの細胞小器官、細胞分裂、そしてクロマチン構造など、ありとあらゆる複雑性が真核生物誕生とともに細胞内に持ち込まれた。この過程にリン・マーギュリスの革命的アイデア内部共生説が関わることは間違いないが(生命誌研究館に書いた記事を参照してください:http://www.brh.co.jp/communication/shinka/2014/post_000008.html)、ミトコンドリアや遺伝子水平移動だけでこの複雑性の全てを説明するには至らない。特に、内部共生が可能になるためには、細胞骨格の発達、ファゴサイトーシス、細胞小器官の移動の調節に関わるメカニズムがどこかで用意される必要があった。
   ゲノム時代に入って、真核生物と細菌類のゲノムの比較から、真核生物が古細菌に近いことが明らかにされ、真核生物は古細菌がαプロテオバクテリアの仲間を取り込んで生まれたと考えられるようになった。2015年に入って、これを裏付けるように、ゲノムレベルで真核生物に最も近く、これまで真核生物にしかないと考えられていた細胞骨格形成や小胞体などの輸送に関わる分子をコードする遺伝子を持つLoki古細菌及びThor古細菌が発見され、内部共生説に至る準備過程が徐々に明らかになってきた。
   もちろんLoki古細菌の発見は、真核生物誕生の新たな疑問を呼び、Loki古細菌類と真核生物のギャップを埋めるための試みが始まった。
   今日紹介するスウェーデン・ウプサラ大学からの論文はこのギャップを埋める新しい古細菌Asgard古細菌類の発見でNatureオンライン版に掲載された。タイトルは「Asgard archea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity (Asgard古細菌は真核生物の細胞の複雑性の起源を明らかにする)」だ。
   この研究のハイライトは、Loki古細菌と真核生物のギャップを埋めるために選んだ方法だろう。細菌というとこれまで培養してから遺伝子を調べないと、どの遺伝子が例えばLoki古細菌に属するのか特定するのは難しかった。しかし、メタゲノム解析と呼ばれる特定の場所に存在する全ての細菌のゲノムの配列を一挙に決定した後、情報処理技術を使って一つ一つの細菌のゲノムを再構築する方法が発達し、細菌が培養できなくともゲノムを比べることが可能になった。この研究では、この方法が使われた。
   ギャップを埋める古細菌を求めて今回、Loki古細菌が見つかったロキ熱水噴出孔をはじめ、イエローストーン国立公園、竹富島の熱水噴出孔まで、世界中から集めた水中堆積物に含まれる全てのDNAの配列を解読している。実際には6880億塩基対(ヒトゲノムの200倍分)の配列を解読し、この中から30億塩基対の長い配列を再構築している。
   さて結果だが、著者らが期待した通り、真核生物特異的と考えられていた多くの遺伝子を持ち、DNA配列上でもLoki古細菌と真核生物を埋める新しい古細菌を発見することができた。Loki, Thorともに北欧神話の神々の名前で、今回新たに発見された2種類もOrdinとHeimdallという北欧神話の名前がつけられた。そしてLoki,Thorを合わせた群を北欧の神々が棲む世界Asgardと命名している。
   新たに発見されたHeimdall, Ordinから得られた進展をまとめると、
1) ゲノム配列を様々な方法で比べ、Asgard古細菌群と真核生物は共通祖先から別れてきた生物で、最も真核生物に近いのがHeimdallである事。
2) これまで真核生物特異的とされてきたほとんどの遺伝子群は、Asgard群全体を探索すると特定できる事、
3) 特に、角膜形成、小胞体のゴルジ体への輸送、他の細胞を取り込むために必要な貪食などに関わる、細胞内膜制御分子が揃っている事、
4) 小胞体輸送に関わる遺伝子群はクラスターを形成してセットになっていること、
5) これまで探し求められていたチュブリンの相同分子が特定できた事、
などをあげる事ができるが、これらはこれから始まる大きな物語の序章に過ぎないだろう。
   真核生物誕生まで、生物の全進化時間のほぼ半分以上が費やされている。なぜ進化は複雑化の方向へ進むのか、遺伝子の水平移動や、細胞同士の合体など、Asgard古細菌群の研究は今後ゲノム研究を超え、実際の進化再現研究へと大きく展開する可能性を秘めている。
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1月14日:文化とリズム感覚(2月6日発行予定Neuron掲載論文)

2017年1月14日
   個人的興味から、音楽や言語に関わる心理学や、脳科学については今年も積極的に紹介したいと思っている。この領域の研究で最も面白いのは、研究者逹がどのようにして、極めて複雑な音楽や言語の中から一部の要素を取り出し、それを科学的な指標に変えて分析するかという課題の設定だ。この能力は誰もに備わっているわけではない。言語や音楽にかなり専門的な知識がないと、課題の設定どころか、問題設定すら難しい。かくいう私も、自分がこの領域を研究する側に立つことなど想像だにできないが、それでもこのような論文は大変面白い。
   今日紹介するコロンビア大学からの論文は私たちの持つリズム感を科学的に測定しようとした研究で2月6日発行のNeuronに掲載予定だ。タイトルは「Integer ratio priors on musical rhythm revealed cross-culturally by iterated reproduction(音楽のリズムの整数比は繰り返して再現することで文化の違いがわかる)」だ。
   会議などで様々な国の人と一緒になると、私たちの持っているリズム感は生まれつきではなく、文化や訓練により醸成されていることを感じる。私自身はリズム感がない方なので、特に違いを感じることが多い。この研究では、この文化や訓練で獲得されたリズム感を将来科学的に研究できるようにするための方法論の確立を目指している。
   論文を読むと、論調が若々しい。少し気になって著者のJacobyさんをウェッブで調べると、2000年にヘブライ大学数学・物理学科を卒業の若手研究者で、MITでポスドクをした後、コロンビア大学で独立しているようだ。このようなユニークな若手がどんどん活躍できることが、このような分野では重要だ。
   さて研究だが、MRI、脳波計、PETなどの大掛かりな機器は全く使っていない。リズム発生器と、被験者の発するリズムの測定法があればそれで十分。どの研究室でも安価に出来る実験だ。様々な実験を行っているが、タン、タン、タン〜(1:1:2)といったように様々な整数リズム、時によっては非整数のリズムを聞かせながら、それを指のタップでなぞってもらう。その後で、同じリズムを今度は思い出してタップで再現してもらう。場合によっては声でリズムを刻んでもらう。この被験者がタップや声で再現したリズムを著者らがリズムスペースと呼ばれる3次元空間にプロットし、それを2次元表示したものを指標として使っている。
   もともと私たちには文化や訓練によるリズム感が刻まれてしまっているため、初めて聞くリズムをなぞるには慣れが必要だが、繰り返すと被験者がなぞったリズムは、聞かせたリズムの周りの一定の範囲に集まってくる。このパターンは、指タップでも、発生によるリズムでも同じような分布を示す。また音楽家と素人でそれほど大きな差はない。こうしてプロットしたパターンを調べると、どのリズムが被験者にとってなぞりやすいかがわかる。例えば1・1・2や2・1・1、1・2・1などのリズムはアメリカ人がもともと持っているリズム感に近いことがわかる。
  この研究のハイライトは、次に西欧音楽には触れたことのないアマゾンの原住民に同じ実験を行い、プロットのパターンが大きく異なることを示している。アマゾンの原住民は1・1・1 あるいは1・1・2に強くバイアスがかかっており、3・2・3、2・3・3に対して全く反応しないことがわかる。想像通り、リズム感は文化により異なる。ただ、訓練でそれが大きく変化することはないという結論になった。
   話はこれだけで、要するにリズム感の民族差を簡単に計る方法を開発したという研究だ。今後、同じ方法を使って様々な民族が比べられ、それと脳活動との関係が調べられるだろう。しかし、あらゆる研究には、誰もが可能な測定法の開発が必要で、それができたことをNeuronの編集者たちも評価し掲載することを決めたのだろう。この研究者には今後も注目したいと思う。
カテゴリ:論文ウォッチ
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