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5月13日:夜勤へのシフトの影響を遺伝子発現からみる(米国科学アカデミー紀要オンライン掲載論文)

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。
カテゴリ:論文ウォッチ

5月12日 細胞から胚盤胞を再構成する(Natureオンライン掲載論文)

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。
カテゴリ:論文ウォッチ

5月11日 湿気と保湿(5月9日号Science Translational Medicine掲載論文)

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。
カテゴリ:論文ウォッチ

5月10日:細胞からプラナリアを見る(4月19日Scienceオンライン掲載論文)

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。
カテゴリ:論文ウォッチ

5月9日:プラナリア臓器再生の法則性(4月27日号Cell掲載論文)

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。
カテゴリ:論文ウォッチ

5月8日 フィリピン原人の痕跡(Natureオンライン版掲載論文)

2018年5月8日
私が中学生の頃は世界各地で別々に人類発生が起こったように錯覚していた。最も古い人類として習ったのは、現在で言うエレクトスの仲間で、ヨーロッパではハイデルベルグ原人、アジアではジャワ原人と北京原人がそれを代表していた。その後の研究で、実際にはエレクトスもアフリカで誕生し、得意の二本足歩行で世界へと拡大したことが常識になっている。

今日紹介するパリの自然史博物館からの論文は、なんと大陸から離れたフィリピン群島にも同じエレクトスと思われる原人が生息していたことを示唆する論文でNatureオンライン版に掲載された。タイトルは「Earkiest known hominin activity in Phillipines by 709 thousand yrars ago (フィリピンで70.9万年前までに生息していた最も古い人類活動の痕跡)」だ。

これまでフィリピンで最も古い人類の痕跡は、約7万年前の骨だった。日本で発見された現生人類の骨は3.4万年前なので、それよりは古く、だいたいオーストラリアへのホモ・サピエンスの移動時期とオーバーラップしている。この研究では2013年から始められていたGagyan渓谷の発掘現場から発見された土器と数多くの動物の骨を分析して、当時に生きていた人類の影を探っている。発見地層の水晶についての年代測定から約70万年前で、ジャワ原人の生息時期に近い。

発見された石器は57個で、これらはあまり遠い距離を運ばれた形跡はなく、叩き出す技術も単純で、叩き出した後の石器にはそれ以上の細工の後がないことから、ホモ・エレクトスの制作による、いわゆるアシューリアン型と呼ばれるタイプであることがわかった。

残念ながら実際の原人の骨は出土していないが、石器があることは70万年前のフィリピンにエレクトスが存在していたことを強く示唆している。これ以外にも、加工されていないが人類が使っていたと思われる石が数多く見つかっている。

動物の骨は400個発見されたが、そのほとんどは一匹のフィリピンサイ由来で、全て関節が外され、3x2mの領域にバラバラに存在していたことから、空気中でバラバラにされた後、泥に埋まったと考えられる。重要なことは、骨に切れ目が入っていることで、石器で叩いて骨髄を取り出して食べた後と考えられる。この骨の年代を様々な方法で測定し、いずれの方法でも70万年以上前に殺されたと考えられる。

以上の結果から、フィリピン原人は70万年以上前に存在してた。問題は、2足歩行のフィリピン原人が、海も渡ってルソン島にやってきたのかだ。当時は海面が低く、ボルネオや台湾はユーラシア大陸と陸続きだった。しかし、どちらから渡るとしても、海を超えなければならない。ルソン島から出土する動物の骨と、他の島での動物の骨の分布から考えて、おそらく台湾の方向から渡ってきたと推定している。

もちろん肝心の人類の骨が出ていないため、エレクトスと結論することはできないが、原始的な石器で骨髄を取り出し、食べた痕跡などは私のエレクトスのイメージと完全に一致しており、エレクトスが70万年前に海を渡ったとすると、また人類史が大きく変わる。
カテゴリ:論文ウォッチ

5月7日;オスだけ殺すバクテリア(Natureオンライン版掲載論文)

2018年5月7日
論文を読んでいると、毎日毎日私の思いもかけないことを真剣に研究している人がいて、人類としての無限の知識が形成されているのを実感する。読んでいる論文が私のようにほぼ生命科学に限局されている場合、この知識の無限性は生命の進化過程の壮大さへの畏敬に直結する。種の起源の最後のセンテンスでダーウィンは、生命を進化の観点でとらえることを「There is grandeur in this view of life….(この生命の見方には壮麗さがある)」と言ったが、論文を読んではこの言葉を思い起こしている。

今日紹介するスイス・ローザンヌにあるEPFLに在籍する日本人研究者春本さんの論文も、まさに進化の壮麗さを感じる話でNatureオンライン版に掲載されている。タイトルは「Male-killing toxin in a bacterial symbiont of Drosophila(ショウジョウバエの共生細菌に発現するオスだけ殺す毒素)」だ。

昆虫と共生するバクテリアについては我が国の産総研の深津さんたちのゾウムシとボルバッキアの研究は有名だが、それ以外にもこのブログで昨年紹介した最も小さいゲノムを持つStameraもやはり共生細菌だ(http://aasj.jp/news/watch/7730)。

今日紹介する研究の対象はS.poulsoniiと呼ばれるスピロプラズマの仲間で、ショウジョウバエのメスを介して伝達される共生細菌だ。この細菌が特に注目されるのは、この細菌が感染しているオスの幼虫が選択的に殺されることで、この作用を持つ分子については明らかになっていなかった。この研究では、この細菌をショウジョウバエの体液に注入して継体しているうちに、オスの幼虫の半数が生き残る細菌株を発見し、遺伝子の比較からこの細菌がオスを殺す性質の原因分子Spaidを特定し、オス殺しの機能が失われた変異では分子が途中で途切れると同時に、789番目のアミノ酸が置換していることを明らかにする。

次に確かにこの分子がオス殺しの原因物質であることを証明するため、この遺伝子を今度はショウジョウバエで発現させ、1)spaidがオスの幼虫を殺す分子であること、2)その活性には分子内のアンキリンリピートと脱ユビキチンドメインが必要なこと、3)発生が進むとSpaidが神経以外の細胞死を誘導することを明らかにしている。

最後はもちろん、この分子が細胞を殺すメカニズムの解明だが、この研究ではSpaidがオスのX染色体の遺伝子発現をメスのレベルと同等にするために働くMSLの機能を阻害することで、分裂時にDNAの分断化を促進すると考えている。具体的な分子間相互作用までは明らかではないが、Spaidが発現すると、OTU領域を介して核内に移行し、アンキリンリピートを介してMSL-1の機能を阻害し、分裂時にX染色体を断裂化することで細胞死を誘導するとしている。事実、SpaidはX染色上に結合しているMSL-1と局在が一致していること、そしてMSLが結合しているX染色体のみが断片化し、クロマチンブリッジの形成が見られることから、一種のアポトーシスが起こっている。もちろんメカニズムに関しては、さらに詳細を明らかにできるだろうが、分子構造が決まったことで、あとは時間の問題だろう。

話は面白いし、同じような構造のタンパク質で機能が異なる分子がボルバッキアにも認められることから、なぜこのような不思議なタンパク質が進化したのかも、今後研究が進むと思う。この研究ではあまり議論されていないが、もともと昆虫の子孫へ自分の子孫を伝搬させるためには、メスの卵子に乗っている必要がある。これを実現するため、ボルバッキアや以前紹介したStameraでは感染した卵子がより選択的に生殖できる戦略を取っている。一方スピロプラズマでは、用無しになったオスの個体に乗ってしまったスピロプラズマをホストのオスの幼虫ごと消滅させるという、一種のアポトーシスに通じる戦略を取っている。この辺りは、クリスパー並みに面白く、生命の営みに対するGrandeurを感じさせる。

ただ、この分子の荘厳さだけでなく、クロマチンを標的にする分子戦略はがんの新しい治療戦略にもつながるのではと思ってしまうのは、医者の悪い癖だ。
カテゴリ:論文ウォッチ

5月6日:CAR―Tを進化させる(5月31日号Cell掲載論文)

2018年5月6日
CD19に対する抗体の細胞外部分と、T細胞受容体の細胞内部分を合体させた遺伝子を自分のT細胞に導入して、CD19を細胞表面に出しているがん細胞を殺す治療(キメラ抗原受容体T細胞治療:CART)をこのブログで最初に紹介したのは、2014年10月だった(http://aasj.jp/news/watch/2309)。もう手の施しようがなくなっていたリンパ性白血病の患者さんの半数が完全寛解したことを読んで私も興奮し、がんに対する免疫システムの力を確信した。実際、昨年ノバルティスはこの時報告されたCAR-T療法の認可をFDAから受けた。さらに米国では他の2社もT細胞受容体部分を少しづつ変えたCAR-Tに参入する賑々しさだ。

しかし、CAR-Tもまだまだ改善の余地がある。まず、がん特異性をさらに高める必要がある。さらに、固形がんに対する有効性を高めないと、治療は一部のがんに限られる。そして、キラー活性を必要ならオフにしたい、などなどだ。すでにがんに対する免疫系の力は示されたため、今や多くの研究室でこの課題解決の様々な方法が試みられ、論文に発表されている。

今日紹介するボストン大学からの論文はこの研究分野で進んでいる開発競争の典型で、5月31日号のCellに掲載予定だ。タイトルは「Universal chimeric antigen receptors for multiplexed and logical control of T cell responses(T細胞反応の多用途で論理的な調節を可能にする普遍的CAR-T)」だ。

現在使われているCAR-TはT細胞を活性化させる細胞内領域が、ガン抗原に反応する細胞外の抗体部分と直接結合したキメラ受容体を発現しているため、シンプルだが一旦キラー活性が発揮されると制御は全く効かない。この点を改善するため、ガン抗原に対するキメラ抗体と、T細胞に導入するキメラ受容体を切り離し、ガン抗原を直接T細胞の標的にするのではなく、がんに結合するキメラ抗体上に別の標的分子をのせて、それをT細胞が特異的に認識する方法が様々な研究室で開発されていた。この方法だと、もしキラー活性を抑える必要が生まれた時、T細胞が認識する標的抗原を抗体から切り離して注射すると、T細胞活性を中和することができる。

今日紹介する論文も、基本はガン抗原認識と、キラー活性を切り離して、制御性を上昇させるというこれまでのアイデアの点では全く同じだ。ただこの研究では、ガン抗原を認識する抗体と、T細胞上の受容体に、転写因子同士が結合するときに使われるロイシンジッパーをカセットとして用いたアイデアが最大の売りになっている。細胞外での分子同士の反応には細胞外の分子を利用しようと思うのが普通だが、代わりにロイシンジッパーをカセットにする考えついた時点でこの研究は完成したと言える。これにより、ロイシンジッパーカセットが、細胞外の分子と反応する心配はなくなる。
これまでの報告を凌駕する制御性が獲得できるということが結論になっている。では何が具体的にできるのか、いかに列挙しておく。

1) 抗体部分の特異性や親和性を変えることで、同じロイシンジッパーを用いてもキラー活性や特異性を変えることができる、
2) ロイシンジッパーのコンビネーションを変化させ親和性を変えてもキラー活性を変化させられる。
3) ロイシンジッパーの親和性を落とした抗体部分を使うと、キラー活性を中和することができる。
4) がん細胞上の2つの抗原に対して同時に攻撃できる。
5) 異なるガン抗原の発現パターンを選んでがんを殺すことができる。
6) T細胞受容体と、T細胞の補助シグナルを同時に活性化でき、がん細胞周囲でのサイトカイン分泌を制御できる。
7) CD4,CD8細胞を同時に調節できる。

など様々な免疫機能の操作が可能なことを、マウスモデルで示している。もちろん、ここのアイデア自身はそれほど画期的とは言えないが、ロイシンジッパーに思い当たったこと、そしてそれを用いてあらゆる可能性に一度に対応できる方法に仕上げた力が評価されたのだと思う。同じ方法をうまく使って、おそらくT細胞の浸潤を操作したりできるようになると、固形がんへの応用も進むと思うが、治療にかかるコストが無限に上昇するのではと心配にもなった。
カテゴリ:論文ウォッチ

ドイツ留学説明会のお知らせ

2018年5月5日
私のブログを読んでいただいている方の中には、若い研究者の方も多くおられると思います。 もし、留学を考えられているなら、是非参加してほしい「ドイツ留学説明会」をご案内します。 現在、ドイツは留学先として大変魅力のある国になっていると思います。論文を読んでいても、様々な分野でドイツのプレゼンスは確実に高まっています。 さらにドイツには、留学を支援するフンボルト財団のプログラムがあり、我が国の採択率はかなり高いと思います。 説明会の詳細は添付のポスターを見ていただければいいですが、当日はドイツ大使もお越しになりますし、留学説明会の後の懇親会(参加無料)フンボルト財団で留学した多くの先輩の話も直接聞けるまたとない機会ですので、是非参加してください。
ポスターにありますように、懇親会は無料ですが、登録が必要ですので是非登録してください。 2018留学説明会ポスター 2018留学説明会ポスター
カテゴリ:セミナー情報

4月5日:IgA欠損症の腸内細菌叢(5月2日号Science translational medicine掲載論文)

2018年5月5日
免疫システムは体内に侵入した病原体に対して働く専守防衛が原則だが、例外はIgA反応で、腸管などの体腔に分泌され、体外で働いている。ところが遺伝的にIgAが欠損しても、腸管などで激しい炎症が起こるというわけではなく、ミサイル能力はあまり意味がないのではと考える人もいた。ところが最近、腸内の細菌叢をIgAの結合している細菌と結合していない細菌に分けると、結合している細菌は病原性が高いことを示す論文が発表され、IgAの機能を再検討する必要が生まれていた。

今日紹介するソルボンヌ大学からの論文はIgA欠損患者さんと正常人の腸内細菌叢を調べ、この問題を明らかにしようとした研究で5月2日号のScience Translational Medicineに掲載された。タイトルは「Microbial ecology perturbation in human IgA deficiency(IgAの欠損した人の細菌叢生態の乱れ)」だ。

この研究では、まず20人の血中IgAが欠損した人たちを選んで健康状態を調べ、消化管の症状の程度がまちまちであることを確認する。すなわちIgAがないからといって、必ずしも消化管症状が出るわけではないことを確認している。

そこで腸内細菌叢が正常人と違っているか調べると、腸内細菌叢の多様性は正常人とほとんど違いはないが、IgAが欠損する人に共通に増える細菌種と減る細菌種があることがわかった。特に、抗炎症性のバクテリアは低下し、炎症を惹起するバクテリア種は増殖している。面白いのは、IgAが欠損する人では口内細菌が腸管に見つかる点で、今後重要な研究課題になるように思う。正常人の細菌叢はIgAを惹起する細菌と、惹起しない細菌に分けられるので、この差がIgA欠損症で増減する細菌と関係があるかを次に調べているが、確かにその傾向は認められても、これで決まりだという歯切れのいい結論にはなっていない。これは何千もの細菌種を扱う細菌叢研究の特徴で、大きな集団を相手にして最終的因果性を決めることの難しさを物語っている。IgA欠損という特殊な状態を調べた研究から決定的なことが学べるかと期待したが、そこまでのインパクトはなかった。

歯切れの悪さの原因の一つがIgA欠損をIgMが代わりをして、抗体の管腔内分泌が免疫原性の高い菌を抑える可能性も検討しているが、これも傾向は確かに見られるが、これで決まりと歯切れよく結論できない。結局細菌同士のネットワークが変化して炎症性の細菌が増加している点も加味して総合的に理解すべきとしている。

結局IgA分泌が炎症を抑えているかについては、IgAを分泌することで細菌叢のバランスが維持されてひどい炎症になるのを防ぐという結論に思える。IgA欠損症の細菌叢の包括的研究という意味では、重要な研究だし、例えば口内細菌の腸管への移行など面白い問題も見つかってはいるが、まだまだ群盲象を撫でるという印象が強い。今後、母親の抗体をミルクから供給する段階から、自分のIgAにスイッチした後での最近叢の変化を調べることも含め、さらなる研究が必要だと思った。

読んでいるうちに、専守防衛ではなく、敵地攻撃ミサイルも有効かなど、今の我が国での議論を見るような気がしたのは、連想がたくまし過ぎるか?
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