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6月18日:膵臓癌の潜伏転移(6月15日号Science掲載論文)

2018年6月18日
膵臓癌のほとんどは、発見された時にリンパ節転移や遠隔転移が存在する進行癌で、これが治療が難しい一つの原因だ。ただ、これにとどまらず、せっかく早期発見できて、手術時にもほとんど転移が見つからずに安心していても、2年ぐらいして転移が発見されるケースがかなりあることだ。即ち、早期発見したと思っていた時にはすでに隠れた遠隔転移細胞が存在して、それが何かの拍子に活動を始めて、完治をはばむというはなしだ。

今日紹介するCold Spring Harbor研究所からの論文は、このステルス転移ガンが発生するメカニズムを調べた研究で6月15日号のScienceに掲載された。タイトルは「Unresolved endoplasmic reticulum stress engenders immune-resistant, latent pancreatic cancer metastases(対処できないERストレスが潜伏性の膵臓癌を発生させる)」だ。

この研究は最初から潜伏性のステルス転移ガンが存在するという仮説で研究を進めており、まず何らかの理由で亡くなった転移がないと診断された初期膵臓癌患者さんの解剖例を集めて、肝臓に膵臓癌の潜伏性転移がないか詳細に調べるところから始めている。調べた全例で、膵臓癌マーカー陽性の細胞が単独で肝臓に見つかること、そして転移癌は免疫反応に必須のMHC分子の発現がE-カドヘリンとともに低下していることを発見する。

この観察から、原発巣の細胞の一部がE-カドヘリンを失うことで転位がおこり、その細胞はMHCが欠けているために免疫反応から逃れられて潜伏するというシナリオが生まれる。

これ以上はヒトで確かめることはできないので、マウス膵臓癌モデルについて同じことが起こっていることを確認し、この潜伏細胞から細胞株を樹立している。この細胞は免疫が成立していないマウスでは増殖するが、免疫が成立していると増殖が抑えられ、免疫から逃れた潜伏がん細胞だけが残る。従って、何らかのきっかけで免疫機能が低下したり、あるいはガンの変異が重なると転移巣が再活性化されることになる。

最後に、Eカドヘリン陰性、MHC 陰性のステルス細胞の発生するメカニズムを調べる目的で、Eカドヘリン陰性、陽性の細胞を比較し、発現している分子セットから、ステルス細胞ではERストレスに関わる分子が強く発現していることを発見する。あとは、ERストレスに関わる分子を阻害したり活性化させる実験で、膵臓癌がERストレスを処理できない時にMHC発現が抑制されること、そしてこれによりがん細胞が免疫系にキャッチされることを明らかにしている。

以上の結果は、潜伏するステルスガンは、細胞自身の増殖状態の変化ではなく、免疫系との関わりで発生するグループがあることを示している。

以前から、ERストレスにより細胞が転移しやすくなったり、あるいは静止期を維持する幹細胞化が起こる可能性については研究が進んでいるが、免疫系との関係だけで潜伏性が決まるというケースは今回の研究が初めてではないだろうか。いずれにせよ、ガンの多様性にどう立ち向かうかが、現在最も大きな課題になっていることを実感する。幸いこの研究では、これに立ち向かうヒントも示唆している。まず、ステルス細胞は免疫機能が低下すると増殖するため、手術後免疫が低下して、このような細胞が増えないように注意することが重要になる。著者らは、術後のストレス反応を抑えて免疫系を維持することが重要で、そのために術後に高栄養状態を保つことがステルス細胞の増殖を抑えるのに役立つかもしれないと示唆している。もう一つのヒントは、ステルス細胞のMHCがERストレスを解消してやることで発現が戻ることで、このために化学シャペロンの投与が役立つと示唆している。是非早急にこれらの可能性を確かめて欲しいと思う。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月17日:類人猿の精密なゲノム解読(6月8日号Science掲載論文)

2018年6月17日
2005年、チンパンジーゲノムの解読が報告され、「単一塩基の違いが1.2%」という数字が一人歩きしている感がある。私はこれを「猿の惑星症候群」と名付けている。すなわち、サルもちょっと変われば言葉を話して人間と同じになると考えてしまう「傾向」で、一部のサル学の人たちのサルへの愛情が色濃く反映されてしまっているように思う。

実際、どのような変異がヒト、特にヒトの脳の進化に関わっているかを考えると、このブログでも紹介したように、小さな領域で起こる重複が関わっている可能性が高まってきたが、これまでの精度の解読はほとんど役に立たない。最も致命的なのは、ヒトゲノムを下敷きにしてしまって、猿のゲノムにヒトゲノムのバイアスを加えて「猿の惑星症候群」に手を貸してしまった。

今日紹介するワシントン大学を中心とする論文はかなりレベルの高いオラウータン、ゴリラ、チンパンジーのゲノム解析の論文で、このデータはヒトへの進化を理解するのに役立ちそうな予感がする研究で6月8日号のScienceに掲載された。タイトルは「High-resolution comparative analysis of great ape genomes(類人猿のゲノムの高精度比較解析)だ。

まずこの研究では、一分子シークエンサーを用いて一度に長い配列をしかも100回近く繰り返して読むことで、ヒトゲノムを下敷きにせず構成している。この結果、ゲノム解析で残されていたギャップは平均で100倍近く減らすことに成功、また一分子シークエンサーを使いつつ、99%を越える精度に達している。その結果、ヒトには存在しない遺伝子についても数多く発見でき、進化を詳しく追いかけられるようになった。

この解析データに基づき、様ざまな議論が行われているが、あまりに膨大なので今日は神経進化に関して面白いデータだけをつまみ食いして紹介する。

まず脳の進化の駆動力として注目が高まっている大きな構造変化を調べると、なんとヒト特異的変化の139箇所が遺伝子調節の最も重要なスーパーエンハンサーに集中している。従って、脳の遺伝子発現は人間と猿で随分違っていると考えていい。例えば脳とは関係ない例で示すと、男性ホルモン受容体のエンハンサーでも重複による構造変化がみられる。それぞれの種を比べると変化により新しい構造ができており、この結果人間がペニスの骨を失い、ゴリラは雄の猛々しさを演出しているの可能性を示唆している。このように構造的変異は多様な形質変化の原動力であることがわかる。

さて、このような構造変化と、脳の様々な細胞での遺伝子発現を比べ、脳の進化に関わる大きな構造変化を探している。このような研究が様々な類人猿で可能なのは、ゲノムを調べた個体のiPSが樹立されていることで、分化させた細胞の単一細胞レベルの遺伝子発現を統計的に処理することで各系列の遺伝子発現を決めることができている。この結果、ヒトの幹細胞radial gliaと興奮神経で発現があがっている遺伝子、および発現が低下している遺伝子を特定している。

この中で、ヒト特異的に発現が低下させていると考えられる遺伝子はradial glia細胞に集中しており、遺伝子発現低下に関わる構造変化の実に41%を占めている。このことから、進化にはより遺伝子発現セットを単純化することが重要になるのかもしれない。一方ヒト特異的構造的欠失はradial gliaにも興奮神経にも濃縮されている。他にも、ヒト特異的新しい遺伝子がこのような構造変化から生まれることはすでに証明されている。今回発見された「意味深」な領域の様々な機能解析がこれから始まるという予感がする。 以上のように、ヒト脳進化の入り口にようやく立てたというところだが、この研究の貢献度は大きいと思う。個人的にも、ヒトの脳の進化に関しては目が離せない時代が来たように感じている。

山中iPSが可能になった時、この論文の著者の一人Gageは、まず類人猿のiPSを樹立すると興奮していたが、この先見性が今実を結ぼうとしているのを実感する。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月16日:CLOVES症候群の治療法(Natureオンライン版掲載論文)

2018年6月16日
CLOVES症候群は極めてまれな病気で、脂肪細胞の増殖、血管奇形、色素斑、側湾症などさまざまな症状が出てくる。特に進行する脂肪腫とリンパ管障害による浮腫のために一度見たら忘れることのない外観を示す。これまで大きくなった腫瘤を外科的に取り除く以外に治療法はなく、予後は悪い。

2012年この病気のメカニズムが明らかになり、PIK3CAと呼ばれる細胞増殖のマスター遺伝子が発生途上で活性化型突然変異を起こし、その細胞が異常増殖を起こして様々な症状が出ることが明らかになった。この結果、CLOVESは現在ではPROS(PIK3CA related overgrowth syndrome:IK3CAが関わる過剰増殖症候群)と呼ばれるようになった。

今日紹介するパリ大学を中心にフランスの研究機関が協力して発表した論文はPI3KCAを抑制する薬剤を開発し、CLOVES症候群の患者さん全例の治療に成功したという論文でNatureオンライン版に掲載された。タイトルは「Targeted therapy in patients with PIK3CA related overgrowth syndrome (PIK3CAが関わる過剰増殖症候群の分子標的治療)」だ。

PIK3CAはガンでも変異がみられ、がんに対する標的薬として開発が進んでいた。この研究ではまずはCLOVESと同じ変異をマウスのPIK3CAに導入し、生まれてから一部の細胞で活性化型分子が発現するように操作してCLOVES症候群モデルマウスを作成し、このマウスをノバルティスがガンの標的薬として治験を進めているBYL719を用いて治療実験を行なっている。結果は、病気を発症させたマウス全例でほぼ病気を完治することができるという、赫赫たる戦果をあげることができた。

そこで次は、手の施しようがなくなり、予後数ヶ月と診断された2人の症例を第1/2相試験を行い、2例ともBYL719投与後急速に改善し、ほぼ症状が取れすでに1年半程度経過している。マウスの実験から、薬剤を止めると再発することがわかっており、患者さんはこの薬剤を続ける必要があるが、副作用は対応可能な高血糖以外ほとんどないという結果だ。

この結果を受けて、おそらくフランスの患者さん全員ではないだろうか、17人の患者さんに投与を始めている。皮膚に現れた色素斑や毛細血管増殖は全ての患者さんで消失し、腫瘤も縮小したおかげで、それまで痛み止めとして服用していたモルフィネを中止できている。他にの消化管出血は改善、あるいは血管異常による血栓の危険性も解消した。

これ以上詳しく述べても仕方ないだろう。1年半ぐらいの投与期間では副作用がなく、しかも効果は絶大だ。すでに認可が行われている薬剤だと思うので、世界中の患者さんの治療に使える日も近いと思う。重要なシグナル分子が活性化される病気はFOPをはじめとして多く発見されている。せっかく原因がわかっても、それから研究が進んでいないという状況が続いているが、今日紹介した論文は、同じようなことが他の病気でも十分起こりうることを示す医学の勝利だと言える。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月15日:超音波による脳機能操作の真実(6月6日号Neuron掲載論文)

2018年6月15日
昨年11月号のNatureに超音波を脳研究や治療に使う可能性についてのレポートが掲載され(Landhuis Nature 551:257, 2017)、それまで考えたこともない超音波(ものの振動)で脳が操作できるという話には驚いた。この中では、超音波を使ってナノ粒子を活性化して、中に詰めた薬剤を遊出させる方法など、なるほどと納得できる技術の紹介もあった。しかし超音波を脳に照射することで皮質神経細胞の興奮を刺激でき、これを使ってピンポイントの脳操作を期待する研究が増えていることも報告されていて驚いた。電流や磁場ならともかく、超音波がなぜ神経興奮を誘導できるのか、誰も説明できておらず、本当に磁場照射や電流に匹敵する方法に発展するのか、誰でも疑問を持つ。

今日紹介するカリフォルニア工科大学からの論文は超音波照射は脳神経細胞に直接作用するのではなく、聴覚を通して効果を及ぼすことを示した研究で6月6日号のNeuronに掲載された。タイトルは「Ultrasonic neuromodulation causes widespred cortical ac-tivation via an indirect auditory mechanism(超音波による神経操作法は間接的に聴覚メカニズムを介して皮質の広い範囲を活性化することに起因する)」だ。

最初はこの研究も、超音波による神経操作法(UNM)のメカニズムを明らかにしようと計画したのだと思う。超音波を照射した時に脳全体がどう変化するかモニターするため、すべての皮質神経細胞の興奮をカルシウムセンサーの発光でモニターできるように遺伝子操作したマウスを用い、頭蓋を薄くして発光を検出しやすいようにして超音波への反応を調べている。

すると予想に反して、照射により最も早く興奮する場所は聴覚に関わる皮質野で、他の領域の興奮は後から起こってくることを発見する。同じ興奮パターンが、視覚野をねらって超音波を照射しても起こるため、マウスには聞こえないと考えられる波長の超音波でも、その効果はまず聴覚を通して脳内に伝播していると考えられる。これを確認するため、脳の左右別々に照射を行うと、照射した場所ではなく、反対側の聴覚野から活動が始まる。これは聴覚神経の走行と一致することから、超音波もまず内耳を通って脳の興奮を誘導していることが確認された。

次に、聞こえる普通の音と、超音波を聴かせて比較しているが、興奮の強さや時間経過はほとんど両者で変化がないこと、さらには内耳の機能を抑制したマウスを用いて超音波照射を行うと、脳の興奮がなくなることから、超音波も何らかの形で耳で聞くというプロセスを通してだけ脳に伝わることが明らかになった。普通の音や、光刺激と同じで、超音波を照射してもマウスの運動が止まることから、マウスは超音波を音として認識していることも確認できた。ここからは私の解釈だが、おそらく聴覚系が反応しても、聞くと認識しないだけで、脳は超音波にも反応するのだろう。

以上の結果は、これまでの超音波による脳操作実験の全否定になっているといわざるをえない。超音波が膜電位にどう影響するのか明確でない以上、個人的にはこの結果の方が納得できる。すなわち「幽霊の正体見たり枯れ尾花」という結論だ。しかし、試験管内で培養している神経を超音波で興奮させるという論文もあり、今回の実験からはこの実験を否定することはできない。さあどうなるか?幽霊か現実か結論するためには、もう少し時間がかかるかもしれない。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月14日:神の顔(6月11日発行PlosOne掲載論文)

2018年6月14日
ずいぶん昔になってしまったが2007年CDBのDoug Sippさんと共著でNatureが運営していたウェッブサイトに「Dualities of Christ and stem cells(幹細胞とキリストの二重性)」という小文を寄稿したことがある(https://www.nature.com/stemcells/2007/0708/070823/full/stemcells.2007.76.html)。ちょうど山中iPSが人間でも可能であることが発表された頃で、Nature のエディターだったDeWittにiPSの社会的インパクトについて書くように頼まれた。当時は、再生医学や創薬に役に立つという話ばかりが世の中で騒がれていたので(今もだが)、違う切り口で考えてみようと、キリストとiPSを比較するというかなり挑戦的な内容の話を書いた。iPSの登場で、それまで絶対的に非対称だった生殖細胞系列と体細胞系列が、双方向的に分化可能になり対称化した新しい時代を、431年エフェソスの宗教会議で当時のカソリック教が「Teotokos:マリアは神の母である」と決定して、ユダヤ教では完全に非対称だった神と人間が、カソリックでは対称化したことにたとえた。

今から考えるとこじつけに近い比喩だったが、人間が神の母になれるという概念の受容は、カソリックが一神教のまま世俗化する大きな転換点だったと思う。このおかげで、カソリック教会には素晴らしい美術があふれ、システィーナの礼拝堂にはミケランジェロの手になる神が描かれている。

仏教では人間も「成仏」できると考え、もともと神と人間を対称的に扱う。このおかげで寺院に多くの美術作品を擁する日本人にとって、カソリック教会に溢れる美術は何の不思議もない。

こんな話を長々と書いたのは、PlosOneにNorth Carolina大学から発表された「The faces of God in America: Revealing religious diversity across people and politics(アメリカでの神の顔:人々や政治信条による宗教の多様性を明らかにする)という論文を読んだからだ。

この論文はアメリカのクリスチャンが神の顔をどのように描いているのかを明らかにしようとした挑戦的な仕事だ。こんな課題を思いついただけでこの論文はほぼ完成したと言えるだろう。研究では、米国のさまざまな地域のクリスチャンに300組の顔写真を見せ、どちらが神のイメージに近いかを聞いて、その結果をもとに神の顔を合成している。

全ての人のイメージを総合すると、神のイメージは白人、ハンサム、知的で、優しく、若い男性の顔のイメージが出来上がっている。ミケランジェロの描いた厳しい神と比べると、親しみやすい神だったというのがミソだ。

次に、共和党支持者と民主党支持者に分けて、それぞれの違いを描き出すと、保守的な人ほど、年齢が高く、男らしく、もちろん白人で、力強いイメージを持っている。最後に、個々人に神のイメージ写真を見せ、個人が持っているイメージと比べさせると、各人の持っているイメージは結局自分とよく似ていることを明らかにしている。

この結果をどう受け入れるかは議論があるだろう。かなり結論ありきの印象が強く、はっきり言って科学論文としては未熟だと思う。しかし、神も脳の中にあるなら、科学的にアプローチできるとチャレンジしたことは伝わってくる。

アメリカは、宗教的には保守的な国だが、これに科学的態度で立ち向かう科学者や思想家も多い。 Dennettの「Breaking the Spell」やShermerの「Heavens on earth」、アメリカ人ではないがDawkinsの「The God dellusion」などは若い科学者に是非読んで欲しいと思っている。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月13日 インシュリン分泌刺激剤GLPが、パーキンソン病の進行を遅らせる(Nature Medicineオンライン版掲載論文)

2018年6月13日
最近、神経変性疾患を誘導する一つのメカニズムとして、刺激されたミクログリアが神経端末にあるアストロサイトをA1と呼ばれる活性型に転換し、その結果神経が障害されるというプロセスの重要性が指摘されるようになっている。即ち、一種の脳内炎症が、神経変性を促進しているとする考えだ。この考えが魅力的なのは、なんとか炎症を抑えることで、神経変性を遅らせることができる可能性が出てくる点だ。

今日紹介する米国ジョンズ・ホプキンス大学からの論文は、この炎症サイクルを膵臓β細胞のインシュリン分泌を促進させるGLP1受容体への刺激が抑えることができることを示した研究でNature Medicineオンライン版に掲載された。タイトルは「Block of A1 astrocyte conversion by microglia is neuroprotective in models of Parkinson`s disease(ミクログリアによるA1アストロサイトへの転換を阻害することでパーキンソン病モデルで神経を変性から守ることができる)」だ。

この研究は、GLP1受容体(GLP1R)の刺激がアルツハイマー病やパーキンソン病で、神経を変性から守るというこれまでの報告を前提に行われている。この考えを確認するため、まずドーパミン神経の細胞死を誘導できるαシヌクレインを線条体に投与して1ヶ月後から、脳内に移行し長期間働き続けるポリエチレングリコール化したGLP1RアゴニストNLY01を投与しその効果を調べると、NLY101投与により脳内でのシヌクレンの蓄積が抑えられ、ドーパミン神経の変性が抑えられ、マウスの運動障害も改善できることが確認された。

また、急速にシヌクレンが蓄積して1年で死亡するパーキンソンモデル・トランスジェニックマウスにも投与実験を行い、NLY101では治癒にはいたらないが、死亡を5ヶ月程度延長できることを示している。用いられたモデルマウスがどこまで人間のパーキンソン病に近いかどうかは確認が必要だが、この結果を見ると、GLP1Rアゴニストがパーキンソン病の進行を抑える治療法になると希望が持てる。治験の登録サイトClinical Trial Govを検索すると、GLP1RアゴニストのExenatideの第1相試験が始まっており、今後このNLY101も加わって、効果が示されることを期待してしまう。

この研究はこれで終わりではなく、なぜNLY101が神経細胞死を抑えることができるのかについて解析を続けている。多くの実験が行われているが、長い話を短くすると次のようにまとめられるだろう。

1) αシヌクレンはミクログリアを刺激し、さまざまな炎症分子を誘導する。
2) ミクログリアから分泌される炎症分子によりアストロサイトがA1アストロサイトに転換する。
3) この転換により、神経細胞死が誘導される。
4) GLP1Rは脳内のほとんどの細胞で発現しているが、シヌクレンで刺激されたミクログリアでの発現が最も高い。
5) シヌクレンによるミクログリア活性化をNLY101が抑制する。その結果A1アストロサイトへの転換が抑制され、神経細胞死が防がれる。
細胞レベルのメカニズムとしては十分納得できる。残念ながら、なぜGLP1R刺激がミクログリアの活性化を抑えるかについては明らかになっていないが、この点も明らかになるとさらに新しい治療標的も見つかるかもしれない。シヌクレンによるパーキンソン病モデルは、おそらく人間にも拡大できると思う。現在の治験が次のステージへと進むことを祈る。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月12日:肺の内分泌システムが喘息を悪化させる(6月8日号Science掲載論文)

2018年6月12日
喘息の一義的な原因はもちろんアレルゲンに対する免疫反応で、マクロファージなどの抗原提示細胞、 Th2型のT 細胞、B細胞などの相互作用を通して起こるIgE産生、そしてこTh2細胞から分泌されるIL5を介して起こる好酸球の遊走などが病態の主役だと考えられている。ただ、雷によりその時だけ誘発される喘息が報告されるように、免疫系だけでは説明のつかない喘息も多く、神経系や間質細胞などが喘息の様々なステージに関わると考えられている。

今日紹介するカリフォルニア大学サンディエゴ校からの論文は、肺上皮細胞の中に少数含まれている、様々なホルモンを分泌する神経内分泌細胞が喘息を悪化させている事を示した研究で6月8日号のScienceに掲載された。タイトルは「Pulmonary neuroendocrine cells amplify allergic asthma response(肺内に存在する神経内分泌細胞はアレルギー性喘息反応を増幅する)だ。

おそらくこの研究は肺の神経内分泌細胞(PNEC)の機能を調べることが主目的だったと思う。事実、PNECの機能についてはよくわかっていないことが多かった。そこで、PNEC分化に必要なAscl1分子を肺の臓器形成特異的にノックアウトし、PNECの存在しないマウスを作る事を試み、成功した。これまでPNECは出産時息をして肺を膨らませる過程に必要と考えられており、著者らも出生時に様々な異常が見られると期待したと思うが、PNECが欠損してもマウスは正常に生まれ、組織学的にもほとんど正常マウスと違いが見られなかった。

様々な実験系で何か異常が出ないか調べたのだと想像するが、最終的に見つかったのが、アレルゲンに対する喘息を誘発したとき、普通なら粘液を分泌するゴブレット細胞が増殖するのに、PNECが欠損するとこの反応が強く抑えられることを見出した。なんとか違いを見つけることができれば、あとは喘息のどの段階でPNECが働いているのか、粛々と調べていけばいい。

この研究ではもっぱら感作が成立し、喘息発作が起こるときの肺の組織変化に注目して研究が進められている。結果、喘息時に見られるTh2細胞の浸潤、それによるIL5分泌、そしてそれに誘導される好酸球の浸潤の全てが抑えられていることを発見する。これらはTh2による2型の免疫反応と呼ばれており、上皮由来のIL25,33, TSLPが関わるとされてきたが、PNEC欠損でもこれらの分泌には異常なく、この2型免疫反応の低下は、PNEC由来のペプチドやGABAの低下によると考えざるを得ない。そこで、PNECと2型免疫反応の接点を探した結果、ILC2と呼ばれる自然免疫に関わるリンパ球がPNECの近くに存在し、CGRPを介して刺激され、IL33やIL5の分泌を誘導することを明らかにしている。次にPNECのGABA産生を特異的にノックアウトする実験を行い、GABAは主にゴブレット細胞の増殖に関わることを示している。逆に、PNEC欠損マウスでも、GABAとCGRPを気管内に投与すると、Th2型の反応が正常に戻ることも示している。

最後に喘息患者さんの組織を調べて、喘息ではCGRPを分泌するタイプのPNECの数が増加していることを示し、マウスで見られた現象はヒトでも起こっていると結論している。色々苦労して、喘息が免疫系の細胞だけでなく、肺に存在する多数の細胞が関与する病気であることを示した研究で、今後の病態解析や治療法開発に重要な発見だと思う。ステロイドとβ2ブロッカー合剤スプレーのおかげで、喘息のコントロールは、私が医者をしていた頃と比べると格段に向上している。しかし、いまだにステロイドホルモンが何をしているのか完全に説明できていないことを考えると、この研究は新しい方向性に繋がるのではと期待している。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月11日 サルからヒトへの進化に関わる遺伝子(5月31日号Cell掲載論文)

2018年6月11日
類人猿、古代人類、現代人類のゲノム解析が進んだおかげで、ヒト特異的遺伝子の探索が加速している。最初の論文は2015年ドレスデン・マックスプランク研究所から発表されたARHGAP11B 遺伝子で、神経前駆細胞の分化を抑制して、増殖を高める。その結果、皮質の大きさが変化し、マウスに導入すると脳にシワができるという面白い研究だった(http://aasj.jp/news/watch/3151)。 

今日紹介する新しいヒト特異的遺伝子はその複雑性で、サルからヒトへのスイッチだけでなく、人間の脳構造を考える上でもおもしろい可能性を秘めている気がする。アムステルダム大学と、カリフォルニア大学サンタクルズ校から発表された論文で、5月31日号のCellに掲載された。タイトルは「Human specific NOTCH2NL genes affect Notch signaling and cortical neurogenesis (ヒト特異的NOTCH2NL遺伝子はNotchシグナルに影響して皮質の神経発生を変化させる)」だ。

ゲノム研究に慣れていないと読みにくいと思うが、一般の人にも知ってもらいたい面白い発見なので、かなり内容を簡素化して紹介することにする。

この研究では、脳の発生異常や、統合失調症、自閉症などと関わる染色体領域1q21.1に着目している。この領域の遺伝子が脳発生に関わることは明らかなのに、この領域の変異と病気とがこれまでうまく結びついていなかった。その原因が、これまでのゲノム解析が不正確だっためと考え、新しくアップデートされたこの領域の解析結果から、これまで全く見落とされてきたNOTCH2NLを選び出し、研究を始めている。

名前の通りNOTCH2NLはNotch2に由来する新しい遺伝子で、1q21領域に全部で3種類の遺伝子重複で発生した遺伝子が並んでいることを明らかにする。この配列のため、現在でもNOTCH2NLAとNOTCH2NLB遺伝子の間で組み換えが起こり、様ざまな分子が生まれる構造が出来上がっている。すなわち、遺伝子としては同じでも、免疫グロブリンのようにさまざまな遺伝子ができてしまう。事実、ヒトES細胞でゲノムと発現を調べると、同じヒト由来の細胞であるのに、NOTCH2NLの様々なタイプが混在している。遺伝子構成は複雑だが、この複雑さがポテンシャルを示唆する。しかも、NOTCH2NLA/Bのコピー数は厳密に決められており、少しでも外れると選択されることから、重要なセットだと分かる。

面白いのはここからで、進化を調べるとこの遺伝子がオラウータンとゴリラが分離するとき、Notch2から重複して、PDE4DIP遺伝子と結合した偽遺伝子として生まれる。その後400万年前、Notch2とNOTCH2NL間の組み換えが起こり、偽遺伝子から機能的NOTCH2NLがヒトで発生し、その後2回の遺伝子重複でNOTCH2NLBとNOTCH2NLCが生まれることで、組み替えによる遺伝子変異が起こりやすい遺伝子座が出来上がったというシナリオになる。

あとは、この分子の様々な形がヒトでどう働いているかの検証だが、これについてはもっぱらES細胞から誘導される脳のオルガノイドを用いて研究している。まず正常の発現だが、さまざまな脳細胞で発現しているが、最も発現が高いのが前駆細胞Radial Glia Cell (RGC)で、脳の発生に最も重要な細胞だ。

この分子を強制発現させると前駆細胞の分化が遅れ、その分細胞の増殖回数が増える。逆に、この遺伝子を除いたES細胞では分化に関わる遺伝子の発現が上昇する。以上のことから、分化を遅らせるのがこの分子の機能と結論している。実際、同じ機能はNotch2に存在する。このことから、NOTCH2NLはNotch2の機能を促進する働きがあると考えられるが、そのことをレポーターシステムで証明している。

面白いのは、遺伝子組み換えで生まれる様々なタイプのNOTCH2NLそれぞれに、Notch2を補助する機能の活性が異なることで、これにより脳の微妙な多様性が生まれるのではと思ってしまう。

最後に1q21欠失、重複の患者さんについて配列を詳しく調べ、欠失、重複が、NOTCH2NLA/Bの間での組み替えにより起こっていることを明らかにしている。

読んでみて、これは始まったばかりで、今後もっと面白いことが出てきそうな予感がする研究だ。おそらくiPSは大活躍するだろう。また、他の動物への導入実験も行われると思う。人間の脳皮質の拡大をどれほど説明できるのか楽しみだが、ちょっと気になるのがNotchは他にも多くの幹細胞システムで重要な役割を演じている点で、NOTCH2NLが本当に脳で止まるのか、そこについて何も語られていないのはちょっと解せない。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月10日:出産日を血液で診断する(6月8日号Science掲載論文)

2018年6月10日
妊婦さんにとって、出産予定日と、早産リスクの判定は最も重要な情報だ。ウェッブにはこれを計算するツールが数多く提供されているが、基本的には最終生理や排卵日から計算する方法で、特に妊婦さんの状態に合わせて決めるわけではない。

我が国ではほとんどの妊婦さんが超音波診断を受け、胎児の一種の座高を測定し、予定日が計算されるが、これはかなり正確だと言っていい。ただ、早産リスクになると、胎児の大きさとは異なるさまざまなファクターが関与するため、内診や経腟超音波検査など、さまざまな検査を合わせて調べられる。検査自体は安全だが、妊婦さんの精神的負担は大きいと思う。

ところが今日紹介する論文を読んで、出産予定日や早産リスクを血液検査だけから診断しようとする試みがあることを初めて知った。既に異なるマーカーを用いる方法が開発されているらしいが、今日紹介するスタンフォード大学にFacebookのザッカーバーグ夫妻が寄付した講座からの論文は、血中に流れる胎児組織由来RNAを用いて診断する方法の開発を目指した研究だ。タイトルは「Noninvasive blood tests for fetal development predict gestationa age and preterm delivery(胎児の発生を調べる非侵襲的血液検査により胎児の週令と早産リスクを予測する)」だ。

研究では、母親の血中に、胎盤、胎児肝臓、免疫系各組織から流れ出てきた42種類のRNAの量を、毎週出産まで測定し、胎児の成長と最も相関するRNAを選び出している。ほとんどのRNAは胎児成長と概ね相関していたが、最も信頼が置けるRNAは全て胎盤由来で、最終的に9種類のRNAを出産予定日の算定のために選んでいる。まず二十一人の妊婦さんについてデータを集め、それをもとに予測のためのモデルを作り、このモデルの予測精度を超音波による予測と比べている。

予想されたことだが、超音波と比べると予測から大きく外れる妊婦さんの数は多い。しかし、誤差が前後1週間で予測された例でみると、ともに半数程度で超音波診断に匹敵するところまで来ており、他の方法と比べるとまずまずというところだと思う。おそらくもっと多くのデータをもとに推計モデルを作れば、さらに精度が上がると思われる。

出産予定日を予測するのも重要だが、妊婦さんにとってもっと重要なのが早産リスクを予測することで、この研究もこれを主目的としている。これは、成長に伴う正常出産日を予測することとは質的に異なる。この研究では、まず早産研究に関するコホート研究に参加した妊婦さんで、実際早産してしまった8人、満期で出産した7人の血液中に流れているRNAの配列を調べ、両者で差のある38種類のRNAを特定している。 この中で最も差が大きかった7種類のRNAをマーカーにして、子宮が早期に収縮するなどの早産リスクが高いお母さんについて、実際に早産を予測できるか調べ、なんと80%の予測率があることを明らかにしている。

組織から血中に流れる核酸を用いて、ガンの大きさをモニターしたり、あるいは胎児の遺伝子診断を行う試みが続いているが、当然胎児の成長状況や早産リスクを調べるかなり信頼できる方法になる事は、言われてみれば納得する。ここでは比較的単純な推計学モデルを用いているが、インプットとアウトプットは明確に定義できるので、今後AIを用いたもっと診断率が高い方法に発展すること間違いない。
カテゴリ:論文ウォッチ

6月9日:紫外線に当たると記憶力が上がる?(=風が吹けば桶屋が儲かる?)(6月14日号Cell掲載論文)

2018年6月9日
私もそうだったが、論文を書くときなんとか一つのシナリオに仕上げようという気持ちになると思う。ただ、無理にこの気持ちを追求しすぎると、誰が見ても、データとシナリオのこじつけが強い論文が出来てしまう。わかりやすくいうと、風が吹けば桶屋が儲かるという話になる。

今日紹介する中国合肥にあるNational Laboratory for Physical Sciences at the Microscaleというこれも訳すのが難しい名前の研究所からの論文を読んだときも、シナリオに向かって一直線という印象を強く持った。一方、中国の研究のレベルの高さについてもよくわかる論文だった。6月14日号のCellに掲載され、タイトルは「Moderate UV exposure enhances learning and memory by promoting a novel glutamate biosynthetic pathway in the brain(適度な紫外線照射は脳の新しいグルタミン酸合成経路を促進して学習と記憶を高める)」だ。

まず「紫外線照射が学習と記憶を高める」というタイトルを見れば誰でも驚いてしまう。「なになに」と読み始めると、このグループは記憶の研究より、パッチクランプで活動を記録した一個の神経細胞内成分を質量分析する大掛かりな研究を進めていることがわかる。ただ、いくら高い感度になったとはいえ、一個の細胞の成分分析はまだまだハードルが高いと想像する。その中で、このグループはこれまで脳内で検出されたことがないウロカニン酸(UCA)が海馬の神経細胞で高いレベルで検出できることに注目した。

UCAはヒスチジンから合成されるアミノ酸代謝物で、なんと1967年前に紫外線照射により合成が上がることが知られていた。そこで、脳内のUCAと紫外線照射の関連を調べ、UCAが脳内で合成されるのではなく、紫外線照射を受けた皮膚で合成され、これが脳内に脳血管関門を超えて入ってくることを示している。これも炭素13をラベルした詳しい実験で、代謝研究がきちっと行われているのがわかる。

前半の話はここまでで、次は脳細胞に入ったUCAの運命を調べ、肝臓と同じで、UCAが脳細胞の中でも中間体を経てグルタミン酸へと代謝されることを示している。はっきり言って、グルタミン酸というゴールがあって、これを得意の単一細胞の質量分析や、代謝研究で確認している。結果、UV照射を受けると、海馬のグルタミン酸合成が高まるという話が成立する。

ここまでくると、グルタミン酸が増えて、海馬のシナプス活性が高まり、記憶が良くなるというシナリオが見えてくる。これを光遺伝学的にCA3ニューロンを刺激し、CA1ニューロンでの興奮が上がるかという系で確かめ、UV照射で海馬のシナプス伝達性が高まることを確認している。

そして最後のゴールとして、2種類の記憶テストを行い、紫外線照射によりいずれのテストも結果が高まることを示している。まさに紫外線に当たると記憶力が高まる、風が吹けば桶屋が儲かるという話を読んだ気になる論文だ。なんとなく、本当かなと思ってしまうが、もしレフリーでまわってきたら、結局はアクセプトせざるを得ないしっかりした仕事だと思う。
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