2021年11月27日
昨日のYoutube勉強会で紹介したように、私たちのゲノムは細胞の分裂ごとに何回もDNA切断を経験する（https://www.youtube.com/watch?v=Hz9tCq8xWiA）。当然このとき、近接したカ所で切断が起こると切り出された断片は環状DNAとして細胞内に残り、もしレプリコンとして複製される構造を持っておれば、細胞内にエピゾームとして残る。このエピゾームの中にガンのドライバー遺伝子がコードされ、ガンの増殖を助けるという研究がこれまで何度も発表されてきた。
個人的には否定する理由もないし、ガンによっては問題になるかもしれないと考える程度だったが、今日紹介するスタンフォード大学からの論文を読んで、染色体外DNA(ecDNA)が、多くのガンで働いているかもしれないと思うようになった。タイトルは「ecDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression（ecDNAがハブとして分子間のガン遺伝子の協調を駆動している）」だ。
これまで細胞内でecDNAを直接観察することはあまり行われてこなかったように思う。基本的には長くても100kbぐらいのプラスミドなので、少なくとも私は小さなドットが見える程度だろうと思っていた。この研究ではMyc遺伝子の増幅が見られる細胞株で、Myc やEGFR, FGFRなどのガン遺伝子をプローブとしてin situ hybridizationを行うと、大きな領域がMycなどのプローブで染まり、これは染色体上のMycから出るシグナルとは全く別物であることを発見する。すなわち、ecDNAが個別の環状DNAとしてではなく、大きな集合体を形成していることを発見する。
さらにecDNAからの転写を、染色体内遺伝子からの転写と比べると、細胞によってはほとんどがecDNAであることが明らかになり、ecDNAの集合によって強いエンハンサー活性が発揮されていることを見する。
ここまで来ると誰でも、一種のスーパーエンハンサーが形成されている可能性を思いつく。そこで、多くのエンハンサーをまとめ、メディエーターにつなぐBRD4やTetRを蛍光ラベルして観察すると、このecDNAクラスターに局在することがわかった。すなわち離れて存在するecDNAがスーパーエンハンサーによりまとめられクラスターを形成している。
この可能性は、スーパーエンハンサーを抑制するブロモドメインを持つBRDの阻害剤JQ1で細胞を処理すると、スーパーエンハンサーと同じように、ecDNAの集合体が消失することかも示された。
これらの結果をMycの増幅が存在する大腸ガン株でさらに詳しく調べ、この細胞ではnon-coding RNA PVT1とMycの融合したecDNA、MycだけのecDNAを中心に、様々なecDNAが存在していること、また、PTV1−MycとMycだけのecDNA同士が一つのクラスターに集まり相互に転写を高めていることを明らかにする。すなわち、ecDNAはバラバラに存在していても、BRDにより集合することで、ecDNA上に存在する異なるガン遺伝子の高い発現を可能にしていることを示している。
同じ可能性を、FGFRを持つecDNAとMycを持つecDNAが共存する細胞で、詳しく確認しているが、詳細は省く。
要するに、遺伝子増幅が起こるような染色体不安定性がガンで発生しやすく、その結果ガン遺伝子を含む領域がecDNAとして染色体外に移行すると、このようなクラスター形成の結果、さらに強い増殖力を獲得し、他のガン細胞を駆逐する可能性を示した結果だ、いずれにせよ、全てはin situ hybiridizationでecDNAを見るところから始まっており、かなり説得力が高かった。
2021年11月26日
今日の午後8時、Repair-seqの論文を紹介するとともに、DNAの２重鎖修復全般についても短く解説する予定だ（https://www.youtube.com/watch?v=Hz9tCq8xWiA）。短い時間でまとめるつもりなので、DNA修復に興味がある人は是非見てほしい。さて、DNA損傷は二重鎖切断だけではない。一般の人にも最もポピュラーなのは、紫外線障害によりピリミジンダイマー形成など、核酸自体を化学的に変化させる。これに対しては、ミスマッチ除去修復という、これも複雑な過程で対応しているが、この過程に関わる様々な遺伝子突然変異の研究から、研究が進んでいる。
この過程が傷害されると、細胞ストレスによる炎症と、突然変異によるガン発生など共通の症状が見られるが、完全に説明できないのがコケイン症候群と呼ばれる病気で、障害を受けたDNA上で止まってしまった転写機構を感知し除去修復を誘導する役割があるCSAor B遺伝子の変異によることがわかっている。ただ、この遺伝子が欠損すると、他の除去修復分子変異と異なり、脳や腎臓の障害が誘導され、悪液質が進み、予後が極めて悪い。
今日紹介するオックスフォード大学からの論文は、コケイン症候群の悪液質発症のメカニズムを明らかにし治療の可能性を示した研究で、１１月２４日号Natureにオンライン掲載された。タイトルは「Aldehyde-driven transcriptional stress triggers an anorexic DNA damage response（アルデヒドによる転写ストレスが、食思不振を伴うDNA障害を誘導する）」だ。
紫外線から体を守っていても、コケイン症候群は進行する。すなわち、紫外線と同じようなDNA障害を誘導する原因が体内に存在する。この研究ではまず、フォルムアルデヒドが紫外線と同じよDNA障害を誘導し、除去修復機構が欠損すると、細胞死に陥ちることを示している。
フォルムアルデヒドを体の中で処理するのがAdh5なので、次にこの分子の欠損したマウスを作成し、これにコケイン症候群遺伝子CSBの突然変異を掛け合わせると、マウスにコケイン症候群と同じ症状を誘導することに成功している。マウスではCSBの変異を導入してもコケイン症候群を誘導できていなかったことから、マウスではフォルムアルデヒド除去機構が発達しており、Adh5ノックアウトを掛け合わせて初めて、同じ症状が見られるようになることを示している。
いずれにせよ、コケイン症候群を再現できたので、次にマウスで詳しく病態を調べ、特に腎臓の障害が著しいことを確認する。そして、single cell RNAseq を用いてネフロンの障害とともに、尿細管からGDF15と呼ばれる食欲を強く抑制する分子の分泌が高まっていることを発見する。すなわち、腎臓の障害とともに、食欲が抑制され、これが悪液質を誘導することを突き止めている。
ネフロン細胞の障害については改善できないが、GDF15を抗体で抑制すると、食欲は元に戻り体重減少や悪液質を止めることができることから、病気の進行を遅らせることができることがわかった。
結果は以上で、なぜ同じ除去修復プロセスに関わる遺伝子変異でも、コケイン症候群だけ全身の複雑な障害が出るのかよく理解できるともに、DNA修復がうまくいかないことが、多様な症状につながることも再認識できた。幸いアルデヒドの蓄積が主原因であるとすると、GDF15に対する抗体だけでなく、食事を工夫したりしてさらに進行を止める可能性も出てきたと思う。
2021年11月25日
DNAは、放射線、活性酸素などの物理的要因や、転写時のメカニカルストレスなどで切断されることが知られている（double strand break:DBS）、主にhomology directed repair, nonhomologous endo joiningと呼ばれる２種類の機構に加え、microhomology mediated end joiningと呼ばれる機構も動員して修復が行われる。このとき修復ができないと細胞はアポトーシスで消滅する。また、この修復過程で染色体異常が発生する。これが、例えば被爆者の方たちに、染色体転座が高率に発生する原因になっている。
それぞれの過程には多くの分子が参加しており、ある程度勉強していても、なかなかその詳細が頭の中に浮かんでくることはない。ただ、以前紹介したRepair-seqという技術は、専門外の人間にもこの過程をある程度整理させてくれる美しい実験システムだ。この方法については明日zoomでワイワイ議論し、それをYoutube配信するので是非見てください（https://www.youtube.com/watch?v=Hz9tCq8xWiA）。Zoomに参加したい人もメールを送ってもらえれば、アカウントを送ります。
さて、DBSは外界からのストレス以外でも起こる。例えば抗体やT細胞受容体の遺伝子再構成は、まさにDBSと修復をより調節的に進めることで可能になっている。そして私たち全ての生物に最も重要なのが、生殖細胞の減数分裂時に起こる、組み換え過程で、それぞれ特別のメカニズムを発達させている。
今日紹介するスローンケッタリングがんセンターからの論文は、減数分裂時に起こる組み換えでも、頻度は低いが特殊な変異が発生し、これが親には見られないのに、子供が生まれたときから遺伝子変異を持っているde novo変異の重要な原因になることを示した研究で１１月２４日号のCellに掲載された。タイトルは「De novo deletions and duplications at recombination hotspots in mouse germlines（マウス生殖細胞系列で組み換えホットスポットに見られるde novo欠失と重複）」だ。
メカニズムについては私もほとんどフォローしていなかったが、減数分裂時の遺伝子組み換えは、染色体上に散らばる3万カ所の組み換えホットスポットにSPO11という酵素にいりDBSが入るところから始まる。このとき、隣接するホットスポットに切断が入ると修復前に様々な変異が入る可能性があるので、一回の減数分裂では近接するホットスポットに同時にDBSが入らないよう、ATMにより使えるホットスポットが調節されていると考えられてきた。
この研究では、相互の距離が近いホットスポット同士に着目し、近接するホットスポット同士でDBSが起こる頻度をATMの有り無しで比べるところから始め、ATMが存在しないとき、近接するホットスポットでDBSが入り、間が欠失する確率が高まることを示している。
減数分裂時の染色体組み換えは正確に行われると考えられているが、この結果は原理的に近接するホットスポットに同時にDBSが入る可能性があること、ATMがこれを抑えるが、低い確率ではあっても（１千万回に１回程度）正常細胞で同じ変異が起こり、これが生殖系列に新しい変異を導入する可能性を示唆している。
このまれな可能性を確実に捉えたことが、この研究のハイライトだが、後はSPO11によるDBSの入り方、またその結果、遺伝子重複、欠失したDNAによる環状DNAの形成、ホットスポット内の複数のDBSによるミクロ欠失、挿入変異の発生などが起こることをメカニズムとともに示しているが、詳細は省く。
いずれにせよ、組み換えのホットスポット、特に近接するホットスポットが生殖細胞発生過程のde novo 変異発生の起点になっているという事実は、現在加速しているde novo変異と病気との関わりに新しい視点を与えてくれることは間違いない。
以上、DBS修復機構の研究は大変だが、ゲノム多様性から病気まで、人間の理解に必須の課程だ。研究を容易にするRepair seq勉強会に是非多くの人が参加して欲しいと思っている。
2021年11月24日
ヨーロッパで再感染の大きな波が来ているようだが、コストを度外視すると、感染初期のロジカルな治療手段がそろってきているので、状況は大きく改善していると言える（もちろん薬剤の供給という面は感染者が多いと問題になるが）。その筆頭が、第五波で我が国もその効果を実感したモノクローナル抗体療法だが、その後メルクが開発した核酸アナログのモルヌピラビル、そしてファイザーからcovid-19のMain Proteaseに対する阻害剤が認可され、おそらく塩野義製薬の同じMain Protease阻害剤も続こうとしている。これらの薬剤は、ワクチンによる免疫にかかわらず、ブレークスルー感染にも使用可能だ。感染者全てに投与というのは非現実的なので、これらをどう標準治療に組み入れるのかが、covid-19を抑制する鍵になるだろう。
今や誰もが知っている抗体療法だが、中でも玄人受けするのが、GSKのsotrovimabだろう。まずspikeとACE2の結合サイトを直接狙うのではなく、その横のSARS型コロナウイルスで保存された場所に結合してスパイクのダイナミズムを抑え、感染を抑止する。さらに、元々SARS患者さんから分離された抗体を使っている点でも、SARS型であれば、今後予想されるスパイク変異株にも対応できる。そして、十分時間をかけて開発され、Fc部分に突然変異を導入して、体内での抗体半減期を延ばし、しかもFcにより肺への移行を高めている。
このsotrovimabを発症後5日以内の患者さんに使って、病気の進行を止める治験の結果が１１月１８日号のThe New England Journal of Medicineに掲載された。タイトルは「Early Treatment for Covid-19 with SARS-CoV-2 Neutralizing Antibody Sotrovimab（SARS-CoV2中和活性を持つSotrobimab のCovid-19 初期感染治療）」だ。
この研究は感染が確定した患者さんの中から、発症５日以内の症例を探し出し、そのまま無作為化し、sotrovimab ５００mgを静注、入院や死亡を防げるかどうかに絞って調べている。このとき、５５歳以上で、BMI30以上、また何らかの基礎疾患があるいわゆるハイリスクグループを対象にしている。
結果は期待通りで、sotrovimab投与群では３人が入院、一方偽薬群では２１人と、ほぼ７倍の入院率だった。３人入院したが、重症化してICU治療を受けたのは０人、一方偽薬群は５人だった。
５００mgは筋肉注射可能なので、今後外来治療に移行させる可能性大の結果だ。
ただ、今日紹介したいのはこの論文ではなく、同じ号のThe New England Journal of Medicineに掲載されていたピッツバーグ大学を中心とする、回復者血清をcovid-19初期治療に使う治験で、タイトルは「Early Convalescent Plasma for High-Risk Outpatients with Covid-19 （初期Covid-19ハイリスク外来患者さんに対する回復者血清治療）」だ。
この治験も感染初期のハイリスク患者さんに抗体治療を行うという点では同じだ。ただ、この研究では発症後７日目までの患者さんをリクルートしており、GSKの治験と比べると２日遅い。
抗体については中和活性が十分あるという患者さん血清を用いている。結果の評価は１５日時点で入院が必要だったかを指標にしている。
まず、発症後２日の違いが大きいことがわかる。すなわち、sotrovimab治験で偽薬群が入院した確率は７％だったのに対し、この治験での偽薬群の入院率は30％に達している。
そして最も驚くのが、回復者血清投与群での入院率が３２％と、全く治療効果がないという結果だ。
発症後２日という違いがあるので、完全な比較は難しい。しかし、少なくとも試験管内で感染を防ぐ抗体を十分含み、原理的にウイルス感染を防ぐことができる回復者血清が全く効果がなかったという結果には驚く。
もちろん、今後の治療オプションにならないことが明確になるとともに、科学的知見の重要性が再認識されたが、原理的に効くはずの抗体がなぜ全く効かないのか、良く原因を理解することが重要になる。
よくデザインされたモノクローナル抗体を使ったことがこの差を生み出すのか、他の原因なのか、今後のためにも重要な課題がまた一つ生まれた。
2021年11月23日
次回「生命科学から読む哲学書」は、デカルト、ライプニッツと来て、当然スピノザになる。スピノザの著作を読むと、あまり生命科学とは関係がありそうにないのだが、全体として眺めたとき、全く新しい自然観で人間精神を位置づけたというストーリーが頭に浮かび、これに沿って現在執筆中だ。彼の、人間の身体も精神も大きな自然から生まれてきたという、統合的自然観は、現代の生物学に最も近い。だからこそ、彼は生涯の最後に、それまで神の領域として考えられてきた「倫理」をテーマに選び、自然から精神まで統合的自然観の中に位置づけた「エチカ」を書いたのではと思っている。
このときスピノザが自然と精神をつなぐ糸として注目したのが、我々生命体の感情、欲望だが、この領域の最近の研究を見ていると、身体と精神が本当にうまく統合されているのがよくわかる。最も研究が進んでいるのが食欲で、カロリーバランスという身体的要求性と、快、不快といった食べ物に対する感情、さらには理性が統合された食欲調節機構ができあがり、研究もかなり進んでいる。まさに、「生きるために食べるのか、食べるために生きるのか」という古くからの疑問が、このシステムの中に相反せずに凝縮している。
とはいえ、まだまだわからないことは多い。今日紹介するペンシルバニア大学からの論文は、小脳の深部神経核という意外な場所の神経が、食欲調節のかなり上位の機能を担っているという驚くべき研究で、１１月１７日Natureにオンライン掲載された。タイトルは「Reverse-translational identification of a cerebellar satiation network（逆トランスレーショナル研究により小脳の満腹ネットワークを特定する）」だ。
この研究は、DNAメチル化によるインプリンティング異常として有名なPrader-Willis症候群の患者さんに見られる過食に関わる脳領域を、fMRIを用いて特定することから始めている。これまでの研究で食欲に関わるサーキットとして、視床下部、辺縁系、そして前頭皮質がよく知られていたためか、Prader-Willis症候群の過食も、これらの領域が関わるとされていた。しかし、食事を摂取したときの神経活動の注意深い比較から、Prader-Willis症候群で活動が最も変化しているのが、小脳の深部神経核であるという驚くべき結果を得ている。すなわち、この領域の機能が低下すると過食に陥る。食欲のような意識と無意識が合体した脳回路が関わる場合、人間でしかわからないことが多いことが、この研究の重要なメッセージだ。
後は、マウスを用いて小脳深部核と食欲との関わりを調べ、
- 小脳深部核前部のSpp1,Miat, Crhr1などを発現するグルタミン作動性神経の興奮が、食欲を抑える。
- この神経核興奮による抑制は、神経的な感覚（空腹など）と関係なく、一定のカロリーを摂取したことを感知した腸内の迷走神経を感知しておこる。
- 空腹に反応する弓状核agouti受容体神経を刺激すると、摂食が誘導されるが、このとき小脳深部核を同時に刺激すると摂食が抑えられる。すなわち、小脳深部核による調節が上位にある。
- 食事にありついたご褒美回路として知られるドーパミンとの関係を調べると、小脳深部核刺激は、線条体のドーパミンレベルを高め、食べたときにご褒美効果反応を鈍らせることを示している。
- ドーパミンが低下すると神経性食思不振に陥ることが知られており、ドーパミンレベルを上げて食欲を抑えるというのは一見矛盾しているように思えるが、食事に対してドーパミンのレベルが上がり下がりすることが重要で、ドーパミンがないとこの反応は消失するし、逆にドーパミンレベルが高いと、食事ごとの反応が鈍ると考えられる。
以上が結果で、食事の量の感知と、食欲という感情をつなぐ重要な回路がまた一つ見つかったことになる。スピノザへと思いが馳せる面白い研究だった。
2021年11月22日
全世界で４００万人以上の人がCovid-19により亡くなっていることを考えると、当然解剖例が蓄積しているのではと思うが、感染症のためか、なかなかシステミックな解剖例の解析を読むことはなかった。今日紹介する米国・国立衛生研究所からの論文は、１８人の、発症後様々な時期になくなった患者さんの解剖所見をまとめた研究で、何を今更という言う気もしないではないが、頭の中をまとめるという意味では、大変役に立つ研究だ。タイトルは「Lung epithelial and endothelial damage, loss of tissue repair, inhibition of fibrinolysis, and cellular senescence in fatal COVID-19（肺上皮と血管内皮の障害、修復欠損、フィブリン分解阻害、そして細胞老化がCovid-19の死亡例で見られる）」だ。
タイトルにリストされているように、この研究で確認された主要な異常は、肺上皮障害、血管内皮障害、修復異常、フィブリン分解異常、細胞老化で、これまでの報告と特に変わるところはない。ただ、死亡前後の血液検査所見、また剖検で十分な量の組織が得られることからウイルス感染細胞の特定、組織の遺伝子発現などが詳しく行われている点と、症状が出てからから死亡に至るまで、様々な期間（なんと３日から４７日）の症例がまとめられている点で、おそらく多くの医師にとっては有用な情報になると思う。結局病理所見は、自分なりの疑問を持ってじっくり論文を読むことが重要なので、ここでは私が面白いと思った点だけを列挙する。
- 我が国でも問題になったが、症状が出てから入院する前になくなってしまう例が存在し、この研究でも２例入院前に死亡し、そのうち1例は症状が出てから３日で亡くなっている。このような症例に適切に対応するのは難しいと思う。
- 剖検で作成されたパラフィン標本からウイルスRNAがPCRで検出される。これはさらに大規模に剖検研究を行うためには朗報。さらに、治療にも関わらず、１８例全例でウイルスが検出できる。また、早期死亡例ほどウイルス感染量が多い。
- こうして検出されたウイルスゲノムの解析から、全員で１９８種類もの変異株が見つかった。すなわち、死亡例一例一例が、変異株発生のインキュベーターになっている。
- すでに報告があるが、発症から死亡までの長さで、おおよそ３種類に分けることができる。急性例では、上皮障害による浮腫、浸潤による呼吸不全が中心だが、時間が経過するにつれ、上皮の増殖、そして線維化などが加わる。結局は、どの時点で呼吸不全が強まるかにより経過は決まるが、それぞれのステージ特異的な治療法を考えることは重要。
- 肺胞上皮、気道上皮への感染が観察されるが、AT2細胞への感染によりサーファクタント合成が低下することが急速な呼吸機能不全に寄与する。また、インフルエンザウイルスと異なり、再生修復に関わる基底細胞への感染が起こるため、肺胞上皮の修復が傷害される。その結果、肺の線維化が進んでしまう。個人的な印象だが、これは回復後に続く、long covid症状の原因になり得る。
- 血管内皮への障害による、肺胞への浸潤も特徴的で、この研究では細胞接着因子について詳しく調べている。特に短期死亡例では、肺胞のEカドヘリン発現とサーファクタントの低下が著しく、急速な呼吸不全の原因になる。また、血管側では、タイとジャンクションに関わるClaudin-5発現低下、基底膜の障害とそれに関わるコラーゲン4発現低下が見られる。このように、肺胞上皮と血管の異常が合わさると、血栓および肺胞内のフィブリン形成が進み、呼吸不全になる。
- サイトカインストームと呼ばれる状態が、中期以降では見られているが、個人的な印象としてリンパ球の関与より、圧倒的に好中球の浸潤と、ネットーシスが病気進行に関わっている。特に、白血球のPAI−1発現が目立っており、血管内皮とともに、血栓形成の重要な要因になっている。
以上雑然と気になったことを列挙したが、基本的にはこれまで示されてきた様々な現象が、うまく関連付けられて理解しやすくなった印象だ。Covid-19臨床に興味のある人は、一読の価値がある。
2021年11月21日
NKT細胞は、私がまだ熊本大学に在籍していた頃、当時千葉大学の谷口さんたちによりVα14TcRとNK抗原を持つ不思議なT細胞として研究されていたのをよく覚えている。特に、キリンビールにより海綿から分離されたAgelasphinという物質が、CD1と結合してNKT細胞を増殖させるという発見と、それを注射することで抗腫瘍免疫が誘導されるという発見について、北海道の免疫学会で谷口先生から熱っぽく聞かされたのはよく記憶している。その後、私のほうが免疫学会から離れてしまったので、その後の経緯はフォローできていないが、現在でもNKT細胞を用いた腫瘍治療や、抑制性のNKT細胞を用いたアレルギー治療など、より臨床的な研究が進んでいるという印象がある。しかし、なぜこのような風変わりな細胞が誘導されて来るのかなど、わからないことは多い。
今日紹介するハーバード大学からの論文はNKT細胞を様々な程度に刺激できる多様なαgalactosylceramide(αGC)が腸内細菌の一つBacteroides fragilisによりアミノ酸を原料に合成され、利用されるアミノ酸によって合成されるαGCが変化し、結果NKT細胞の誘導のされ方が変わることを示した面白い研究で、１１月１０日Nature にオンライン掲載された。タイトルは「Host immunomodulatory lipids created by symbionts from dietary amino acids（腸内共生細菌により食事のアミノ酸から合成される免疫調節性脂肪）」だ。
全くフォローできていなかったが、B.fragilisがαGCを合成して腸内でNKT細胞を刺激したり、逆にキリンが発見したリガンドKRN7000の効果を抑えたりしていることはこれまでの研究で知られていたようだ。
この研究では、B.fragilisが合成するほぼ全てのαGCを特定し、また産生量の多いαGCを化学的に合成できるようにしている。
こうして特定されたαGCは、基本的にはsphinganinと脂肪酸アシルが組み合わさった構造を持っており、側鎖のある脂肪酸が組み合わさったαGCのみNKT刺激効果が観察される。面白いことに、どのタイプのαGCがB fragilisにより合成されるかは食事中のアミノ酸の種類により決まる。そして、側鎖型αGCが合成できなくなったB.fragilisだけが存在する腸内では、個人的予想に反してNKTが上昇しており、実際の腸内では、合成される側鎖型、非側鎖型のαGCの組み合わせで複雑なNKT細胞刺激が起こっていることを示している。
最後に、B.fragilisが合成する側鎖型αGC（SB2217）について、NKT刺激効果を調べている。キリンリガンドKRN7000と比べたとき、SB2217はIL-2誘導能力は十分持ちながら、しかしインターフェロンやIL-4の誘導は低い。すなわち同じT細胞受容体を用いているからと言っても、CD1とリガンドがあれば同じように刺激されるわけではなく、T細胞の反応が異なるという驚く結果だ。
この違いについて結晶化したｃCD1＋リガンドとT細胞受容体の構造を解析しているが、なぜこれほどの違いが発生するのかについては、KRNがCD1ポケットから飛び出す部分が多い以外に、明確な答えは示せてはいない。
以上が結果で、同じCD1とT細胞受容体の組みあわせでも、αGCの違いにより、ポジティブ、ネガティブとNKT細胞刺激様態が変化できること、そしてこの変化が、おそらく摂取している食事中のアミノ酸に影響されるという発見は、 NKTだけでなく、腸内細菌叢による免疫制御について、新しい方向性を開いたのではないかと思う。
しかし、発生初期のNKT誘導は、単純に刺激型リガンドが合成されるから起こるわけではないことなど、invariantT細胞といいながら、極めて複雑なシステムであることもよくわかった。
2021年11月20日
脳細胞は眠っているときにも働いており、働いていると言うことは常に細胞内外のイオン量が興奮により変化していることを意味する。当然そのままでは、神経興奮ができなくなるので、ATPエネルギーで駆動されるNa/K ATPaseを用いてイオン勾配を元に戻している。この結果、脳のエネルギー消費量は、身体全体の２５−５０％にも達しており、逆に言うと摂取エネルギーが低下すると、脳機能が維持できなくなる。
もちろん飢餓が続くと、脳の活動が低下するが、野生動物は常に短期的な飢餓を経験しながら生きている。従って、短期的な飢餓で脳の機能が低下しても、ハンティングができるだけの脳機能を維持する必要がある。
今日紹介する英国エジンバラ大学からの論文は短期の飢餓による消費エネルギー低下を脳細胞がいかに克服しているかを、オーソドックスな電気生理学的手法で調べた研究で、１１月５日Neuronにオンライン掲載された。タイトルは「Neocortex saves energy by reducing coding precision during food scarcity（新皮質は餌が少ないときコーディングの正確さを低下させてエネルギーを節約する）」だ。
この研究では、２-３週間で体重が１５％程度減るような食事制限を行い（自分でやるとしたら大変だが）、基本的には視覚野のAMPA型グルタミン酸受容体の活動変化を電気生理学的に見ている。
この程度の食事制限を行って、脳のATP消費量を様々な方法で測ると、 ３割程度ATP消費が落ち、その結果神経細胞の興奮電流は平均で低下する。驚くことに、このようにエネルギー利用に合わせて、脳細胞の興奮レベルは低下しているにもかかわらず、神経自体の興奮回数はほとんど低下しておらず、活動が保たれていることを発見した。
後は、この理由を皮質視覚野のAMPA型神経細胞の電気生理学を行って、この変化の生理学的基盤を探っている。実験は極めてオーソドックスな電気生理学で、神経細胞のチャンネルについても、生理学で習ったホジキンハックスレーモデルが出てきて、学生時代は生理学が苦手だったなと懐かしい気持ちで読んだ。
脱線してしまったが、詳細を省いて結果をまとめると、利用できるATPが減ると、神経細胞自体の何らかの変化により、シナプスに存在するAMPA型受容体チャンネルのコンダクタンス（イオンの通りやすさ）が低下する。これにより、神経細胞の興奮が抑えられるのだが、これと同時に、入力抵抗が上昇し、少ないシナプスからの刺激で興奮しやすくなると同時に、膜の脱分極レベルが高まり、これも小さな刺激で興奮を起こりやすくしている。
すなわち、AMPA受容体で、チャンネルの反応自体は低下していても、反応自体の閾値が変化し興奮が起こりやすくすることで、興奮回数が低下しないようにしている。その結果、行動学的に見ると、視覚認識の精度は低下するが、感覚レベルは維持できるという結果だ。たとえ話で言えば、どれが上等の獲物かの判断は鈍るが、餌にはアタックできるといった感じだ。
この研究では、この変化がAMPA受容体の数などの変化ではないこと以外、この変化のメカニズムについては調べていない。ただ、この変化が特定の代謝物の変化によるのではなく、食欲を抑えるレプチンが低下することに起因しており、レプチンを注射することで、このような神経変化が正常化することを示している。
2021年11月19日
このHPで一度紹介したことがあるが（https://aasj.jp/news/watch/14359）、阪大の仲野さんの大学院時代の先生に当たる北村幸彦先生は、マスト細胞研究をリードした研究者というだけでなく、創意工夫に満ちた実験を着想する力で傑出していた。これらの中で今でも印象に残っているのが、マスト細胞がダニ刺されから守ってくれることを証明した実験で、マスト細胞が皮膚に存在するとほとんど血を吸われることがないことを見事に証明していた。詳細は覚えていないが、このときマスト細胞を移植したホスト細胞の方に特に何か免疫反応を誘導されていたとは思えないので、ともかくマスト細胞が集まればダニから守ってくれるという話ではなかっただろうか（間違っていたら訂正してください）。
そんな北村先生を彷彿とさせる、ダニ刺されを防ぐワクチン開発について述べた論文がイエール大学より１１月１７日号のScience Translational Medicineに掲載された。タイトルは「mRNA vaccination induces tick resistance and prevents transmission of the Lyme disease agent（mRNAワクチンはダニ刺されへの抵抗力を誘導し、ライム病感染を防ぐ）」だ。
マスト細胞だけでなく、ダニ刺されが繰り返されると、抵抗力が獲得されることは古くから知られていたようだ。また、ダニの唾液の中の分子に対する免疫により、ダニ刺されが減ることも知られていたようだ。とすると、ダニ刺されから守るワクチンも当然考えられる。この可能性を確かめたのがこの研究で、ダニの唾液に含まれるタンパク質19種類を選び、その遺伝子をmRNAとして調整、新型コロナワクチンと同じように、脂肪ナノ粒子にくるんで、ワクチンとして用いている。
このワクチンを１ヶ月間隔で３回注射し、その後でそれぞれの分子に対して抗体価を調べると、抗体が誘導されやすい分子と、誘導が少ない分子に別れるが、T細胞反応も考え、１９種類を全部抗原として用いる方法を続けてその後のワクチン効果についての研究を行っている。
このように免役したモルモットの皮膚にダニを置いて血液を吸わせると、免役した群では１８時間ぐらいから紅斑が現れてくる。時間経過から考えると、抗体による２型アレルギーより、細胞性免疫による反応が強いように思える。
ただ、紅斑が出るだけではない。血液が吸えるとダニは何日も皮膚に居続けるが、免役したモルモットでは皮膚から早く離れてしまう。
圧巻はダニが媒介するライム病菌の感染実験で、感染ダニを３匹皮膚において、３週間目のライム病菌の感染を調べると、コントロールでは６０％が感染しているのに、免役した方では０％という結果だった。
メカニズムに関しては、ダニ刺され局所での炎症反応が高まっていることが示されただけなので、さらに実用化を目指すとすると、ダニ刺されだけでなく、ライム病感染防御も含めた詳しいメカニズムを詰めた上で、さらに有効な抗原を選んだワクチンに仕上がる必要があるように思う。
しかし、免疫により虫刺されを防ぎ、昆虫を媒介とする感染症を防げるという可能性の検証としては面白いチャレンジだと思う。
2021年11月18日
私たちの脳の神経回路形成には、特異的なシナプス形成制御が必須で、特に間違った神経同士でシナプスが形成されないように調節が行われる。例えばニューロリギンやそのリガンドニューレキシンなどはシナプス形成のオーガナイザーとして有名だが、ノックアウトマウスの解析から、このような単純な図式はもはや受け入れられない。もう一つ重要なオーガナイザーがRTN4RのようなRNoGoシグナルに関わる分子で、神経の軸索伸展を抑制して正しい神経結合に必須と考えられている。逆に、脊髄損傷研究分野では、このNoGoシグナルを外して軸索を再生させられないか研究が行われてきた。
今日紹介するスタンフォード大学からの論文は、極めてオーソドックスな実験研究を重ねて、NoGoシグナル受容体RTN4RがBAI-Adhesion GPCRと結合し、軸索伸展、樹状突起、を抑制しつつ、シナプス形成に関わることを明らかにした、この分野では重要な研究で １１月２４日号のCellに掲載された。タイトルは「RTN4/NoGo-receptor binding to BAI adhesionGPCRs regulates neuronal development（RTN4/NoGo受容体はBAI adhesion GPCRと結合して神経発生を調節している）」だ。
この研究は、これまでシナプス形成に関わることが知られているBAI-adhesion GPCR(BAI)と結合する相手側の分子の探索から始まっている。極めてオーソドックスな方法でBAI結合分子を特定すると、なんとNoGo受容体RTN4Rと同じファミリーのRTN4RL1が結合分子トップにリストされてきた。これは驚きで、RTN4Rはこれまで全く異なる分子と結合して働いているとされてきた。
そこで、BAIとRTN4RおよびRTN4RL1の結合を生化学的、細胞学的に検討し、
- BAIとRTN4Rがナノモルレベルの親和性で結合する。
- RTN4RはBAIのTSR3領域と結合するが、結合面にフコース、マンノースの糖鎖修飾が必要
を明らかにし、この2つの分子がセットで、NoGoシグナルを担っている可能性を確認している。
次に、RTN4R遺伝子をノックアウトしたヒトES細胞から神経を誘導、試験管内での神経間相互作用を調べる実験から、電気生理学的にも、細胞学的にも、RTN4RとBAI結合がシナプス形成に必須であることを証明している。
最後に、神経細胞やグリア細胞ごとにBAI発現を調節する実験系を用いて、
- グリア細胞のBAIと神経細胞のRTN4Rとの相互作用により、神経軸索の伸展が抑制される。
- 神経細胞が発現するBAIにより相手神経細胞の樹状突起形成が抑制される。
ことを明らかにしている。
この結果をまとめると、BAIとRTN4Rは、神経伸展を抑制し、次に樹状突起形成を抑えることで、神経を限られた特定の神経に誘導し、特異的なシナプス形成を促すオーガナイザーの働きをしていることが明らかになった。
遺伝子がクローニングされ、ノックアウト動物が作成されても、詳しいメカニズムを解明するためには、地道なオーソドックスな努力の必要性を教えてくれる重要な研究だと思う。
