2月3日 手話の系統樹をコンピュータに描かせる(2月2日号Science 掲載論文)
AASJホームページ > 新着情報

2月3日 手話の系統樹をコンピュータに描かせる(2月2日号Science 掲載論文)

2024年2月3日
SNSシェア

昨日に続いて、今日、明日と言語に関する論文を紹介する。今日は手話の系統樹だ。

手話が体系的に作られるのは近代に入ってから聾唖の子供達が学校に集められるようになってからで、多くは自然に発生してくる。手話が自然発生する過程が最も詳しく研究されたのは、ニカラグアの聾唖ストリートチルドレンが集められた施設で発生したニカラグアの手話で、我々人間が一定数集まると言語が自然発生することの証拠と考えられている。ただ、完全に自然発生するのは稀で、多くの場合聾唖学校が設立され、自然発生的手話が体系化されるという経過を辿ることが多い。

今日紹介する論文が対象とする手話は、音に対応させた手話とは異なり、例えば日本には日本語対応手話と日本手話が存在するが、日本手話の方にあたる。手話は各国に存在し、それぞれの関係については歴史的記述に基づいて記述されているが、言語のようにコンピュータを用いた解析はほとんど行われてこなかった。

今日紹介するワシントン大学からの論文は、手話をコード化して、19カ国の手話の系統樹をコンピュータに描かせようとした論文で、2月2日号の Science に掲載された。タイトルは「Computational phylogenetics reveal histories of sign languages(コンピュータによる系統樹により手話の歴史が明らかになる)」だ。

この研究の核は手話で使われる100の単語を、1)利き手、2)手の形、3)手の場所、4)動きをもとにコード化し、類似性をコンピュータで計算させることでそれぞれの系統樹を書かせることだが、この方法部分は私の理解を超えているので、結果だけを紹介する。

要するに、各国で現在使われている手話の系統樹が描けたということが重要だ。系統樹は、アジアとヨーロッパで完全に分離している。すなわち、元になった共通の自然発生手話が全く存在しないことを示している。この理由についてははっきりしないが、少なくともアジアの手話にグループとしての一定の共通性があるということは、さらにルーツを遡る重要性を示している。

解析されたアジア4カ国の手話は、中国/香港型と日本/台湾型に分かれる。手話が音や文法とは独立して形成されるとしても、日本と台湾が同じグループというのは不思議に思う。この論文には各国手話形成の歴史についてのサマリーもついており、これによると台湾の手話は、日本人の教育者の影響下で形成されたようだ。すなわち、ゲノムと同じようにコンピュータ系統樹を歴史と対応させることもできる。とすると、韓国も入れた比較は面白いと思う。

ヨーロッパ各国は1700年代に聾唖学校を設立し、これが手話成立のきっかけになっている。例えば、ドイツ、オーストリア、チェコ、あるいはエストニア、ラトビア、リトアニア、ウクライナ、ロシアが一つの系統に分類されるのは、歴史的経緯を反映しており、コンピュータ解析の妥当性をよく示している。

しかし、アメリカ合衆国と、イギリス/ニュージーランドグループが完全に分離しているのは面白い。すなわち、手話が体系化されるまでに国として別れると、同じ言葉を話していても、全く別の手話が発生することを示している。

さらに、同じルーツであっても、離れて発生すると、独自の変化を遂げることも言語と同じで、日本と台湾、あるいは英国とニュージーランドの手話を比べるとわかる。

結果は以上で、例えば完全に独立した手話と言える、イタリア、フランス、スペイン、ポーランド、アメリカなどを、もう一度脳科学を含む新たな視点から見直すことは言語の発生条件を知る意味で面白い。

最初に述べたように、手話は歴史が新しい点で、言語の発生を理解するために貴重な材料になる。現在使われているような体系化が起こる前には、より小さな集団で、聾唖者と正常とのコミュニケーションに使われた手話が存在し、また遺伝的に聾唖の多い地域、例えばアラブのベドウィン手話や、奄美大島の古仁屋手話なども存在する。コンピュータが導入されたことで、今後これらの統合的研究が加速すると期待する。

カテゴリ:論文ウォッチ

2月2日 発話過程の単一神経レベルの解析(1月31日 Nature オンライン掲載論文)

2024年2月2日
SNSシェア

私たちが話しているとき、まず話したい内容に合わせて単語を並べるが、その単語は子音や母音が合わさったシラブルと、音素と呼ばれる(調子やイントネーションまで含んでいる)音の最小単位が組みあわせられる。

この作業を次から次へと出来る脳の仕組みが存在する言うことが驚きだが、21世紀はその驚きのメカニズムが明らかにされると思う。特に大規模言語モデルの能力を比較することが可能になった今、大きな進展が期待できる。ただ、そのためには感知から発話までの様々な過程の脳活動を記録していくことが必要になる。

今日紹介するハーバード大学からの論文は、単一神経の活動を記録することが出来るクラスター電極を運動野に挿入した患者さんが、自然に話している時、発生した言葉の要素に対応する神経細胞を記録した研究で、1月31日 Nature にオンライン掲載された。タイトルは「Single-neuronal elements of speech production in humans(人間の発話に関わる単一神経要素)」だ。

この研究では、細い一本の針に接触している異なる神経細胞の活動を拾うことが出来るクラスター電極を設置した患者さんで実験を行っている。実際には、自然に話してもらった時の、発生された文章を音素、シラブル、そして形態素(表現最小単位)に分解、これに対応する神経活動を拾っている。すなわち、考えた文章を音素、シラブル、形態素が集まる言葉として発話に至るまでの神経過程を解析した膨大な研究で、詳細は全て省いて、いくつかの重要な点を箇条書きにするが、発話を単一細胞レベルで調べられること自体が驚くべき話だ。

  1. この研究では、4000語の発話過程200あまりの神経を弁別して記録できているが、驚くのはこの小さな領域に、例えば全ての子音の発生と相関する神経が存在している点だ。言語のような複雑な研究では、広い範囲での記録が必要だと思うが、小さな領域にこれほどの多様性が備わっているのに驚く。
  2. 勿論発話に関わる神経の興奮は、実際の発話より前に起こるが、音素の指令に関わる神経は、音素の構造のプランにも関わっていることが時間差からわかる。そして、これらの要素から発話された内容を推定できる。
  3. 音素発話に対応する神経の一部は、話を聞いているときにも反応するが、これらは言葉のプランニングで反応する神経とは全く異なる。すなわち、発話とヒアリングは相互に補完してはいるが、全く別のプロセスであることがわかる。
  4. シラブルと音素の関係が異なっている単語の発話過程の解析から、シラブル、そして形態素に特異的な神経も存在し、発話のプランニング時に活動していることが明らかになった。
  5. これらの神経の活動ピークを並べると、形態素に対応する神経興奮の後(-400ms)、音素に対応する神経(-160ms)、そしてシラブルに対応する神経興奮(-70ms)と続いている。
  6. さらに、それぞれの要素に対応する神経は、空間的にもある程度まとめられており、早い反応を可能にしている。

以上が主な結果で、これから何を考えるか、それぞれの自由な世界が開かれていると思う。例えば言語に続いて文字が形成される過程をかぶせるのも面白いかも知れない。というのも、ほとんど母音を表記しないフェニキア以前の表音文字が、アルファベットで全ての音を表記できるようになる過程や、我々のようにシラブルを文字にするまでの過程を理解するにも、ひょっとしたらこのような研究が大きなヒントを与えてくれる気がする。

単一神経の記録は、AIのニューラルネットの各要素での反応を記録するのと同じで、おそらく大規模言語モデルでもそんな実験が行われると思うが、これと比べるのも面白い。次に何が出てくるか楽しみだ。

カテゴリ:論文ウォッチ

2月1日 またまた腸内感染と補体(1月26日 Cell オンライン掲載論文)

2024年2月1日
SNSシェア

補体は主に肝臓で作られ、抗体によって、時にはオルタナティブ経路で活性化され、バクテリアや細胞に穴を空けて傷害するというのが一般的な理解だが、最近では様々な細胞が補体成分を合成し、局所で働くことが知られるようになってきた。中でも面白いのは、補体が神経シナプスの剪定に関わり、この異常がアルツハイマー病や、統合失調症に関わるという話だ(https://aasj.jp/news/watch/5056)。また最近紹介したように、腸管感染防御に母乳由来の補体成分が関わるという話も(https://aasj.jp/news/watch/23772)、意外な場所で補体が作られ、抗体を介さず感染防御に活躍していることを示している。

母乳内の補体成分の役割について紹介したのが1月23日だが、1週間しないうちに同じ Cell からハーバード大学のグループが発表したのが大人の腸内で合成され働いている補体成分の研究で、1月26日にオンライン掲載されている。タイトルは「Gut complement induced by the microbiota combats pathogens and spares commensals(細菌叢により誘導される腸内の補体成分は病原菌と戦い常在菌を保全する)」だ。

補体の合成される細胞や場所を特定する試みが広く行われているようだが、この研究では便中の補体C3成分無菌マウスではほとんど存在しないこと、さらにSPFマウスの細菌叢移植で誘導されることに着目し、まず腸内のC3の由来を探索している。

C3遺伝子に蛍光マーカーをノックインしたマウスや Single cell RNA sequencing を用いた検討から、従来想定されてこなかったストローマ細胞が最も多くのC3を発現していることを明らかにしている。また組織内での遺伝子発現も調べ、大腸では粘膜下でリンパ球が集合している領域の間質細胞で特に強い発現が見られることを明らかにしている。

C3合成の誘導に関しては、マウス側のバクテリア感知システム(Toll like receptorなど)のノックアウトマウスを用いて、TLR4/Myd88経路が主に働いており、このシグナル系を刺激できる最近は、グラム陰性陽性を問わず、C3誘導能があること、なかでも Prevotella属に誘導能力が高いことを示している。

次に腸内でのC3の機能を調べ、母乳中のC3についての論文でも用いられたマウス腸炎を誘導するバクテリア Citrobactor rodentum 感染を抑える働きがあること、そして細菌傷害メカニズムは細胞壁にC3が結合することで、白血球に貪食され、除去されることを示している。

以上が結果で、母乳による感染防御では、全ての補体成分が細菌にとりついて穴を空けることで細菌を傷害していたのと比べると、大人の腸管では他の補体成分の合成がないため結局白血球の貪食能力に頼っているようだ。

以上が結果で、補体だけで感染防御の最前線を担っていることは間違いない。

カテゴリ:論文ウォッチ

1月31日 成長ホルモン治療が原因とみられるアルツハイマー病(1月29日 Nature Medicine オンライン掲載論文)

2024年1月31日
SNSシェア

通常アルツハイマー病(AD)は、遺伝的要因が強いグループと、特別な遺伝性が明確でない散発的グループに分けられるが、最近になって医療で使われた材料に紛れ込んでいたβアミロイドがプリオンのように伝搬して発生するケースが存在することが指摘されるようになってきた。

多くの報告があるのは、子供の頃の開頭手術時に、死体由来の硬膜が使われたケースで、この場合はCerebral Amyloid Angiopathy(CAA)と呼ばれる血管にアミロイドが沈着するタイプで、一般の AD とは全く症状が異なる。

ところが今日紹介する英国医学研究センターからの論文は、小児期にさまざまな理由で、ヒト下垂体から調整された成長ホルモンを投与された中に、CAAとは異なる脳内実質にアミロイドβ が沈着する AD が発生する可能性を示した研究で、1月29日 Nature Medicine にオンライン掲載された。タイトルは「Iatrogenic Alzheimer’s disease in recipients of cadaveric pituitary-derived growth hormone(死体由来の下垂体から調整した成長ホルモン投与に起因すると考えられる医原性のアルツハイマー病)」だ。

このグループは、以前成長ホルモン投与に起因すると思われるプリオン病で亡くなった患者さんが βアミロイド沈着を併発していることに気づいて、βアミロイドもプリオン型になると AD を起こすのではと研究を進め的ている。

今回は2017年から2022年に AD と診断された患者さんで、様々な理由で成長ホルモン治療を受けていた8例を特定し、報告している。

まず成長ホルモンだが、8例全てで様々な調整法で抽出されるなかでも、Wilhelmi or Hartree modified法を用いて大量に調整されたバッチを使っていることがわかった。

散発的ADと比較したとき、まず発症が38歳から56歳と若い。一方、成長ホルモン治療後の経過時間は33-44年と比較的狭い範囲で起こっており、成長ホルモン治療に起因する可能性を示唆している。

症状では、健忘に加えて行動異常、遂行障害、さらに言語障害が早くから現れる点で散発的ADとは異なる。

また剖検例でみると、新皮質に広くアミロイド斑が見られケース、あるいは脳全体に広くアミロイド斑が見られるケースが特定され、ADでの特徴的分布とは明らかに異なる。

以上が結果で、論文の多くの部分を成長ホルモン以外の原因は考えられないかについての議論に費やして、最終的に今回示されたケースは特別な方法で人間の下垂体から抽出された成長ホルモンが原因であると結論している。

我が国でも死体由来の成長ホルモンは使われた時期があるが、どの抽出法化までは把握していない。ただ、プリオン病の発症の報告がないと言うことで、問題にされていないが、これとは別に AD 発症の可能性があると、一度調べ直すのも重要かと思う。

カテゴリ:論文ウォッチ

1月30日 Twistの謎(1月22日 Cell オンライン掲載論文)

2024年1月30日
SNSシェア

今日は完全に専門的な話になることを断っておく。そもそもTwistの謎と言ったタイトルは一般の方には何のことかわからないと思う。一方で、発生学、特に神経堤細胞から様々な間葉系細胞の発生に関わる研究分野では、この分子を知らないと“もぐり”といわれても仕方がないほど重要な分子だ。かくいう私も常に興味をひかれていた。ただ現役時代でもその理解度は低く、SnailやSlugと同じで、上皮間葉転換に関わる、すなわち神経上皮から神経堤への分化過程のマスター因子ぐらいの理解でとどまっていた。

今日紹介するスタンフォード大学からの論文は、私のTwist分子に関する理解を改めてくれた研究で、上皮間葉転換と言った単純な話ではなく、多くの遺伝子の調節領域と転写因子の特異性を調節する因子として働いているメカニズムを明らかにしており、最近読んだ転写機構についての研究では最も感動した。1月22日 Cell にオンライン掲載され、タイトルは「DNA-guided transcription factor cooperativity shapes face and limb mesenchyme(DNAによりガイドされた転写因子の相互作用が顔と四肢の間質細胞を調節する)」だ。

この研究は、発生学者なら誰もが感じる単純な疑問からスタートしている。すなわち、発生に関わる重要な転写因子は bHLH分子 とホメオボックス分子で、それぞれ E-box(EB)及びホメオドメイン(HD)と呼ばれるゲノム上の配列に結合するが、このような配列は無数に存在するだけでなく、結合するそれぞれの転写因子も一つの細胞の中で複数発現している。とすると、特定の発生に必要な調節領域だけをどのように選べるのか不思議に思う。

これに対し、発生で働いている転写調節領域はいくつかのドメインが隣接して存在しており、これにより複数の転写因子が共同することで特異性が保証できるのではと考えられてきた。

この研究では、神経堤由来間質細胞で働いている転写調節領域の中で、HD と EB が隣接している Coordinator motif が存在し、特に顔の形成にかかる間質細胞での活性が、人間とチンパンジーで大きく違っていることを見いだしていた。そして、アセチル化ヒストン結合から見られるこの領域のエンハンサー活性が、神経堤から間葉系への発生で最も高まることを明らかにした。すなわち人間とチンパンジーの顔や頭の形の違いは、この領域の活性の変化に由来すると考え、この部位に結合する転写因子の特定から始めている。

すると神経堤から間質系細胞への分化過程で発現する転写因子の中でトップにランクされたのが Twist分子で、これに続いてホメオボックス分子や bHLH分子も分子が特定されてきた。

ここでひらめいたのが、Twistにより bHLH とホメオボックス分子の相互作用が調節される可能性で、Twistと一緒に Cordinator 領域に結合する分子を調べてみると、いくつかのホメオボックス分子と TCF のような bHLH分子が特定され、仮説が正しいことが証明された。

そこで、ES細胞から神経堤由来間質細胞を誘導して、その細胞の中で Twistを人工的に分解する実験を行い、これによる転写因子の結合変化と、 Cordinator 領域のクロマチン変化を調べると、Twist がなくなると1時間でホメオボックス分子の結合が消え、その結果クロマチンが閉じて、エンハンサー活性が低下することを明らかにしている。

そして、今度はホメオボックス分子を分解させる実験と、Twist と結合するホメオボックス、bHLH そしてDNAの構造解析から、Twist と bHLH のDNAへの結合がホメオボックス分子が参加することで安定化することで、Cordinator のエンハンサー活性が転写因子特異的に調節されていることを明らかにしている。実際にはTwistが調節しているCordinator部位は数千存在するため、様々な親和性でそれぞれの領域を調節することで、間質細胞の移動や分化を調節し、顔、四肢、そして脳の形まで調節していることになる。

最後にこの Cordinator と Twist+ホメオボックス分子の結合で顔や脳の形態が実際に決定されている可能性を、顔や脳の形と相関する Twist 及び Twist と結合するホメオボックス分子の遺伝子多型、さらにはこれらが結合するCordinator領域の多型を例に検証している。

以上が結果で、ゲノムレベルのモチーフ解析から、最後は多型を利用した発生への影響検証まで、まさに重厚な発生と転写の研究で、現代の転写研究のあり方を示す見本になると思った。

カテゴリ:論文ウォッチ

1月29日 大腸菌の中で線状DNAを独立に複製させる(1月26日号 Science 掲載論文)

2024年1月29日
SNSシェア

蛋白質の三次元構造の予測が簡単になったとは言え、特定の蛋白質の機能をデザインすることは簡単でない。代わりに、機能を変化させたい遺伝子に突然変異を導入し、その中から目的の機能が達成された突然変異分子を特定する方法がある。すなわち、ダーウィン進化を用いる方法だ。

ただ、増殖速度の高い大腸菌とはいえ、導入した遺伝子だけに高率に変異を入れることは難しいため、変異が蓄積した遺伝子を特定するのが難しくなる。代わりに、大腸菌の増殖システムから独立したファージなどを用いて変異を導入することが行われており、最も有名な例がファージディスプレイを用いて抗体遺伝子を進化させる方法だろう。ただ、ファージに導入できる遺伝子の大きさはどうしても限られる。

今日紹介する英国ケンブリッジのMRCからの論文は、ファージシステムを借りつつ、線状DNAが独立に大腸菌内で増殖するシステムを作り、このDNAだけに変異を蓄積させる方法を開発し、様々な遺伝子の進化を加速させることに成功した研究で、1月26日号 Science に掲載された。タイトルは「Establishing a synthetic orthogonal replication system enables accelerated evolution in E. coli(ホストから独立した合成複製システムは大腸菌内での進化を加速する)」だ。

大腸菌複製から独立した線状DNAの複製システムの代表はファージだが、感染のために多くの遺伝子をコードしており、外部の遺伝子を導入する余地が少ない。そこで、ファージの複製システムに必要な4種類の遺伝子を大腸菌ゲノムに導入し、必要なときに転写を誘導できるようにした上で、この酵素が働く複製開始点を両端に持った遺伝子を作成し、さらに線状DNAが分解されるのを防ぐためのファージ由来RNA分解酵素阻害分子も導入している。

勿論、段階的に必要な条件をクリアする実験を繰り返した結果だが、最終的にエレクトロポレーションで導入した 20kb 近い線状DNAが大腸菌内で安定的に維持される系を作り上げている。

勿論選択がないと、外来のDNAは複製とともに脱落するが、カナマイシン耐性遺伝子を持つ線状DNAでは、カナマイシンさえ培地に加えておけばほぼ無限に遺伝子を維持することが出来る。

重要なことはファージ由来の4つの遺伝子の突然変異発生確率は、大腸菌の持つ複製システムの1000倍近くあり、しかも開始点の特異性から大腸菌の複製には全く関わらない。その結果、大腸菌のゲノムはそのままで、線状DNAの変異を短時間で蓄積させることが出来る。

これを利用すると、カナマイシン耐性遺伝子に変異を蓄積させ、なんとこれまでの方法で進化させることに成功した耐性能力のなんと100倍の耐性を発揮する新しい変異を特定している。

そこで同じ方法を蛍光蛋白質GFPに適用して、従来の蛍光強度を何千倍にも増幅することが出来ることを示している。

以上、機能を大腸菌内でテストできる方法さえあれば、今存在する蛋白質の機能をさらに進化させられる新しい合成生物学ツールが完成出来た。期待したい。

カテゴリ:論文ウォッチ

1月28日 免疫不全とCovid-19(1月24日号 Science Translational Medicine 掲載論文)

2024年1月28日
SNSシェア

Covid-19パンデミックが始まった頃、この感染症のさまざまな病態が報告された。中でも興味をひいたのが、ほとんど無症状だが何ヶ月もウイルスを排出し続けた免疫抑制治療を受けている患者さんの症例で(https://aasj.jp/news/watch/14412)、この間に一人の個人からさまざまな変異ウイウイルスが分離されるという事実だった。その後、異次元とも言える変異を重ねたオミクロン株が南アフリカで分離されると、おそらく免疫不全のエイズ患者さんが多いことがこのような変異が発生する原因ではないかと考えられた。

今日紹介するハーバード大学からの論文は、免疫不全の患者さんがCovid-19に罹患した後の感染経過とともに、患者さんの免疫反応を系統的に調べた研究で、予想通りの結果とはいえ今後のパンデミックに備える点でも重要で、1月24日号 Science Translational Medicine に掲載された。タイトルは「SARS-CoV-2 viral clearance and evolution varies by type and severity of immunodeficiency(免疫不全の種類や重症度によりSARS-Cov2のウイルス除去や進化が変わる)」だ。

この研究では、マサチューセッ総合病院でCovid-19陽性と診断された患者さんの中で、免疫不全のグループを抜き出し、さらに免疫不全を、重症の血液系腫瘍や移植治療により誘導される不全(HT)、自己免疫病治療のためのB細胞抑制治療の患者(SA)、そしてそれ以外の比較的軽い免疫不全(NA)に分けて、ウイルス除去過程、Cov2に対する免疫反応などを徹底的に調べている。

まずはっきりしたのは、軽い免疫不全の場合、感染後のコースはほとんど正常と変わらない点だ。B細胞が抑制されるSAグループでは、ほとんどの人は正常と同じコースをとるが、1割ぐらいでウイルスが除去できないケースがでてくる。さらにT/B ともに抑制されるような治療を受けている場合は、半分以上の人でウイルス除去が大幅に遅れ、50日以上ウイルスの排出が続く。

そして予想通り、長期間ウイルスを排出する患者さんでは、ウイルスの点突然変異の数が明確に上昇する。すなわち、変異ウイルスの発生元になることが確認された。この結果ウイルス感染が持続する重症の免疫不全がある場合でモノクローナル抗体治療に対する耐性が生じやすい。すなわち治療抵抗性のウイルス発生元になる。

この臨床結果が、免疫不全による結果かどうかを確認するため、最後に重症の免疫不全、軽症の免疫不全、そして正常人について、感染後の抗体反応を調べると、予想通り重症免疫不全患者さんでは感染後も抗体反応が上がらない。

最後に、T/ Bが抑制されたHT、B細胞が抑制されたSA別々に、末梢血T細胞のスパイクタンパク質に対する反応を調べると、HTグループだけで、抗原により誘導されるインターフェロン分泌が抑制され、さらに抗原に対する増殖反応がほとんど消失していることを確認している。

結果は以上で、免疫抑制治療を受けているのだから当たり前の結果といえばそれだけだが、改めて確認できたことが重要だと思う。すなわち、パンデミックで免疫不全の患者さんを守ることは、患者さんを守るだけでなく、変異ウイルスの出現を抑えて社会を守ることにつながることがはっきりした。

実際、コロナ感染が今後も続いていくことを考えると、免疫不全の患者さんへの感染予防は今も重要な課題として残っていると言える。

カテゴリ:論文ウォッチ

1月27日 アリとライオン:エコロジーの視点が明らかにする意外な因果関係(1月26日号 Science 掲載論文)

2024年1月27日
SNSシェア

「風が吹けば桶屋が儲かる」は、意外な因果の連鎖を表現した言葉で、風が吹く、土ぼこりが舞い上がる、目に入ると視力障害が増える、三味線弾きで生計を立てざるを得なくなる、三味線の材料に猫の皮が使われる、猫が減る、ネズミが増える、ネズミは桶をかじる、桶屋が儲かるという因果関係だが、江戸時代でもこの因果性を証明するのは難しいと思う。しかし、生態系を形成する動物間の相互作用は複雑で、因果の鎖は無数に存在するため、生態学では納得のいく因果性を示す必要がある。

今日紹介するワイオミング大学からの論文はアフリカサバンナで「大アリが増えるとシマウマが喜ぶ」という因果性を明らかにした研究で、1月26日号のScienceに掲載された。タイトルは「Disruption of an ant-plant mutualism shapes interactions between lions and their primary prey(アリと植物の相互関係が壊れるとライオンと主な獲物の関係が変わる)」だ。

写真はアフリカ旅行の際に撮影できたワンショットで、雌ライオンがバッファローに襲いかかっている。今日の論文を紹介する気になったのも、この写真をついでに紹介したいと思った下心もあった。

さて本題に戻ろう。東アフリカのサバンナに見られるほとんどの木はアカキア・トレパノロビウムと呼ばれるアカシアの一種で、サバンナ独特の風景を形成している(写真は私たちの研究室に在籍し現在スイスETHの教授、Tim Schroederからプレゼントされた:彼は研究者にするのが惜しいぐらいの写真家だ)。

全く知らなかったが、この木はアカシアアリと共生し、象が嫌うように仕向けて木を守っているらしい。ところが、アカシアアリはオオアリと競合関係にあり、オオアリが侵入してくると、駆逐される(実際これが東アジアのサバンナで進行している)。この結果、アカキアは象が食べ尽くしてしまい、サバンナからほとんど消滅する。オオアリの侵入によりほとんど木のないサバンナの写真が論文でも示されているが、オオアリの侵入の影響がよくわかる。その結果、サバンナの見通しがほぼ3倍に上昇する。

この研究ではオオアリ侵入地域と侵入していない地域でGPSを装着したライオンを追いかけ、犠牲になるシマウマの数をカウントしている。というのもアカシアが減って見通しがきくとライオンの襲撃を警戒しやすくなる。

見通しと犠牲になるシマウマの数は、完全に反比例し、このことが証明される。その上で、オオアリ侵入地域と非侵入地域でシマウマがライオンの獲物になる確率を計算すると、なんと1/3に減少している。

以上の結果から、オオアリが侵入するとシマウマが喜ぶという因果関係は証明されたが、ではライオンは絶滅の危機にあるのか。幸い、バッファローは見通しとは関係ないようで、シマウマの代わりにライオンのエサになっている。

オオアリの侵入した東アフリカ地域では2000年から急速に灌木が消滅している。これに呼応して、確かにライオンの獲物がシマウマからバッファローに変化していることも示している。

私は2018年にケニアを旅行したが、まさにこの因果の結果を写真で捉えたことになる。

カテゴリ:論文ウォッチ

1月26日 画期的細胞系譜研究システムの確立(1月24日 Nature オンライン掲載論文)

2024年1月26日
SNSシェア

血液発生の研究では、幹細胞から分化細胞までの細胞系譜とその間の細胞動態は極めて重要なテーマで、このために様々な細胞系譜追跡法が開発されてきた。特に最近ではバーコードを細胞に導入したり、あるいは細胞内に導入した標識遺伝子に変異を蓄積させて分化を調べるイベント記録法などが開発されている。

しかし、遺伝子導入が必要な方法はヒトでは使えない。そこに single cell テクノロジーが登場し、単一細胞レベルでゲノムに積み重なった変異をマーカーとして利用する方法が開発された。ただ単一細胞からのDNAに存在する変異を安定的に検出することは簡単でない。

今日紹介するハーバード大学からの論文は、一つの細胞に数百から1000個近く存在するミトコンドリアゲノムに注目し、この変異のパターンを用いて細胞系譜を追跡する方法を開発した研究で、これが普及するとヒトの発生や、幹細胞システムの系譜や動態、そして老化の理解が大きく進むと期待できる画期的研究で、1月24日 Nature にオンライン掲載された。タイトルは「Deciphering cell states and genealogies of human hematopoiesis(ヒト造血系の細胞の状態と系譜)」だ。

ミトコンドリアは細胞内で独立して分裂し、除去されることから、その過程で変異が起こっても、それを細胞系譜と対応させるのは難しいと考えれて来た。しかし、全の変異は統計学的過程だと考えると、数百個あるミトコンドリアに重なった変異を把握できれば、変異の統計学的分布を細胞系譜の標識として使えることは間違いない。

とは言っても技術的には大変で、一個の細胞にバーコードをつけた後、ミトコンドリア、ゲノム、RNAライブラリーを個別に作成し、それぞれを、ミトコンドリア変異、クロマチンの状態解析、そして遺伝子発現解析に使うのだから、細胞処理から配列けってまでの実験だけでなく、情報処理技術の開発も必要で、多くの困難を乗り越えて結実した研究だ。

方法を検証するために骨髄中のCD34陽性細胞を7000個ほど調べると、全体で4831個の異なる変異を特定できており、十分細胞系譜カバーできることが明らかになった。

時間とともに蓄積してきた変異を調べ直して細胞系譜を正確に追跡できるとなると、人間の発生、成長、老化、そして疾患解析と、その活用は無限に拡がる。そんな未来を示すために、この研究では人間の造血に関する従来の疑問を見事に解き明かしている。

いろいろ実験が行われているが、ここでは私たちの骨髄ではどのぐらいの数の幹細胞が働き、また幹細胞間の多様性はあるのかについての結果を照会する。

1)2人の若者の骨髄から幹細胞を純化し、それぞれ5000個程度の細胞でミトコンドリアの変異を調べると、若者では多くの幹細胞クローンが働いて、分化した細胞を作り続けていることを明らかにしている。

2)このように造血は維持には多くのクローンが働いているが、各細胞の転写因子発現を調べると幹細胞間の多様性を認めることが出来る。そのうえでそれぞれの幹細胞から分化細胞への系譜を追いかけると、分化する方向にバイアスが見られる幹細胞と、平等にほとんどの細胞を分化させる幹細胞に分かれることが示されている。おそらく、クロマチン構造の細胞ごとの小さな変化が、分化のバイアスを決めている可能性が高い。

3)骨髄で働く幹細胞クローンの減少、さらにはY染色体喪失が老化による造血変化として着目されているが、最後に76歳、78歳の高齢者の骨髄を調べている。高齢者の骨髄でも数多くのクローンが働いていることは確かだが、その中にクローンサイズが大きく拡大した数個の優性クローンが目立つことが明らかになった。これらの遺伝子発現を調べると、骨髄造血での適応性が高いクローンが急速に拡大していることがわかる。一方、Y染色体欠損を調べると、優勢になったクローンで欠失の確率が高い。ただ、それ以外のクローンでも見られることから、Y染色体は骨髄肝細胞増殖にはネガティブに働き、これを失ったクローンがより増殖して優勢なクローンになることがわかる。このように、これまでの方法では見つからなかった老化による優性クローンの出現をほとんどの高齢者で追跡できることがわかった。

かなり省略して面白い結果だけ紹介したが、標識遺伝子を導入せずにこれだけ精密な細胞のクローン解析、系譜解析が可能になったことが重要で、今後様々な組織へと研究は進むと思うし、特に発ガン領域での利用が期待できる画期的方法だと思う。

カテゴリ:論文ウォッチ

1月25日 細胞表面の糖修飾RNAは接着因子として働く(1月22日 Cell オンライン掲載論文)

2024年1月25日
SNSシェア

細胞膜上で機能している蛋白質や脂質、さらに糖鎖修飾を受けた様々な分子の機能を学ぶことは、医学や生物学を学ぶ学生の必須科目といえるが、さすがにRNAのような核酸が細胞膜分子の一つとして働いているとは考えたこともなかった。しかし、表面上の糖鎖を精製すると、その中にRNAと結合している糖鎖が存在すること、また実際糖鎖修飾を受けたRNAが細胞膜上に発現していることを示す論文が2-3年前から報告されるようになった。

今日紹介するイェール大学からの論文は、ほぼ確実となった細胞表面上の糖鎖修飾RNAの機能とその形成過程を調べた研究で、1月22日 Cell にオンライン掲載された。タイトルは「Cell surface RNAs control neutrophil recruitment(細胞膜上のRNAは白血球の遊走をコントロールする)」だ。

既に報告があるとは言え、この研究では細胞膜上のRNAを検出する独自の方法を開発し、生きた細胞上でその存在を確かめている。その結果、細胞膜上でも、蛋白質に守られて簡単にRNA分解酵素の作用を受けずに膜上に存在し続けられることを明らかにしている。

次にその機能の探索に移るが、糖鎖修飾を受けていることから白血球では細胞の遊走に関わるのではと仮説を立て、新たに開発した細胞膜上のRNAを分解する方法を用いてRNA分子を除去した細胞をマウスに注射、炎症部位への浸潤を調べている。結果は期待通りで、炎症部位への白血球遊走が強く抑えられる。しかし、骨髄や脾臓への移動は傷害されない。

炎症部位への白血球の遊走は血管内皮との相互作用で決まる。そこで、血管内皮を培養した膜上の白血球が内皮のアピカル側からべーサル側への移動を見る実験系を用いて調べると、RNA分解酵素処理により移動が抑えられること、そしてこの移動は血管内皮のP-selectin分子との接着作用を介していることを明らかにしている。

元々P-selectin分子は糖修飾を受けた脂質や蛋白質と結合することが知られていたが、白血球では膜RNA上の糖鎖が重要な働きをしていることが明らかになった。

このような機能的糖鎖修飾RNAの存在は確認されたが、次にRNAが細胞表面上に発現するメカニズムを検討し、細胞内のRNA輸送分子SDITが欠損した細胞では細胞膜へのRNAの発現がなくなることを示し、膜発現のための明確な機構が存在することを示している。

最後に、膜発現しているRNAを調べ、遺伝子をコードしていないノンコーディングRNAが糖修飾を受けて細胞表面に発現することを明らかにしている。

以上が結果で、面白いことがあるという以上に、元々様々な修飾を受けるRNAの機能多様性を思い知らされる論文だった。特に、特定の配列のRNAではなく、一定の条件を持つRNAであれば使い回せるという事実は、生命誕生前にRNAワールドがあったことを実感させてくれる。

カテゴリ:論文ウォッチ