10月7日 一卵性双生児発生のエピジェネティックス(9月28日号 Nature Communications 掲載論文)
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10月7日 一卵性双生児発生のエピジェネティックス(9月28日号 Nature Communications 掲載論文)

2021年10月7日

一卵性双生児は、卵割した娘細胞が、それぞれ独立して発生を始めることから起こるが、これまでこの過程は全くランダムに起こる一種の事故のようなものと考えていた。ただ、専門家にとってはそれほど話は簡単でないようだ。というのも、独立した発生の開始は12%の妊娠で起こっているらしく、ほとんどは片方が発生を止めて消滅して終わる。ところが一部の妊娠では、最後まで発生が進むことから、この差を決める何らかの要因があると考えられる。

今日紹介するオランダ・アムステルダム自由大学からの論文は、一卵性双生児が発生する時期が、ちょうどDNAメチル化などエピジェネティックな再プログラムが進行する時期なので、一卵性双生児が発生するエピジェネティックな条件があるのではと着想し、一卵性双生児特異的なDNAメチル化パターンを探索した研究で9月28日号Nature Communicationsに掲載された。タイトルは「Identical twins carry a persistent epigenetic signature of early genome programming(一卵性双生児は持続する初期のゲノムプログラムのエピジェネティックな特徴を持っている)」だ。

この研究では双生児のエピゲノムを経時的に調べているコホート研究データに蓄積されたDNAメチル化部位(45万カ所)についてのデータを、一卵性双生児(MZ)と、二卵性双生児(DZ)で比較し、MZ特異的に変化が見られるメチル化部位を最終的に834カ所特定している。このうち、497カ所ではメチル化レベルが低下しており、一方残りの337カ所ではメチル化レベルが上昇している。

こうしてリストされたMZ特異的領域は、どのコホートでも同じようにリストされ、またこの中で発生したメチル化レベルの変化は、成長後安定して維持される。また、双生児同士を比べると、ほぼ同じメチル化サイトの変化を共有している。また、口腔粘膜細胞を用いて調べても同じ結果になる。

では、ゲノムのどどの部位でメチル化が変化しているのか?まず、メチル化が低下する部位はテロメアに近く、メチル化が上昇する部位はセントロメアに近い。すなわち、元々染色体が閉じられている領域に集中している。そして、多くは転写因子のプロモーター部位のCpGアイランドに集中しており、しかも発生初期に細胞の分化や増殖、あるいはカドヘリンのような接着を調節している遺伝子調節領域であることも示している。

最後に、実際の一卵性双生児ではないが、DNAメチル化によるインプリンティング異常により起こる発生異常、Beckwith―Wiedermann症候群の子供についてDNAメチル化部位を調べると、MZと同じメチル化パターンが見られることを示している。すなわち、Beckwith―Wiedermann症候群インプリント異常は、もともと発生初期のメチル化パターンのMZ型変化に起因しており、おそらくほとんどのケースでMZとして発生を始めるが、発生途中で片方が発生できなくなったと考えられる。

以上、ランダムな過程と思い込んで、考えもしなかった問題を、プロとしてエピジェネティックな原因を探索したことが素晴らしいと思う。とはいえ、ここで示された過程が本当にMZの原因になるかどうかは、全く解析されていない。要するに現象論だ。これを証明するためには、大変な努力が必要だが、MZ発生過程を調べるためだけにこの苦労を背負う研究者が本当に出てくるのか、難しいところだ。しかし、初期発生過程のエピジェネティック操作は、重要な分野として育つと思うので、その辺から、今回示された可能性の証明が出てくるように思う。

カテゴリ:論文ウォッチ

10月6日 ハンチントン病をビタミンでなおす (9月29日号 Science Translational Medicine 掲載論文)

2021年10月6日

ハンチントン病のメカニズムについては理解が進んでおり、ハンチンティン遺伝子内のCAG繰り返し配列が増大して、生産されるタンパク質のポリグルタミンがタンパク質を凝集させ、結果細胞内に蓄積したタンパク凝集塊が、細胞ストレスを誘導し、神経変性に至ると考えられている。

このように、原因遺伝子がわかっているため、究極の目標としてCAGリピート数を正常化した遺伝子に戻す遺伝子治療、また当面これに変わるものとしてハンチンティン遺伝子の発現量を低下させる遺伝子治療の治験が進行している。

CAGリピート病で重要なことは、原因遺伝子が何であれ、実際に細胞死を誘導するのが、タンパク質の凝集を引き金とする細胞ストレス反応で、この過程を制御できれば病気の進行を遅らせることができる。

今日紹介するスペイン・マドリッド、オチョア分子生物学センターからの論文は、RNAのポリA添加部位に結合し翻訳レベルを変化させるCPEBの異常がハンチントン病(HD)ストレス反応の重要な要因であることを突き止め、この翻訳異常に起因するビタミン不足を補うことで、HDの進行を遅らせる可能性を示した研究で、9月29日号のScience Translational Medicineに掲載された。タイトルは「CPEB alteration and aberrant transcriptome-polyadenylation lead to a treatable SLC19A3 deficiency in Huntington’s disease(CPEBの変化による異常なmRNAポリアデニル化によりハンチントン病で発生するSLC19A3欠損症は治療可能)」だ。

ショウジョウバエを用いたモデルで、CAGリピート病ではCPEBの異常が起こることがわかっており、この研究ではまずHDの患者さんの線条体組織でのCPEBの発現を調べ、CPEB1が異常に上昇するのに対してCPEB4の発現が低下していることを発見している。

同じパターンがマウスのHDモデルで見られることを確認した上で、このCPEB1異常によりポリAの変化が見られるmRNAを調べると、ほとんどのmRNAでは変化がないものの、おおよそ9%のmRNAでポリAが短く、残りの9%で長くなっていることを発見している。

そして驚くことに、ポリAの長さの変化が見られるmRNAの多くが、HDだけでなく、アルツハイマー病やパーキンソン病で発現に変化が見られる遺伝子であることがわかった。すなわち、HDで見られるCPEBの変化により、神経変性疾患に関わる遺伝子のmRNAのポリAが選択的に変化させられることが明らかになった。またこれら遺伝子の多くでは、ポリAの長さが低下し、その結果翻訳が低下することを確認している。

今後ポリAに変化が起こった遺伝子リストについて、HDの病態を調べる必要があると思うが、この研究ではSlc19a3と名付けられたビタミンB1の細胞内へのトランスポーターに着目した。というのも、この分子の変異により脳基底核の変性が起こることが知られており、またこれをビタミンB1とビタミンB7の大量投与で抑えられることが知られているからだ。すなわち、HDでもSlc9a3変異と同じことが起こっている可能性がある。

実際、これらビタミンの代謝物の変化はHD患者さんやマウスモデルでも見られることから、マウスモデルを用いて生後3週目から飲み水を通してB1、B7の大量投与を行うと、線条体の萎縮を防ぎ、運動異常の出現をかなり抑えることができることを明らかにしている。

同じ改善は、HDマウス線条体にCPEB4を過剰発現させることでも見られることから、CPEB1とCPEB4のバランスを調整することで、ポリAの長さが正常に保たせられる可能性も示している。

以上、早期診断、早期治療開始が重要だが、HDをビタミン療法で治療できる可能性は画期的だ。さらに、他のCAGリピート病でも同じ可能性もあることから、変性疾患治療に大きな福音となることを期待したい。

カテゴリ:論文ウォッチ

10月5日 今年のノーベル賞から、炎症性の痛み(例えばワクチン副反応)になぜ女性は敏感なのかを考える(9月1日号 Neuron 掲載論文)

2021年10月5日

今年のノーベル医学生理学賞は、TRPVやPiezo分子ファミリーの発見と痛み受容のメカニズムを解明したJuliusとPatapoutianに授与された(この研究の広がりについてはYoutubeで解説予定)。

今年のラスカー賞が人工RNAワクチンによるCovid-19の予防を理由に、KaricoとWeissmanに授与されたことから、ノーベル賞もという予想が多かったが、他のモダリティーのワクチンもほぼ同時に開発され一定の効果を発揮していること、またより長期の効果についての評価が必要なことから考えると、今年医学生理学賞には選ばないというのはノーベル賞ならの矜持であるように思える。しかし、mRNA技術の歴史とCovid-19への貢献を考えると、ノーベル化学賞は十分あり得るのではないだろうか。

そこで今年のノーベル賞と、Covid-19を掛け合わせたような論文を紹介できないだろうかと探してみたところ、ちょっと古いが9月1日号のNeuronに、女性はなぜ炎症性の痛みを感じやすいのかについて研究したデューク大学からの論文を発見した。タイトルは「IL-23/IL-17A/TRPV1 axis produces mechanical pain via macrophage-sensory neuron crosstalk in female mice(IL-23/IL-17A/TRPV1経路がマクロファージと感覚神経を介して雌マウス特異的な痛みを発生させる)」だ。

今回、mRNAワクチンの副反応は、特に女性に強かったことがわかっている。これは、ワクチンによる自然免疫の刺激による炎症が原因と考えられるが、なぜ若い女性に副反応が強いのかを明確に説明することは難しい。

この研究では、炎症性サイトカインIL23をマウス足蹠に注射したとき、メスだけが痛み回避反応を示すという現象に着目し研究を始めている。

オスメスの差なので、当然女性ホルモンエストロジェンの作用が想定される。実際、卵巣除去したり、エストロジェンを抑えると、この痛みは消失する。一方、オスにエストロジェンを投与すると、オスも反応するようになる。さらに、男性ホルモン、テストステロンがメスの痛みを軽減することも確認している。

今回のノーベル賞でもわかるように、炎症であっても痛みはTRPV1やTRPVA1を発現する神経細胞を介して誘導される。また、カプサイシン刺激を指標にTRPV1がクローニングされたことからわかるように、TRPVは化学的刺激でもチャンネルが開くことがわかっている。この研究ではIL-23により誘導される痛みがTRPV1を介していることを確かめた後、IL-23とTRPV1刺激をつなぐメカニズムを探索し、最終的にIL-23がマクロファージを刺激しIL-17を分泌させ、このIL-17が直接TRPV1の刺激として働くことを突き止めている。

詳細を省いて、この論文が示したシナリオをまとめると次のようになる。

元々メスのマクロファージは、刺激によるIL-23の分泌が多い。すなわち、メスはIL-23経路の炎症に高い感受性を持つ。そしてIL-23は周りのマクロファージを刺激してもう一つの炎症性サイトカインIL-17を分泌させ、このIL-17が直接神経細胞のTRPV1に作用し、興奮を誘導する。ただ、IL-17によるTRPV1神経興奮は、メスの神経細胞で閾値が低く、これはサルでも人間でも同じだ。

事実、エストロジェン受容体を欠損した神経細胞では、IL-17による痛み刺激だけでなく、TRPV1を刺激する化学物質カプサイシンにより誘導される痛みも低下している。 以上のことから、メカニズムはわからないが、エストロジェン受容体で神経細胞内に誘導される何らかの分子により、IL-17やその他の化学物質に対するTRPV1刺激反応の閾値が低下し、痛みがメスでより強く感じられることになる。

是非Youtubeで解説したいが、TRPVはメカノセンサーとしての役割だけでなく、特に炎症での様々な役割が注目されている。この研究もこの線上にあるが、IL-23/IL-17/TRPV1経路に見られたメス特異的感受性の上昇は、Covid-19ワクチンで多くの女性が経験した副反応の一部を説明できるかもしれない。

もし今回ノーベル賞を受賞した研究の広がりを感じてもらえれば幸いだ。

カテゴリ:論文ウォッチ

10月4日 青と緑が区別される条件(9月27日 Scientific Reports オンライン掲載論文)

2021年10月4日

最近交差点の信号の色が、緑から青に変わってしまったように思う。おそらくLEDで発生しやすい波長を使うようになった結果だと思うが、日常会話では「青信号」と言っても「緑信号」とは言わないので、言葉と現実が一致してきたと言えるのかもしれない。

実際、緑と青の区別は難しい。夏木々の緑が深まったとき、私たちは「緑緑した」という代わりに「青々した」と表現する。野菜だって「緑もの」とは言わず、「青もの」と表現している。この不思議をじかで感じるのが白内障だ。ちょうど一年前、両眼の白内障の手術を受け、人工レンズに入れ替えたが、手術以前の世界が全て黄色の色素で染められていたことに気づいた。すなわち白が黄色がかって、そして青が緑がかって見えていた。結局、緑と青の区別は絶対的ではない。

今日紹介するフランス・リヨン大学からの論文は、青と緑の実際の色の区別と、それを表現する言葉について、相関を調べた論文で、研究としては小ネタといえるかもしれないが、楽しく納得できる研究で、9月27日Scientific Reportsに掲載されている。タイトルは「Environment and culture shape both the colour lexicon and the genetics of colour perception(環境と文化が色についての語彙と、色認識の遺伝に関わる)」だ。

以前から、語彙上で青と緑の区別が存在しない言語があることが知られていたようだ。特に、赤道直下や北極圏によく見られることから、おそらく紫外線への暴露と関係があるのではと考えられてきたようだ。すなわち、一種の白内障状態が起こって、黄色の色素が青の認識を邪魔しているというわけだ。ただ、言語自体、その土地で純粋に生まれたかどうかは、歴史をたどって調べる必要があり、また民族間の交流でも変化する。もう一つ重要なのは、青と緑を区別する必要がある環境かどうかも問題だ。

この研究では、32種類の言語系統に属する142の集団で、UVだけでなく様々な要因を調べ、青と緑が区別されない言語の条件を調べている。

様々な条件と区別の有り無しとの相関係数を計算した結果、緯度(=紫外線照射)とともに、青の表現が当てはまる湖からの距離、に加えて、言語を利用する集団の大きさ、そして気候(特に湿度)が、語彙上での青と緑の区別に関わることを明らかにしている。そして、これらの相関を集めることで、ほぼ正確にその言語に青と緑の区別があるかを予想できることも示している。

この研究ではさらに進んで、紫外線のような環境が、色覚の多様性を抑えることで、遺伝的な色覚異常と相関するかまで調べ、青と緑を区別しない民族では、色覚異常が少ない点にまで言及しているが、個人的には行き過ぎで、このままだといい論文にはならないように思う。

とはいえ、青と緑について、自分の経験も含めて考えることができた。

カテゴリ:論文ウォッチ

10月3日 慢性骨髄性白血病のスーパーエンハンサー治療(9月22日号 Science Translational Medicine 掲載論文)

2021年10月3日

私の現役時代は、慢性骨髄性白血病(CML)に対しては骨髄移植以外の有効な治療法はなかった。しかし、白血病細胞のドライバーとして機能している転座による融合遺伝子Bcr-Ablの機能を抑制するimatinib(グリベック)が開発されてからは、病気の進行をほぼコントロールできるようになり、ガン標的薬の成功例として期待を抱かせるきっかけになった。もちろん、治療中にBcr-Abl分子の突然変異でimatinibの効果が落ちても、新しい世代のキナーゼ阻害剤が開発され、病気のコントロールは可能になっている。この結果、imatinib開発後もしばらくは、積極的に推奨された骨髄移植治療は、急性転化が起こるまで待つのが普通になっている。

とはいえ、グリベックでは白血病細胞が完全に消えるわけではない。ガンの幹細胞が残存し、薬剤をやめるとまた再発する。従って、Bcr-Ablを持つ全てのガン細胞を根こそぎ除去する方法の開発が現在も続いている。

今日紹介する中国済南大学からの論文は、ガンのスーパーエンハンサーに注目しCMLの根治を目指した研究で、結果は期待ほどではなかったが、着眼点は面白いと思った。タイトルは「Super-enhancer landscape reveals leukemia stem cell reliance on X-box binding protein 1 as a therapeutic vulnerability(スーパーエンハンサーの解析は白血病幹細胞の治療標的としてXBP1を明らかにした)」で、9月22日号のScience Translational Medicineに掲載された。

多くの転写因子が一つの遺伝子のプロモーターに集められるスーパーエンハンサー(SE)は、Richard Youngにより紹介されてから、多くのガンで重要な働きがあることが知られるようになり、またこれに関わるERG, CDK7、そしてBRD2/3などに対する阻害剤をガンの治療に利用する可能性が追求されている。

CMLはほぼ治療が可能なためだろうか、不思議なことにSEの解析が行われていなかったようだ。この研究では常法に基づいてCML細胞、あるいはそのCD34分画細胞をH3K27acヒストンコードに対する抗体で沈降し、高いシグナルが得られるSEを特定している。詳細は省くが、4例ともETV6やRunxなど、なかなか面白い顔ぶれで、再度CMLでこれらの分子の機能を調べるのは面白そうだ。

ただ、この研究では個々の遺伝子支配にこだわらず、まずSEを壊す影響について調べている。しかしこの実験も、通常よく使われるBRDを標的にしたBET阻害剤ではなく、CDK7阻害剤THZ1を用いている。詳細を省くが、結果はTHZ1を低い濃度で投与すると、グリベックと共同して白血病細胞の増殖がさらに低下し、またTHZ1処理、あるいはCDK7  ノックダウン細胞では、ガンの幹細胞機能が低下する。そして、期待通り多くの遺伝子の転写が抑制されるが、その多くはSE支配下にあると特定された遺伝子だった。

SEについての解析はここまでで、後はSE支配として見つかっていたXBP1遺伝子に着目し、この経路のCMLでの機能を調べている。ただ、XBP1は小胞体ストレスに対する中心分子で、小胞体膜上のIRE1によりmRNAがスプライスされることで、機能タンパク質が合成され多くのシャペロンを合成し、細胞をストレスから守る。従って、ガンでこの経路が発達していることは十分考えられ、XBP1やIREのノックダウンがCMLの増殖を抑え、またXBP1を過剰発現させるとTHZの効果がなくなるという結果をみても驚きはない。ただ、XBP1もガンではSEの支配下にあるのかと、納得はした。

おそらくXBP1ではなく、他のSE支配転写因子に白血病幹細胞を決める分子が潜んでいると思うが、それをSE解析で探ろうとした着眼点は面白いと思う。久しぶりにCMLの論文を読んだ気がする。

カテゴリ:論文ウォッチ

10月2日 細胞分化研究は進化し続けている(9月30日号 Nature 掲載論文)

2021年10月2日

ゲノムに様々な転写因子が結合可能かどうかは染色体の構造で決まっていることが多く、染色体が閉じておれば、いくら結合サイトがあっても転写因子は結合できず、遺伝子は発現できない。染色体が開いているか閉じているかを調べる方法として、我々の時代はDNA分解酵素に抵抗性があるかどうかで調べる方法が用いられていたが、現在はトランスポゾンがオープンな染色体に飛び込むことを利用したATAC-seqと呼ばれる方法が利用されている。この手法については、2015年にこのHPで初めて紹介したが(https://aasj.jp/news/watch/3843)、一読したときから可能性の大きさを感じた。そのときの予感は的中し、今やsingle cellレベルでも染色体の状況を調べることができるようになっている。

今日紹介するニューヨーク大学からの論文は、介在神経の運命決定過程に焦点を絞って、single cell RNAseq(scRNAseq)とsingle cell ATAC-seq(scATAC)を組み合わせて、細胞分化過程でのクロマチン変化のダイナミズムを調べた研究で、細胞分化決定研究が大きく変化していることを覗わせる面白い研究で、9月30日号のNatureに掲載されている。タイトルは「Genetic and epigenetic coordination of cortical interneuron development(皮質の介在神経発生の遺伝的、エピジェネティック的協調)」だ。

これまで、scRNAseqやscATACを用いる論文は多く読んできたが、この研究のように両方の結果を統合して提示する努力はそれほど多くないと思うし、私にとってはこの論文が最初だと思う。もちろん全ての実験で、一つの細胞で両方のアッセイを組み合わせるのは難しいと思うが、一部の実験ではRNAseqとATACを同時に行っている。

さらに、神経発生では細胞が、分裂中か、分裂を終えたか、は重要な指標なので、これを区別できるマウスの脳を用いて解析を行っている。すなわち、最初から用意周到に研究が計画されている。

研究対象は、内側基底核隆起で分化増殖した後、皮質へと移動する2種類の介在神経(PVとSSTと呼んでおく)の分化決定過程で、マウス発生の様々な時期に脳から採取した細胞を、scRNAseqとscATACで解析し、後はその結果から、運命決定に関わる転写ネットワークがどう成立しているのかを解析している。

結果だが、

  1. 成熟介在神経の遺伝子発現パターンは、生後2日ぐらいから検出できるようになるが、その前は分化決定遺伝子もオーバーラップして発現し、様々なネットワークが混在している。
  2. 異なる方法でも、同じ分化の道筋を描くことができるが、分化決定に関わる遺伝子では、それを取り巻く染色体の構造が生後急速に固定される。その結果、染色体によるエピジェネティックな調節により、分化最終段階を安定化することができる。
  3. これまでPV介在神経の分化に必須とされてきたMef2cをノックアウトすると、実際にはPV細胞だけでなく、未分化段階やSST細胞の遺伝子発現パターンやクロマチン構造の変化を誘導していることがわかる。すなわち一つの転写因子の機能を知るためには、それ自体がどの分子を誘導するのかだけでなく、転写ネットワーク全体での関与を基盤に分化決定への寄与を算定する必要がある。
  4. Mef2cノックアウトのケースを例に、標的遺伝子からなる遺伝子ネットワークを理論的に構築することで、それぞれの遺伝子発現パターンから分化の道筋を予測できることも示している。

分化決定研究としては、常識的な結論なのだが、これを裏付ける実際のデータが、実際の遺伝子発現レベルと、それに関わる染色体構造の変化として得られている点が重要だと思う。この論文では、データの詳しい解析による発見とまでは至っていないが、このようなデータは重要な情報が満載で、是非分化決定に興味のある多くの人が利用して、大きな発見につながって欲しいと思う。

カテゴリ:論文ウォッチ

10月1日 エストロゲン受容体はRNA結合タンパク質として機能し、乳ガンの増殖に関わる(9月30日号 Cell 掲載論文)

2021年10月1日

生体分子は、自由自在に進化し、一つの分子の中にいくつもの機能を持ち得ることはよくわかっている。それでも、馴染みが深く、詳しく研究が進んでいると思っていた分子が、予想外の機能を持っていることが明らかになり、驚かされることはしばしばだ。

しかし、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を読んだ驚きは、これまでの比ではない。なんと、女性ホルモンとして知られるエストロゲンの受容体が、核内受容体としてエストロゲン依存性の遺伝子発現に関わるだけでなく、様々なmRNAに結合して、スプライシングや翻訳調節などの転写後の調節に関わることで、乳ガンの進行に関わっていることが示された。タイトルはズバリ「ERα is an RNA-binding protein sustaining tumor cell survival and drug resistance(エストロゲン受容体αはRNA結合タンパクとしてガンの生存と薬剤耐性の維持に関わっている)」だ。

私が気づいてないだけで、これまでもエストロゲン受容体α(ERα)が転写因子だけでなく、細胞質で働いているという報告はあったようだ。おそらくこの研究でも最初からこの可能性を追求したのだと思う。ERαを免疫沈降して、結合タンパク質を探すと、elongation factorやスプライシング因子の様な、RNA結合タンパク質と結合していることがわかった。

そこで今度はmRNAを沈降して結合タンパク質を調べると、ERαがRNAの3‘UTR領域の、特別なモチーフに結合していることを明らかにしている。また、ERαのドメイン解析から、RNA結合部位と、核内でDNAに結合するドメインが異なること、そしてRNA結合ドメインを欠損させると、核内での転写が正常でも、乳ガンの増殖が低下することを明らかにしている。すなわち、乳ガンではエストロゲン依存性の遺伝子を誘導すると同時に、RNA結合因子としてガンの増殖に関わっていることが明らかになった。

次に、ERαによるRNA調節とガンの増殖との関連を調べる目的で、ERα結合モチーフを持つ遺伝子を乳ガンで網羅的にノックアウトする実験を行い、なんと237遺伝子から転写されたRNAが何らかの形でERαにより調節されていることを突き止めた。

では、メカニズムがERαによる調節はどのようなメカニズムで行われているのか?これを知るため、ガン増殖との関係がはっきりしているXBP1、elF4G2、そしてMCL1を選んで、ERαの作用を調べると、XBP1では、オルタナティブスプライシングに、MCL1やelF4G2では、elongation factorとの結合を通して、翻訳促進に関わっている可能性を明らかにしている。また、その結果としてMCL1、XBP1、elF4G2のタンパク質の発現量が乳ガンで上昇していることも明らかにしている。

エストロゲンの機能阻害剤を用いて乳ガンの治療を続けると、耐性ガンがしばしば現れるが、最後に、この過程にERαのRNA結合活性が関わる可能性について調べている。詳細は省くが、タモキシフェン耐性を獲得した細胞でも、RNA結合能が欠損しているERαに遺伝子を変化させると、タモキシフェンが再び効くようになる。一方、RNA結合能が欠損したERαでは、様々な細胞ストレスによる閾値が低下し、細胞が死にやすくなることも明らかになった。すなわち、多くの分子がERαで誘導されると細胞のストレスが高まり、これを抑えるためにErαのRNA結合能が働いていることを意味する。そして、ガンはこの両面性を持ったERαの機能をうまく利用して、ERα阻害剤の作用をすり抜けていることを示している。

以上が結果で、今後乳ガンの治療を考えるときには、転写因子としての機能だけでなく、RNA結合能に対しても介入することで、より効果のある治療が可能になることを示している。

しかし、ERαに予想外のRNA結合能があるというだけでなく、ここまで詳細な機能解析が行われたことに、本当に驚いた。

カテゴリ:論文ウォッチ

9月30日 αシヌクレイン症で見られるマイクログリアの共同作戦(9月30日号 Cell 掲載論文)

2021年9月30日

一度はご覧になったことがあるのではと思うが、清水茜さんによる漫画で、体内で働いている細胞を擬人化して描いた「はたらく細胞」シリーズがある。ビデオにもなっていて、例えばウイルス免疫に関して言うと、自然免疫から獲得免疫、抗体とT細胞など、考証がしっかりとできており、漫画であってもこのようなシリーズが700万部を超えて売れる我が国の一般の人たちの知識欲を感じる。

ただ、生物学者としては、細胞の機能や目的を擬人化することで際立たせるという手法には常に問題を感じる。というのも、アリストテレスが生物の原理として目的因を導入して以来、目的という非科学的因果性をいかに科学的因果性に転換するかが生物学の課題だったからだ。その後、ダーウィンによるアルゴリズムの導入、シャノンをはじめとする20世紀の情報科学の進展の結果進んだ、生物情報の研究のおかげで、生物学は徐々に目的論から解放されつつある。

などとえらそうに言ったものの、生物現象はまだまだ目的を考えることでよりよく理解できることが多い。だからはたらく細胞がヒットするのだが、研究者でも同じことが言える。今日紹介するドイツ・ボン大学からの論文はまさに目的論の極致とも言える、ミクログリアが強調し合うことで炎症を抑えてシヌクレインを処理するという、よくできた話についての研究で9月30日号のCellに掲載された。タイトルは「Microglia jointly degrade fibrillar alpha-synuclein cargo by distribution through tunneling nanotubes(ミクログリアは繊維状αシヌクレインを細胞質のナノチューブを通して運んで、協力して分解している)」だ。

パーキンソン病やレビー小体認知症で蓄積が見られるαシヌクレインについては何度も紹介してきたが、これらの病気で神経細胞死がおこる引き金を引く過程だと考えられている。恐ろしいことに、このシヌクレインは細胞から細胞へとプリオンのように受け渡されると考えられており、例えば盲腸や迷走神経の手術するとパーキンソン病の発症が抑えられるという話も、シヌクレインが神経間を伝搬することを示唆している(https://aasj.jp/news/watch/9180)。

αシヌクレインの集まったレビー小体は神経細胞内で形成され、決してグリア内に見られることはないが、細胞外に排出されたシヌクレインの多くが、ミクログリアで分解されるからだ。この研究では、ミクログリア培養でシヌクレインの処理能力を調べると、確かに15分でシヌクレインが貪食されるが、その結果ミクログリアはストレスを抱えて、炎症性の活性化型へと転換し、さらに細胞死の引き金も引かれることが明らかになった。すなわち、シヌクレインはかなり強い刺激で、貪食にも自ずと限界があることがわかった。

もしこの状態が続いて、炎症が広がると大変なことになる。そこで、これを抑えるメカニズムがあるのではと着想し、培養を詳しく眺めてみると、シヌクレインの凝集塊が、小さいものは細長い細胞間のブリッジ、大きいものは太く短いブリッジを通って、貪食していないミクログリアに受け渡されることが明らかになった。これはシヌクレイン特異的な現象で、アミロイドやTauでは見られない。

この過程はシヌクレインを取り込んだストレスによる活性酸素の発生により誘導される、アクチンの再構成をともなう能動的プロセスで、ROCKを阻害することで抑えることができる。すなわち、自分で抱えきれなくなったシヌクレインを他のミクログリアに細胞ブリッジを通して受け渡すことで、自分のストレスを減らし、炎症誘導を減らし、シヌクレインを処理していることになる。

さらに驚くのは、同じブリッジを通って、今度は受け手の細胞からミトコンドリアが移行し、活性酸素の処理を助けて、シヌクレインを食べ過ぎた細胞のストレスを防いでいる。

最後に、マウスの脳内にシヌクレインを注射し、試験管内の過程が同じように見られること、さらにはレビー小体認知症の死後脳でシヌクレインを貪食したミクログリアが細胞間ブリッジのネットワークを作っていることを確認している。

以上、はたらく細胞のように、かなり目的論的に結果を説明したので、いつもよりはわかりやすかったと思う。ただ、生物学者としてはこの現象の進化的背景などを理解できないと、ちょっとできすぎと違う?と考えながら終わらざるを得ない。

カテゴリ:論文ウォッチ

9月29日 血清アミロイドはビタミンAを白血球へ受け渡す機能を通して腸管免疫を調節する(9月17日号 Science 掲載論文)

2021年9月29日

セグメント細胞と呼ばれる上皮への接着性が高いバクテリアが、腸管上皮の血清アミロイドを誘導し、腸のTh17細胞のエフェクター機能を活性化することは、慶応大学の本田さんや、米国のLittmanらにより明らかにされた、この分野では重要な発見だ。

SAAは小腸から吸収される脂溶性ビタミンの一つ、ビタミンA結合分子と知られており、おそらくSAAはビタミンAを介して、免疫系に作用するのではと考えられていたが、詳しいメカニズムは解析できていなかった。

今日紹介するテキサス大学からの論文は、SAAの受容体LRP1を特定し、これに結合したSAAにより受け渡されたビタミンAが、白血球内でレチノイン酸に変換され、このレチノイン酸がリンパ球の分化やホーミングを誘導することを明らかにした研究で、9月17日号のScienceに掲載された。タイトルは「Serum amyloid A delivers retinol to intestinal myeloid cells to promote adaptive immunity(血清アミロイドAはレチノールを白血球に届け獲得免疫を促進する)」だ。

SAAの免疫系への作用が解析できていなかった最大の理由は、SAA+ビタミンAに結合する受容体が特定されていなかったためだ。この研究では、まずクロスリンカーを用いてSAAと受容体を共有結合させ、受容体を精製する手法を用いて、LDl受容体ファミリー分子の一つLRP1がこの受容体であること、さらにSAAに結合したビタミンAはLRP1発現細胞に多く伝達されることを示している。

小腸内でLRP1の発現が最も高いのはCD11陽性白血球細胞だが、他のマクロファージやリンパ球も少し低いレベルではあるが発現が認められる。そして、LRP1にSAAが結合すると、ファゴゾームに取り込まれてCD11陽性細胞へ受け渡され、そこでレチノイン酸へと転換される。事実、CD11陽性細胞では、SAA-LRP1結合により、レチノールからレチノイン酸合成に関わる酵素系が誘導されることも明らかにしている。

後は細胞特異的、SAAノックアウト、あるいはLRP1ノックアウトマウスを用いて、この経路が遮断する実験を行い、これまで示されていたように、Th17細胞のエフェクター機能の増強、B細胞、CD4T細胞の小腸組織へのホーミングも高まることを示している。

そして最後に、サルモネラ感染実験系で、サルモネラ死菌の腸管投与による免疫がLrp1ノックアウトでは成立しにくいことを示し、これまでSAAの機能として知られていた現象が、ビタミンAの受け渡しを介して行われていることを明らかにした。

この論文では、CD11陽性細胞でレチノイン酸が合成され、これがリンパ球に働くと考えているようだが、低いとはいえ、リンパ球にもLRP1が発現していることを考えると、SAAが直接他の細胞に結合していることも十分考えられると思う。いずれにせよ、腸内免疫に関わる分子過程が着々と明らかになっていることを実感する。

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9月28日 効果の特定の難しい遺伝子変異を調べる:II 3’UTRの変異と形質 (9月30日号 Cell 掲載論文)

2021年9月28日

昨日はエクソン内のコーディング領域に発生した繰り返し配列数の多様性が、私たち人間の形質をどう変化させるのかを、英国バイオバンクのエクソームデータと、ゲノム/形質の関係を調べた大規模ゲノムデータを駆使して調べる研究を紹介した。この研究から、身長や毛の強さ、あるいは血中脂肪などのレベルが、リピート数と相関し、人間の多様性を生み出すのに寄与していることが理解できたと思う。

このように、変異により遺伝子発現のレベルが少しづつ変化して、形質の多様性を発生させる可能性がある領域の中には、3‘UTRと呼ばれるmRNAのコーディング領域下流に存在する領域があり、mRNAの安定性を決めたり、マイクロRNAの標的となることで、転写後のRNA量を調節するのに関わっている。ただ、この領域の変異は機能が特定しづらく、多型と形質との関係に関する研究は進んでいなかった。

今日紹介する論文もハーバード大学からの研究で、3‘UTRの変異の効果を調べるためのシステムを構築し、英国バイオバンクを始め、様々なデータベースを駆使して、このシステムの妥当性を示そうとした研究で9月30日号のCellに掲載される。タイトルは「Genome-wide functional screen of 3’ UTR variants uncovers causal variants for human disease and evolution (全ゲノムにわたる3‘UTR変異の人間の病気と進化への関与を機能スクリーニングする)」だ。

この研究のハイライトは様々なデータベースから3‘UTRの変異を集めて、網羅的に変異の影響をレファレンス配列と比較できる実験系を開発したことだ。実際には、人間進化の過程で変異した可能性の高い3‘UTR変異をリストしたデータベースや、GWAS研究から病気の関連が指摘されている3‘UTR変異リストのデータベースなどから、約1万2千種類の3‘UTR変異を集め、これらの変異をカバーする100bpの配列を全てバーコードとともに合成、対応するレファレンス配列とともに、それぞれGFPレポーターベクターに組み込み、細胞に導入、細胞内に発現しているmRNA(バーコードからカウントする)の量を、対応するレファレンス配列と比べ、それぞれの変異効果を算定できるようにしている。

こうして、約2500種類の変異がmRNA量に影響することを明らかにしている。1万以上の変異配列を合成するだけでも大変な研究で、おそらくこれまでならリストを形成していただいてご苦労さんといった感じで論文として発表されていたのだろうと思う。ただ、現在は英国バイオバンクをはじめとする、多数のデータベースが存在し、新しい実験系で得られた変異リストが信頼できるかを確かめることができる。この研究でも、様々なデータベースやアプリケーションを用いて、この検証を丹念に行っている。

  1. 染色体ごとのRNA発現を調べたデータベースと対応させ、今回リストした変異の多くが、このデータベースで発現量に影響することがわかっている3‘UTR変異と一致した。
  2. eQTRと呼ばれる多型と遺伝子発現を調べるデータベースと比べ、この論文でリストされた3‘UTR変異の効果と、絵QTRデータベースの結果が一致した。
  3. これまでの研究で知られている3‘UTRの機能に関わる様々な特徴(例えば安定性に関わるAUrich領域やCUrich領域、あるいはマイクロRNA結合領域など)と、今回特定された変異はオーバーラップする。
  4. 英国バイオバンクなどのGWAS研究や、各人種にのゲノムデータベースと照らし合わせて、今回リストされた変異によるRNAの発現量の違いが、統合失調症、高脂血症などをはじめとする疾患や、あるいはコーヒー嗜好や、髪の毛の色などの一般形質の変化の原因となることが確認される。
  5. また新型コロナウイルスを始め、ウイルス自然免疫に関わるTRIM14の3‘UTR変異は東アジア人で選択的に増加しており、発現レベルを変化させる変異が人種形成に関わることがわかる。
  6. またこのシステムを用いると、特定の遺伝子多型について、突然変異を人為的に導入してその効果を比べることができ、データベースの結果を、実験的に確かめられる。
  7. 網羅的な機能的検証が可能になることで、3‘UTRの配列から、機能的効果をある程度推定することが可能になった。

などが示されている。これまで、データベースから少数の変異に焦点を当て、個々に機能検証していた方法に対し、より網羅的な方法論が導入した研究と位置づけられるが、今回リストされた3千弱の変異は、これから多くの研究者により、様々な角度から利用されるのを待っていると言っていいだろう。

一般の方には理解しづらい論文が続いたが、2回に分けて、21世紀生命科学がデータベースの利用なしに存在し得ないことがわかってもらえたのではと思う。データを求めて世界のデータベースをサーフィンし、面白い研究を行う若手研究者が我が国にももっともっと現れることを期待している。

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