αシヌクレインはパーキンソン病(PD)発症の引き金を引く分子で、これが様々な要因で凝集すると、ドーパミン産生細胞の細胞死を誘導するが、そのメカニズムは多様で、ミトコンドリア異常誘導が最も大きな要因になっている他、小胞体ストレス、グリア細胞活性化、シナプス機能障害などを誘導する。しかしこんなまとめ方をしてしまうと、αシヌクレインが PD のために存在しているような錯覚に陥るが、当然正常の機能が存在している。

αシヌクレインの本来の機能も極めて多様だが、今日紹介するオレゴン健康科学大学が４月９日、Science Advance に発表した論文を読むまで、DNA修復に関わるとは思ってもみなかった。タイトルは「Alpha-synuclein regulates nucleolar DNA double-strand break repair in melanoma（αシヌクレインはメラノーマでのDNA二重鎖切断修復を調節する）」だ。

全く初耳だったが、PD患者さんではメラノーマリスクが高く、逆にメラノーマ患者さんではPDリスクが高いことが知られていたようだ。αシヌクレインノックアウトマウスでは二重鎖切断後の修復が低下していることが示唆されており、PDとメラノーマとの相関を修復から考えようと研究を進めている。

ただ残念なことに、研究では結局 αシヌクレインノックアウトを用いたDNA修復の研究で終わっており、PDについて直接検討しているわけではない。また多くの実験を行ってはいるが、最終的に αシヌクレインの正確な機能を特定できていない現象論で終わっている。

そう断った上で、詳細は省いて結論だけをまとめてみると次のようになる。

• メラノーマ細胞でDNA切断を誘導すると、γH2AXヒストンが切断部位に集まるが、このとき αシヌクレインの発現が上昇する。
• 誘導された αシヌクレインは核小体の周辺に濃縮され、ここに集まる γH2AXと結合する。
• 修復部位の γH2AXはATMによりリン酸化され、修復に必要な様々な分子を回りに呼び込んで修復が進み、最終的に γH2AXはDNAから離れる。
• この過程が αシヌクレインがノックアウトされると遅延する。その結果、ガンが分裂へと進むと、染色体の断裂が起き、染色体外DNAが形成され、染色体不安定性が生じる。
• αシヌクレインはこの修復過程に直接関わるだけでなく、修復に必要な遺伝子の発現誘導にも関わる。
• おそらくPDでは αシヌクレインの凝集により、ノックアウトと同じような状況が生じる。

結果は以上で、現象論的には新しい問題を示した点で面白いのだが、研究としてはフラストレーションが残る。すなわち、このシナリオだと αシヌクレインは核小体の rRNAをコードする遺伝子に働いていることになる。事実核小体のDNAのみ切断する実験も行っており、αシヌクレインが誘導されること、また核小体の回りに濃縮されることを示しており、かなり特殊な修復システムを形成していると言える。とすると、この点がおそらく最も面白いはずだ。

素人考えだが、以前紹介した熊本大学の矢吹、塩田さんの αシヌクレイン凝集に特殊なRNAが関わることを示した研究が思い浮かぶ（https://aasj.jp/news/watch/25430）。この凝集は αシヌクレインの相分離によって起こることが示されたが、核小体の周辺にαシヌクレインが集まるのも同じような相分離能力を利用している可能性がある。だとすると、核小体特異的にDNA修復を促進する特殊マトリックスとして働く αシヌクレインが、矢吹、塩田さんたちの見つけたRNA G4で相分離性質が変わり、修復機能が低下することが、PD患者さんでメラノーマが発生しやすい背景にあるのかもしれない。また、メラノーマも、ドーパミン産生細胞もメラニン号性能を持っている点も面白い。中途半端で残念な論文だが、面白い発展がありそうなので紹介した。

これまでこのブログで紹介してきた医学領域の大規模言語モデル (LLM) で、Googleの研究の占める位置は大きい。もちろん基盤モデルを提供することによる貢献もあるが、MedPaLMやGoogle Missenseのような臨床現場で使えるLLMを開発し、しかもトップジャーナルに発表し続けている点が特徴的だ。同じGoogleのAlphaFoldと同じように、医療現場のスタンダードを目指している意志を強く感じる。

そのGoogleのカリフォルニアの研究所から２編の論文がNatureにオンライン掲載された。

１日違いのサブミットで、どちらも新しく作成した鑑別診断モデルArticulate Medical Intelligence Explorer(AMIE)の性能を調べたものだ。論文とは言え、半分AMIEの宣伝パンフレットと言った感じで驚く。

まずAMIEだが、MedPalmにも用いられてきたPaLM2トランスフォーマーモデルに、様々な病気に関するQuestion&Answerを学習させている。そして想定される実際の診察室でのやりとりを専門家とともにプロット化して、ファインチューニングに用いている。驚くのは、テキスト以外にレントゲン写真などを全く学習に用いない、自然言語に特化したところから始めている点だ。すなわち、患者さんと初めて出会うプライマリーケアの状況をまず開拓して、それからマルチモーダルに高めて新しい用途を開拓すればいいと割り切っている。

このように研究の目的は患者さんが症状を訴えて診察に来る状況でAMIEがどれぐらい役立つかの検証になる。このために使った問題は、医師ならほとんどの人が読んだことのあるThe New England Journal of MedicineのCPC (clinicopathological conference) シリーズで、症状から初めて最終的に正しい診断に到達するまでの考え方を学べるよう企画されている素晴らしい記事だ。この記事をAMIEの検証に使うことを想定して、NEJMのCPCは学習から排除するよう配慮している。

最初の論文は、CPCシリーズから作成した患者さんの訴えを、Lineのようなテキストチャット形式の医師と患者の会話で、可能性のある病気を考え、最終的に正しい診断に到達するプロセスを実際の医師とAMIEに行わせて、それぞれのパーフォーマンスを評価している。

結果はAMIEの圧勝で、プロンプトに従って患者の立場に立って医師とチャットした専門の俳優による患者としてのわかりやすさ、安心感など全てAMIEがベテランの開業医さんを凌駕している。

また、診断に到達するまでの過程を、専門家に評価させてた時もAMIEがほとんどの項目で勝っている。この結果から、最初の患者さんとの接点では、医師よりLLMの方が適切な対応が可能になることを示している。

２番目の論文では、同じようにテキストから正しい診断に到達するまでの過程で、AMIEを医師のアシストとして使う可能性を検証している。こちらの方は、症状を聞いて、可能性のある病気を可能性の高い順にリストし、それを鑑別するための方法を明確に構想できるかを調べている。

先の論文にあるように、AMIEと医師を比べるとAMIEが圧倒的に成績がいい。そこで、今度は医師に通常の検索、あるいはAMIEとの相談を通して鑑別診断してもらうと、AMIEを使った方が、一般の検索を加えて診断するより成績がいい。ただ驚くのは、それでもAMIE単独には負けている。おそらく、自分の最初の印象のバイアスが影響するのだろう。

これ以上の結果は割愛するが、要するにAMIEをアシスタントとして使うことも可能だという結論だ。使った医師に聞くと、検索するよりよほど親切でわかりやすいとコメントしており、実用化がすぐであることを感じさせる。また英語を用いているが、カナダとインドという状況設定までして、その実力の高さを誇示している。

以上が結果で、医師と患者の接点で使えるLLMモデルが完成に近づいている実感があるし、また研究の仕方から、この分野へのGoogleの本気度が感じられる。そしてこのままマルチモーダルな、万能LLMへと進化するのだろう。

余談になるが、最近NHKの「総合診療医　ドクター」が新しく始まったようだ。ここには様々な病院から若い医師が集まり、専門家が経験した症例について鑑別診断を進める番組で、私も各何回か見たが、出演する若い医師の知識の正確さにいつも舌を巻いた。今度は是非ここにLLMを参加させると面白いはずだ。将棋がAIにより活性化されたのと同じように、多くの学びが得られると思う。

医者になったばかりの頃（１９７３年卒業）、我が国でも普通に結核患者さんが外来に来られた。アルバイト先の病院で胸水と結核病巣がレントゲンで認められ、すぐに入院できないということで外来で胸水を抜く処置をして、入院まで待ってもらったことすらあた。当時は、咳と熱での外来でレントゲンを撮り結核が疑われるか、あるいは集団レントゲン検査で発見され外来に来られるか、いずれにせよX線写真がまず行われ、その後痰の細菌検査が行われた。結核菌の培養には最低１ヶ月必要で、すぐに顕微鏡で菌が観察できるほどの患者さんは少なかったので、まず抗結核剤を投与して様子を見るのが通常だった。

ただ、このようなＸ線写真ベースの結核医療システムは先進国だけの話で、患者さんが多い低開発国では喀痰の検査とツベルクリン検査以外に診断方法がないということも習っていた。というのも、先進国からレントゲン検査システムは送られていても、現地の病院で使えるレントゲンフィルムがなかなか供給されず、宝の持ち腐れになっていた状況があった。あれから５０年、レントゲンフィルム自体が必要なくなり、コンピュータ画像に置き換わることで、どこでも機械さえあればレントゲン検査が受けられるようになった。

今日紹介する米国ニューオーリンズにあるチューラン医科大学からの論文は、結核菌の検出を医療施設のない現場で１時間で可能にする、しかも安価な診断システムの開発で、４月９日 Science Translational Medicine に掲載された。タイトルは「Rapid tuberculosis diagnosis from respiratory or blood samples by a low cost, portable lab-in-tube assay（呼吸器や血液サンプルの結核菌を一本のチューブとポータブル機器で行う安価な迅速診断）」だ。

この論文の大半は機械の設計と説明に使われている。読んでいると、どこでも検査システムを作成できる気になるほど詳しく説明されている。測定の原理だが、血液や痰をチューブにとって、そのチューブに挿入した Plunger に核酸を吸い上げトラップし、トラップの上で PCR と Cas12 を用いて標的DNAがあれば、Cas12 により DNA が切られて蛍光が出る仕組みを使っている。

もう少し詳しく検査の手順を説明すると次のようになる。

• チューブの底には結核菌を溶解し DNA を切断する試薬が乾燥して塗りつけてあり、資料を加えて９０度１５分処理する。
• こうして作成したサンプル溶液に Plunger を挿入すると、液が吸い上げられ中央にあるトラップに濃縮される。
• このトラップにまとめて粉末化されている、組み換え酵素を用いる常温PCR試薬、DNA中に存在する結核菌DNAを検出する CRISPR/Cas12 システム、Cas12 が活性化されると切断され、それまでブロックされていた蛍光が発生するDNA基質が溶け出すようになっており、３７−４２度で４５分静置すると、蛍光が出てくる。
• ポータブル機器には、底を高温で熱し、中間部のトラップを３７度に熱するヒーターが備わっており、チューブを挿入してしまえば、後は１５分後に plunger を押す以外の手間はかからない。
• そしてこの機器は電池で動くレーザーシステムが組み込まれており、発生した蛍光を検出することができる。

後は検出感度になるが、HIV にかかっている子供の結核のコホートで、痰の検査が難しいケースを例に、Xpert や培養検査と比べているが、感度は高くX線検査で確認できるケースの３/４で結核菌を検出している。一方、コントロールの子供については擬陽性はほぼ起こらない。

他のDNA検査と同じで、喀痰検査になると少し検出感度が落ちるが、やはり７割近い症例で菌を検出できる一方、コントロールでは全く擬陽性がない。

以上が結果で、多くの患者さんを一度に測定するのは難しいが、開発途上国の小さな診療現場で、しかも薬も限られた状況で診断するためには大きな力になる。このチューブ一本は２.７ドルということで、アメリカ支援が抜けたWHOでも可能な額ではないかと思う。特にエイズが蔓延している地域の子供を守る武器として期待される。

遺伝性のものも含め、肺高血圧はBMPシグナル異常を背景とする平滑筋の増殖が原因であると考えられている。この治療標的としてHECT型E3ユビキチンリガーゼの一つ SMURF1 が有望であることがわかっているが、分子構造上活性中心となるポケットがはっきりせず、創薬は簡単ではなかった。

今日紹介する英国シェフィールド大学、イスラエル・テルアビブ大学、そしてノバルティス生物医学研究所からの論文は、これまで創薬が困難だった SUMRF1 に対する化合物が開発できることを示した研究で、４月２日 Cell にオンライン掲載された。タイトルは「Therapeutic potential of allosteric HECT E3 ligase inhibition（HECT型E3リガーゼのアロステリック阻害の治療薬としての可能性）」だ。

この研究では SUMRF1 が自己ユビキチン化する活性を利用して FRETレポーターシステムを構築し、これを阻害する化合物を探索している。その結果見つかった一つの化合物 compound-8 (C8) の阻害メカニズムを調べることをとおして、逆に SUMRF1 の分子活性を探索する、いわゆるケミカルバイオロジーの方法をとって研究を進めている。

C8 結合時の結晶構造解析も含めて酵素活性阻害メカニズムが解明され、E3リガーゼ活性には蝶番の役割をするリジンを核とするリンカーで繋がった SUMRF1のN-lobe、C-lobe が大きくポジションを変える、アロステリック構造変化が必須なのだが、N-lobe のヒンジ近くに C8 が結合することで、動きが制限され、酵素活性が低下することを明らかにする。

次に、C8 に抵抗性を獲得する変異を大腸菌を用いたアッセー系で特定し、C8 が結合する部位を特定している。

このように自己ユビキチン化を用いた生化学を基礎に、肺高血圧に関わる BMPR2 と SMAD1 シグナル分子を加えた実験系で SMURF1 によるユビキチン化を調べると、これまで示されていた SMAD1 だけでなく BMPR2 も直接 SMURF1 によってユビキチン化されることが明らかになった。すなわち、SMURF1 はシグナル全体を抑制していることがわかる。

これらの生化学的解析から、C8 に加えて C6 も同じようなアロステリック阻害活性があることがわかり、投与実験にはこちらを用いている。SMURF1 阻害が肺高血圧治療の標的であることを確認する目的で、もう一度肺高血圧患者さんの組織を調べ直し、全てで平滑筋の SMURF1 発現が上がっていることを明らかにしている。

そして薬剤でラットに誘導する実験的な肺高血圧でも、BMPシグナルが低下するのと並行して SMURF1 が上昇していること、そしてこのモデルに C6 を投与すると、肺高血圧が改善し、組織学的改善も見られる一方、ラットではほとんど副作用が見られないことを明らかにしている。

SMURF1 についての実験はここまでだが、今回の SMURF1 作用メカニズムを基礎にして、同じ HECT型E3リガーゼに対する化合物を設計できることも示し、これまで難しかった HECT型E3リガーゼに対しても創薬が可能であることを示して終わっている。

SMURF1 は TGFβ/BMPシグナルに関わることから、子宮頸がん、自閉症、神経発生異常など様々な疾患に関わっている。その意味で、アロステリック阻害薬の設計が可能であることが示されたことで、この分野も賑やかになるのではないだろうか。

マウスで体内から漏れ出てくる光を検出することで体内での遺伝子発現を追跡することができるが、通常長時間の測定が必要になる。すなわち、基本的には組織内で光は吸収されてしまう。この問題を克服するには、光以外の媒体を用いて標識分子を検出する方法の開発が必須になる。もちろん PET のようなアイソトープを用いる方法もあるが、現在期待されているのは超音波を用いる方法で、身体の深部を超音波エコーでイメージングできることから、もし超音波の反射が変化するマーカーを組み合わせることができれば実現できる。

今日紹介するオランダ・デルフト大学からの論文は、超音波の反射を劇的に増強するマイクロバブルを標識として遺伝子発現を検出するための新しいイメージングシステムを開発した研究で、４月４日 Science に掲載された。タイトルは「Nonlinear sound-sheet microscopy: Imaging opaque organs at the capillary and cellular scale（非線形音波シート顕微鏡：不透明な臓器を毛細血管及び細胞レベルでイメージングする）」だ。

マイクロバブルが超音波の反射を劇的に変化することから、血管造影などに使われているとは言え、遺伝子や細胞の標識としてマイクロバブルを発生させられるのかが問題になる。全く知らなかったが、２０１４年、カリフォルニア大学バークレー校が、ガスが詰まったタンパク質の粒子を形成するバクテリアを特定し、この粒子を超音波イメージングのための一種の造影剤として用いれることを示しており、この研究ではこの技術をまず利用している。このガス粒子 (GV) を合成する遺伝子を細胞に導入することで、粒子がマイクロバブルとして働くというわけだ。これに加えて、超音波で血管を検出するために使われている脂質層に perfluorocarbon などのガスを詰めたマイクロバブルも用いている。

この研究では、これらのマイクロバブルを超音波エコーで検出するのではなく、これらのマイクロバブルに超音波を照射すると共鳴振動を起こし、このときに発生する非線形成分を、特定の深さの組織面で顕微鏡を見るように検出することを目的とした装置を開発している。これがタイトルにある非線形音波シート顕微鏡で、工学的な詳細は専門外なので説明は避けるが、組織内の特定の面に音波のシートを収束させ、そこで発生するマイクロバブルだけを高い解像度で検出する技術だ。このために、エコーで用いられるより高周波の超音波を、より簡単に電気的制御する Row column Addressed Array を開発している。この結果、１cm ぐらいの深さまでスキャンして、マイクロバブルの存在場所の 3D イメージを作成するのに成功している。

後はこの方法の利用価値を示すため、ガン細胞に GV 発生遺伝子を導入し、このガン細胞を皮下に移植、開発した非線形音波シート顕微鏡でガン細胞の広がりをモニターし、それを一般のエコー画像と組み合わせて追跡し、ガンの増殖、そして中央部に形成される壊死部がはっきりと検出できることを示している。

次に、脂質粒子を用いたマイクロバブルを血管に注入して、ラットの脳血管造影にチャレンジし、従来の方法と異なり、特に毛細血管レベルの微小循環を検出するできることを示している。

結果は以上で、工学的な詳細に興味がある場合は是非自分で調べてほしいが、マウスの実験には結構使えそうな気がする。人間でも皮下組織であれば面白い使い方ができそうだ。

よく意識についてどう考えるかと聞かれることがある。実際哲学や脳科学では意識とは何かは重要な問題として議論され続けている。ただ、門外漢が論文を読んで考えていると、結局意識とは刻々変わる環境の中で、「自己」を中心に生きる脳に必要な機能の集まりと思えてくる。麻酔がかかると意識はなくなるが、これは死んでいるのと同じだ。一方寝ているときは、ある程度外界との関わりに備えているし、もちろん脳は働いている。また、覚醒しているからと行って経験が全て意識されているわけではない。このように、外部内部の感覚を統合して自分を保つ脳の機能全体を意識と言っていいだろう。その脳メカニズムは一つではないと思うが、行動学的に意識研究が最もしやすい人間では、脳細胞の機能が測りにくいという最大の問題がある。

今日紹介する北京師範大学からの論文は、視床と前頭前皮質の両方に電極を設置した患者さんを対象に、視覚インプットを意識する時のメカニズムを調べた研究で、４月４日号 Science に掲載された。タイトルは「Human high-order thalamic nuclei gate conscious perception through the thalamofrontal loop（人間の高次視床核が視床前頭ループを介して感覚の意識に関わっている）」だ。

前頭前皮質と視床に電極を設置するケースはそう多くないと思うが、おそらく視床痛の深部刺激などのために電極を設置しているケースを使った研究だと思う。研究では、見えるか見えないかをボーダーラインの視覚刺激を与えて、見えると意識できたときに目で合図するという課題を行わせているときに、脳活動を記録している。記録の中から、見たことの意識と最も相関する神経反応を探している。

感覚の意識と最も相関しているのが、インプットから２００msで起こる内層及び内側視床核 (imT) の反応で、他の視床領域は相関がない。特に 4-10Hz の θ波に強い相関が見られる。そして、この θ波は前頭前皮質の θ波と同調している。さらに、imT の θ波は、γ や α といった他の波長とも、振幅で同調していることがわかった。

ロックされた θ波の強度から、同調がどの順番で起こるかを調べると、imT が起点となり θ波を発生して前頭前皮質の θ波及び他の波長成分を統合していくことがわかる。そして、このループが視覚インプットで起こる前頭皮質の神経反応の中で、インプットが意識されたときに最も目立った反応であることが示されている。

結果は以上で、感覚インプットが意識されるとき、インプット直後に視床内層・内側核から「意識した」というシグナルが発生し、それを脳に伝えていることがわかる。この研究では、意識できるかできないかの境界領域の刺激を与えて集中させているのだが、この刺激と意識ゲートの最終関係が今後の課題になる様に思った。いずれにせよ、これまで様々な研究で指摘されてきたように、視床が意識のゲートを決めていることは人間でも確かであることがわかる。

チンパンジーを見たことがある人は多いと思うが、ボノボを飼育している動物園は世界でも数えるほどしかなく、見るチャンスは少ない。ベルリンにはよく行くが、動物園のボノボを見るのも一つの楽しみだ。パンダなどと比べて見る人も少なく、ゆっくり見ることができる。ベルリンのボノボのなかには土にジカに座るのを嫌って、座布団を引っ張っている個体までおり、確かに知能の高さを感じさせる。

珍しいボノボを飼育している施設が日本にも一カ所存在する。京都大学野生動物研究センターの施設で、チンパンジーやボノボが余生を送っている熊本サンクチュアリーだ。公開はされていないが、施設を見せていただいたことがある。写真（６人いるボノボの一人ヨシキ３０歳；サンクチュアリーでは一頭と呼ばず一人と数えている）のように本当に近くで見て感激したが、飼育に必要なコストは常に足りないようで、これを読んだ多くの人に寄付をお願いしたい（https://www.wrc.kyoto-u.ac.jp/kumasan/ja/members/index.html）。この研究施設では多くの研究が行われており、このブログでも２０１６年、類人猿に Theory of Mind が存在することを示した Science の研究を紹介した（https://aasj.jp/news/watch/5895）。

今日紹介するチューリッヒ大学からの論文は、ボノボのコミュニケーションで単語の組み合わせを調べ、ボノボの構文も非自明（non-trivial）な構造が存在することを示した研究で、４月４日 Science に掲載された。タイトルは「Extensive compositionality in the vocal system of bonobos（ボノボの発生システムの幅広い構成性を持つ）」だ。

動物のコミュニケーションを記録して、そこで使われる構成性を調べる方法の一つが Formal communicative system (FoCs) で、シグナルと行動的意味を組み合わせることで、様々な形で発せられたシグナルの構成性を、人間の言語分析のように行うことができる。鯨の歌や、コウモリの超音波など様々な分野で使われている。

野生のボノボはコンゴに生息しているが、研究ではボノボ保護地域で４００時間ボノボの声を拾うとともに、そのときの発声者と他の個体との行動をナレーションとしてテープに保存し、これを元にボノボの発声する言葉の言語意味空間の分布を作成している。人間の言葉と異なり、ボノボには７種類の発声型が存在し、これらを単独、あるいは２種類を組み合わせてコミュニケーションに使っているのがわかる。

使われているコンテクストに基づいて、言語意味空間にそれぞれを分布させると、コンテクストが近いほどそれぞれの組み合わせは近くに分布することになる。これはGPTのような大規模言語モデルでの単語のトークンを多次元空間に分布させるのと同じだが、ずっと単純で、意味づけは人間の記述を元に行われている。

このとき、２種類の単語がランダムに組み合わせられることが多いが、このなかにはっきりと組み合わせにより新しい意味が発声する場合があることがわかった。すなわち、この場合それぞれの単語単独のコンテクストとはかなり離れたコンテクストが含まれるため、多次元空間分布での位置が離れる。例えば興奮を意味する言葉と自分に注意を引きつける言葉が組み合わさると、他の個体の攻撃的表示を制止する意味に変化する。

このように明確に意味の変わる組み合わせを探していくと、４種類の組み合わせが発見でき、そのうち３種類は自明的構成（trivial composition）、すなわち単語の並びの複雑さが低いケースが３種類、そして人間特有ではないかと言われてきた非自明的 (non-trivial) 構成が１種類発見された。

Trivial と Non-trivial を説明するのは難しいが、著者らは「金髪と踊り子」の組み合わせは、踊り子が同時に子供だったとしても「金髪子供」という意味を持てるのを trivial と説明し、「下手な踊り子」では踊りが下手でも英語がうまいことはあるので意味が限定される non-trivial の例としている。そしてボノボでは non-trivial の組み合わせが皆で移動する呼びかけとして「私と一緒に」が使われているとしている。

以上が結果で、脳科学的には全くわからないが、単語の組み合わせの構成性に新しいコミュニケーション能力が見られるとしているが、他の動物での研究も知る必要があるだろう。

古代ゲノム研究が進んで、アフリカ人はサハラ以北とサハラ以南の民族に分けて考えるようになっている。特にネアンデルタール人との交雑の有無で見るとサハラ以南の民族には全く交雑の跡がないが、サハラ以北では出アフリカ後も交流があり、またゲノムレベルでも出アフリカ時代に民族は別れたのではないかと考えられている。広大なサハラ砂漠を中心とした乾いた大地を考えると、これが大きな障害になったと考えてしまうが、実際にサハラ砂漠領域が乾燥し始めたのは、１万年から５０００年にかけてのことで、それ以前は緑の大地が広がっていたと考えられる。従って、サハラ砂漠による分断前の歴史を探ることはアフリカ民族の形成を理解するには重要な課題になっている。

今日紹介するライプチヒのマックスプランク進化人類学研究所からの論文は、緑豊かなサハラ時代の人類のゲノムを調べ、この時代にもサハラ領域では大きな民族の移動はなく、それぞれの民族が形成されていたことを示した研究で、４月２日 Nature にオンライン掲載された。タイトルは「Ancient DNA from the Green Sahara reveals ancestral North African lineage（緑のサハラ時代の古代DNAは北アフリカ系統の存在を示している）」だ。

我が国のゲノムの歴史がまだまだ解明されていないのに、アフリカなどどうでもいい思われる方も多いと思う。実際、我が国の古代ゲノム研究 DNA のクリーンラボが導入されたのは２０２０年に入ってからで、天皇との関係で古墳研究も簡単でなく、研究者は多くのハードルを越える必要がある。そして何よりも高温多湿の日本ではゲノムの保存状態が悪いという問題があった。

この論文を紹介することにした理由は、もちろん北アフリカ古代史も面白いのだが、様々な技術のおかげで保存状態の良くない骨からもゲノム解析が可能になっていることを強調するためだ。実際、サハラ砂漠で石器時代の文化遺跡は発見されるが、DNAを回収することはほとんど諦められていた。

この研究ではリビア南、サハラ北の Takarkori の洞窟で見つかった歯と骨からゲノムを回収しているが、本来のゲノムの存在率は０.１％−１％で、現在のところ通常のショットガンシークエンスは難しい。代わりに、ヒト DNA を精製したあと、古代 DNA の多型パネルを使って解析している。すなわち、極めて少量の DNA を調べるプラットフォームが着々とできていることがわかる。おそらく我が国の古代ゲノムもこれにより進むのではと期待できる。

さて、今回発見されたゲノムは一体は８０万SNP、もう一体は２万SNPが解析可能だった。この結果、Takarkori 人は他の北アフリカ人と比べてもかなり独自のゲノム構成を持っていることがわかった。文化的には、北アフリカに広がる陶器や埋葬などの文化を持っていることから、北アフリカでは、あまり民族間の交雑は起こらず、しかし文化だけが徐々に広まったと考えられる。

詳細は省くが、これまで出土している北アフリカ古代ゲノムを中心に比較することで、ルーツを探った結果、

• Takarkori 人はホモサピエンスの出アフリカ時に、サハラ以南のホモサピエンスと別れた系統に属している。
• モロッコで発見された Taforalt 人に最も近く、おそらく北アフリカ人形成に関わった共通祖先を持っている。
• これまで、ヨーロッパとの交流の可能性から明確に結論できなかった北アフリカ系統が明確に存在することがわかった。
• ネアンデルタール人遺伝子が低レベルで見られ、この割合からも出アフリカ以降のホモサピエンスが北アフリカに移動した系統関係を支持する。

今後は、モロッコの Taforalt 人と Takakori 人の分岐点に近い古代ゲノムの探索が必要になるが、マックスプランク研究所はかなり精力的にこの地域へと研究を拡大している。なんとなく、帝国主義とともに、世界中の考古学が進み、日本も負けずと聖域探検を送ったのと似ているが、我が国の場合はまず我が国の古代史から進めていってほしい。

我が国で細菌性の下痢の頻度は極めて低いと思うが、例えばインドを旅行していて細菌性腸炎を起こしたという話はよく聞く。もちろん今でも食品からサルモネラや病原性大腸菌に晒されることはあり、特に小児では重症化しやすい。このような病原性細菌に対しては、抗生物質だけでなく、経口ワクチンで IgA を誘導する治療や健康な細菌叢を移植して病原菌と闘わせる方法も試みられている。

今日紹介するスイス・チューリッヒ工科大学からの論文は、ワクチンと細菌叢内の細菌の競争をうまく利用することで、それぞれの効果を何倍にも高められること、そしてワクチンを介して腸内細菌叢をコントロールする可能性を示した研究で、４月４日 Science に掲載された。タイトルは「Vaccine-enhanced competition permits rational bacterial strain replacement in the gut（ワクチンによって促進される細菌間の競争が腸管での合理的な細菌の置き換えを可能にする）」だ。

おそらくこのグループは経口投与する死菌ワクチンによる腸内細菌感染制御を研究してきたのだと思う。生菌を注射するのと異なり、死菌ワクチンの経口投与は腸内での IgA を誘導することが知られていたらしい。ただ、これだけでは病原菌を完全に除去するには足りないこともわかっていた。そこで、標的の細菌と腸内で競争するバクテリアで、ワクチンには反応しない競争細菌を加えたら効果が高まるのではと着想した。すなわち、ワクチンと細菌叢移植を組み合わせる方法だ。

まず、無毒化して、抗体が働く細胞壁抗原が除去されたサルモネラ菌を作成し、ワクチンを投与した後、競争菌を３日前に飲ませた後サルモネラに感染させると、ワクチンや競争菌のみの効果を圧倒的に凌駕する感染防止効果が見られ、完全に病原菌を除去できることがわかった。

このメカニズムを探るため、競争菌をさらに操作して、病原菌と競争する炭水化物の代謝系を除去すると、競争菌の効果がなくなることから、同じ腸内で栄養を巡って競争していることがわかる。

ただ、競争自体は量的なもので、競争菌が病原菌を完全に凌駕できなくても、競争菌の数がが多ければワクチンの効果を高めることができる。これを確かめるため、サルモネラ病原菌の競争菌としては完全ではないが、代謝がオーバーラップする常在の大腸菌を競争菌として同じように施主させると、感染を止める効果がある。

最後にこの方法を病原菌に限らず同じ大腸菌系統間の置き換えを誘導できるか試して、ワクチンに反応しない系統が反応する系統を駆逐できることを示している。最後にこの現象にはワクチンにより IgA が誘導される免疫の仕組みが必要であることを確認している。

以上が結果で、病原菌に対する面白い予防方法が考えられる。例えば、細菌性下痢が予想される地域へ旅行するとき、まず死菌ワクチンを接種した後、飛行機に乗る前に競争菌をプロバイオで摂取するなどいろいろできそうだ。また、細菌叢の構成を変化させたいと考える研究が進んでいるが、これをプロバイオだけでなくワクチンの助けも借りて実現することもできる。面白いアイデアだと思う。

詳しく紹介することはしないが、４月２日にオーストラリア健康医学研究所から Nature に発表された論文では、新生児腸内のビフィズス菌が抗生物質で除去されると、ワクチンによる免疫誘導が低下することも報告されていた。今後細菌叢が傷害されていないか考えながらワクチン摂取時期を決めることが重要になると思う。

MECP2はX染色体上に位置する遺伝子で、機能が失われる変異が起こるとレット症候群が発症する。通常の変異では男性は出生直後に死亡するが、女性の場合半分のX染色体では正常なため、欠損細胞と正常細胞のモザイクが形成されるが、この半数の細胞が異常のまま残っていることから神経システムの異常が起こる。逆に細胞は残っていることから、２００７年、MECP2遺伝子変異を元に戻すと、様々な症状を改善させられるということがマウスで確認された。

この結果は、レット症候群の遺伝子治療の可能性を示すのだが、問題は正常と異常細胞がモザイクになっていることで、遺伝子導入を欠損細胞だけに行うことは至難の業になる。ともかく遺伝子を導入してみるという可能性はあるのだが、MECP2重複症はこの遺伝子の発現量が増えるだけでやはり問題が起こることを示しており、正常細胞に遺伝子が導入されたときに様々な問題が起こることが懸念される。

このため、MECP2重複症と比べて遺伝子治療は簡単でないとされてきた。しかし、今日紹介するエジンバラ大学からの論文は、導入する遺伝子の発現をセルフコントロールさせることで、モザイク組織が対象のレット症候群も遺伝子治療が可能になることを示した研究で、４月２日 Science Translational Medicine に掲載された。タイトルは「Self-regulating gene therapy ameliorates phenotypes and overcomes gene dosage sensitivity in a mouse model of Rett syndrome（自己調整的遺伝子治療はレット症候群のマウスモデルで遺伝子発現量に対する感受性の問題を克服し症状を改善する）」だ。

増殖しない神経細胞が対象の遺伝子治療にはアデノ随伴ウイルスがベクターとして用いられるが、導入効率は良くても、どうしても細胞ごとに導入量が変化し、これが発現しすぎによる異常を誘導してしまう。そこで、発現量がむやみに上がらないよう、導入遺伝子自身の RNA を分解する人工的 miRNA を組み込んで、一定以上に発現が上がらないようにしたのがこの研究のハイライトだ。

面白いアイデアだが、本当に正常の遺伝子発現が起こっている上に導入したとき、この程度の工夫で大丈夫かと思ってしまう。理想は MECP2 の発現量に依存して導入遺伝子が働くようにできるといいのだが、これは複雑になりすぎる。

しかし案ずるより産むがやすしで、このコンストラクトを生まれた後死亡していく欠損オスの脳に導入すると、３０週も生存するマウスが出てくる。平均では生存期間はほぼ倍に伸び、症状も改善する。この系でさらに遺伝子発現などを至適化すると平均で生存期間が３０週を超えることがわかり、この至適化したコンストラクトを NGN-401 として臨床応用できる製剤にしている。

次に、生存には影響のないレット症候群の雌マウスの新生児期に遺伝子治療を行っている。NGN-401 は大量に投与してもほとんど生存に影響はないが、miRNA を削ってそのまま発現するようにするとマウスは死亡するので、MECP2 の発現がコントロールできないと重篤な問題が起こることが確認できる。

重要なのは症状がある程度改善できることで、正常よりは劣るが体重増加が認められる。様々な時期に脳組織をとって調べても、正常とはっきり区別できないことから、組織学的にも回復が見られると結論している。

最後に、臨床試験への安全性を確かめるため、新生児サルへ投与実験が行われ、正常サルへの副作用はほとんどないことを確認している。

また NGN-401 は現在第１/２相の臨床治験まで進んでいることも加えて報告しておきたい。是非成功してほしいと思う。もちろんレット症候群だけでなく、MECP2重複症も臨床治験に入っている遺伝子治療が２種類存在することを考えると、実際の治療が近づいてきた実感がある。期待している。