3月18日 ヒストンのアルギニンメチル化の膵臓ガン悪性化(3月19日号 Cell Reports Medicine 掲載論文)
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3月18日 ヒストンのアルギニンメチル化の膵臓ガン悪性化(3月19日号 Cell Reports Medicine 掲載論文)

2024年3月18日
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ガンゲノム解析でほとんど違いはないのに、同じ治療の効果が全く違うという症例は多い。当然、エピジェネティックな違いがこの違いを決めていると思われるが、まだまだよくわかっていない。

今日紹介する韓国テジョンのKAISTからの論文は、膵臓ガンの悪性化に手を貸すエピジェネティックメカニズムに、ヒストンのアルギニン部位のメチル化酵素が関わる可能性を示した研究で、3月19日号 Cell Reports Medicine に発表された。タイトルは「PRMT1 promotes pancreatic cancer development and resistance to chemotherapy( PRMT1 は膵臓ガンの発生を促進し化学療法への抵抗性に関わる)」だ。

私の頭の中はヒストンメチル化というと、リジンのメチル化がインプットされてしまっているが、実際にはアルギニンもメチル化され、基本的にはクロマチンをオープンにする働きがあるらしい。

この研究では多くのガン、特に Ras変異によるガンでアルギニンメチル化酵素が上昇していることに注目し、マウス膵臓ガンモデルで single cell RNA sequencing を行い、特に PRMT1 の上昇が著しいこと、人間のガンで PRMT1 の発現が高いと予後が悪いこと、そして PRMT1 阻害剤で膵臓ガン細胞の増殖が抑えられることを明らかにしている。

次に、膵臓ガン発生を誘導するモデルで、膵臓特異的に RPMT1 ノックアウトマウスと正常マウスを比べると、PRMT1 ノックアウトマウスではガンの発生が遅れることも示している。

このように PRMT1 はガンの状態を最適に整える役割を演じているようで、そのメカニズムを遺伝子発現やクロマチン構造変化の解析を用いて調べると、GLUT1 やヘキソースキナーゼなど、グルコース代謝を高める酵素の遺伝子のクロマチンをオープンにすることでガンの増殖を助けることを示している。

最後にこの結果の臨床応用への可能性を調べる目的で、膵臓ガンに処方される率の高いゲムシタビンとPRMT1 阻害剤フラミジンを組みあわせた治療効果を、マウスに移植した膵臓ガンモデルで調べている。

結果は、それぞれ単独では得られない高い腫瘍抑制効果が見られるが、用いられた実験系ではガンの増殖を完全に止めるまでには至っていない。

以上が結果で、完治を望めないとはいえ、ゲムシタビンとの併用剤としての PRMT1 阻害剤の可能性を示している。最近では、膵臓ガンの患者さんからオルガノイド培養が可能になっており、実際の治療経過をもう一度試験管内で確かめることも可能なので、症例ごとに解析してみるのも重要だと思う。阻害剤は存在するようなので、是非臨床応用の可能性を追求して欲しい。

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3月17日 胸腺びっくり動物園を可能にする転写メカニズム(3月13日 Nature オンライン掲載論文)

2024年3月17日
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胸腺でT細胞が作られる時、胸腺上皮が身体中のさまざまな自己分子を発現することで、自己抗原に対するトレランスが維持される事を示した Dian Mathis グループからの論文を、「胸腺びっくり動物園」と表現して紹介したのは2020年6月のことだ(https://aasj.jp/news/watch/19920)。この動物園は、AIRE と呼ばれる分子により決定されていることは、自己抗原を提示する動物園が成立せず、自己免疫病が起こる AIREノックアウトマウスからわかるのだが、では AIRE がどうしてそれほど多様な分子の転写に関わるのかは謎のままだった。

今日紹介する同じ Mathis グループからの論文は AIRE がさまざまな組織抗原の胸腺上皮での誘導を可能にするメカニズムを明らかにした、素晴らしい研究で3月13日 Nature にオンライン掲載された。タイトルは「AIRE relies on Z-DNA to flag gene targets for thymic T cell tolerization(胸腺でのT細胞トレランスに際して AIRE は Z-DNA を転写する遺伝子の印に使う)」だ。

AIRE により多くの遺伝子が胸腺上皮で発現する。すなわち転写、翻訳が行われるわけだが、この時使われるプロモーターモチーフが特定できなかったことが、メカニズムの解明が進まなかった理由だ。そこで Mathis らは転写モチーフを含む DNA配列でプレトレーニングを行った Basenji と呼ばれる AIモデルを、AIRE により転写される DNA配列でファインチューニングすることで、CA繰り返し配列と NFE2-MAF結合領域を、AIRE転写に関わる配列候補として特定することに成功している。ここでも、従来のモチーフ探索を超えるパーフォーマンスが AI に存在することが明らかになった。

次に、B6マウスと、自己免疫糖尿病マウスNOD を掛け合わせた Fiマウスで、それぞれの染色体からの転写のアンバランスが見られる遺伝子で、AIRE の標的になる遺伝子上流を詳しく調べ、AIRE転写に関わるとして特定した領域の変異が、このアンバランスに関わる事を確認し、この領域が AIRE による遺伝子発現をガイドする領域である事を明らかにしている。

あとは、どのように転写のスイッチが入るかだが、タイトルにあるように CA繰り返し配列が、いわゆる左巻きの Z-DNA 構造を形成することに注目し、この無理な構造により発生する DNA 切断が転写の開始を決める可能性を追求している。詳細は省くが、さまざまな実験から、CA繰り返し配列で実際に DNA切断が起こり、これを修復するために染色体構造が緩み、そこにトポイソメラーぜが結合することが転写のスイッチを入れる事を示している。実際、AIRE がなくても Z-DNA 構造を安定化させるだけで、低いレベルの AIRE依存的遺伝子の転写が起こる。

このように DNA切断をきっかけに弱い転写を始めた遺伝子調節領域に AIRE は結合して、転写を助ける役割がある。さらに Z-DNA の境に存在する NFE2結合領域への NEF2結合も、Z-DNA構造を維持して転写を助けるために機能している。

以上が結果で、これまで AIRE が強く結合する領域と考えて転写領域を特定する研究が進んでいたが、蓋を開けてみると AIRE が補助的だが必須の役割をしているという、予想外の結果が示された。

Dian Mathis 研の力量を感じるとともに、またまた核酸情報の解析が LLM のような AIモデルに傾斜している事を実感した。

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3月16日 セルロース分解菌を基礎にした文化人類学(3月15日号 Science 掲載論文)

2024年3月16日
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腸内細菌叢は人間の環境や食の影響を強く受けているため、文化人類学にも利用されている。ただ、これまでは細菌叢の多様性や量と言った指標が中心で、工業化した社会で我々が失ってきた野生性を示すのに使われる程度だった。

これに対し今日紹介するイスラエル・ベングリオン大学からの論文は、セルロース分解系システムを持つ細菌だけに焦点を当てることで、これまでとは違う文化人類学に仕上げることに成功している研究で、3月15日号 Science に掲載された。タイトルは「Cryptic diversity of cellulose-degrading gut bacteria in industrialized humans(工業化社会の人間に見られる隠れたセルロース分解性腸内細菌多様性)」だ。

我々の身体はセルロースを代謝する能力がない。このため、セルロースは全て腸内細菌叢に依って分解される以外に方法はない。私もこの点についてよくわかっていても、セルロース分解はいくつかの細菌が酵素を分泌して行われるのだろうぐらいの理解しかなかった。

この論文を読んでよく理解できたが、細菌には、セルロースに接着し、マトリックスのようなスキャフォールドを形成し、そこでセルロースを分解するシステムが存在している。そして、このシステム全体を有する細菌は Ruminococcus(R) 属に限られている。この研究ではまず scaC と呼ばれるスキャフォールド分子の遺伝子配列を、人間、類人猿、サル、動物などの細菌叢ゲノム解析データから拾い出し、さらに分解酵素の解析も合わせて、人間や動物に存在する R属を分類した。

すると、これまで分類されていたより詳しい分類が可能になり、また人間に存在する R属はほぼ3種類で、ホミニン型、サル型、反芻型に大きく分けられること、そしてそれぞれは独自に多様化していることを発見する。他にも動物には Champanellensis と名付けた属が存在するが、現在の人間には存在しない。

まず、R属の細菌叢に占める割合を見ると、ゴリラ、サル、そして古代人の便の細菌叢では大体4割ぐらいを占めるが、現代人では、狩猟民や農村で2割ぐらい、さらに都市の人間では4%に低下する。すなわちセルロースを壊す必要がなくなってきている。そして、古代人には現代人に見られないChampanellensis も存在する。

R属の系統樹と反芻動物、サル、人間の系統樹を重ね合わせると、サル型が最も先祖に近く、ホミニン型はまず反芻動物で進化し、家畜化とともに人間に入ってきたことがわかる。すなわち、人間の R属はサル型と反芻型がまじりあっており、まさに生活の歴史を反映していることがわかる。

あとは、他のセルロース分解や糖分解に関わる遺伝子について詳しく調べ、他の細菌の遺伝子も取り込んで、それぞれの生活圏に適応した多様性を獲得しているのがわかる。例えば、人間では米や麦の含むヘミセルロース分解システムを取り入れているし、サルではキチン分解システムを取り入れており、これらは他の動物では見られない。

以上が結果で、細菌叢全体ではなく、食に関わる一つの属に絞ったことで、これまで以上のことが見えたという面白い例だ。

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3月15日 深部組織の変化を超音波で的確につかむ技術:Good idea (3月8日 Science 掲載論文)

2024年3月15日
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手術後の縫合不全など、不断にモニターしたい状態は数多くあるが、傷を開放にして常に除くというわけには行かない。今日紹介する米国Northwestern大学からの論文は、超音波診断機を用いて組織内の様々な状態をモニターできる面白いアイデアで、3月8日号 Science に掲載された。極めて臨床的な材料研究が Science に掲載されたのは、そのシンプルさとアイデアの卓越性によること間違いない。タイトルは「Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis(深部組織のホメオスターシスを超音波診断機でモニターできる生体吸収性で形態適応性の構造)」だ。

生体に適合し、最終的に吸収されるハイドロゲルなら何でもいいのだが、この研究のアイデアは、それに一定数の金属粉末を円形に塗って超音波診断機で検出可能にしたことだ(百聞は一見にしかずで MedicalXpress の写真をご覧あれ:https://medicalxpress.com/news/2024-03-shifting-ultrasound-stickers-surgical-complications.html)。

要するに円形の金属粉を超音波で周りの組織から際立たせて超音波診断機で検出する。あとは、ハイドロゲルの特性を変えることで、pH の変化で膨張したり、溶けて無くなるように設計すると、深部組織で起こっている組織変化をリアルタイムで簡単にモニターできるというアイデアだ。

実際には pH が低くなると急速に膨張するハイドロゲルや、逆にアルカリ性で膨張するハイドロゲルを使うと、前者は胃の縫合部からの胃液の漏れを、後者は膵臓からの膵液の漏れによるハイドロゲルの漏れを、金属粉サークルの半径の拡大として検出できる。

設計通り pH に反応するかを試験管内で確認した TRAIL 、今度はラットの胃壁に設置して蠕動する胃でも、例えば縫合部位を跨いで切歯したセンサーを十分な解像度で検出できるか確認している。

その後、胃に穴を空けて胃液が流出するようにし、時間ごとに超音波診断機でこのハイドロゲルをモニターすると、20分ほどでふやけて拡大するのを超音波診断機で検出できる。ハイドロゲルの特性を変えてそれぞれの組織に会わせると、腸や膵臓でのリークを検出することが出来る。

最後に人間に近い大きさのあるブタで同じ実験を行うと、全ての臓器でラットよりはゆっくりしたペースで拡大するのを観察できる。実際ハイドロゲルを取り出して見ると、2倍ぐらいに拡大しているのがわかる。

勿論深いほど解像度は落ちるが、画像についてはコンピュータを使って様々に改良することが出来るはずだ。またこの程度の鉄粉や亜鉛粉で組織に問題が起こるはずはないと考えると、ただただ Good Idea というほかない。

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3月14日 試験管内での皮膚幹細胞維持と分化誘導(3月8日号 Science 掲載論文)

2024年3月14日
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細胞培養は生体を反映できない人工物という考えは根強くある。しかし、Austin SmithがES細胞の様々な状態を誘導する培養法を開発し、実際の胚と詳しく比較した研究によって、多能性幹細胞の多様性とともに、実際の胚発生過程の理解も大きく進展した。このように、細胞培養と実際の組織の比較の重要性は、腸の幹細胞オルガノイド培養を開発した慶応の佐藤さんの業績からもわかる。

今日紹介するロックフェラー大学 Fuchs 研究室からの論文は、皮膚幹細胞培養を、ES細胞や腸上皮幹細胞培養法のレベルに一段と高めた研究で、3月8日号 Science に掲載された。タイトルは「Vitamin A resolves lineage plasticity to orchestrate stem cell lineage choices(ビタミンAは細胞分化可塑性を解消して幹細胞分化決定を指揮する)」だ。

Fuchsは皮膚幹細胞培養で有名な Green 研出身で、いわば幹細胞培養の先駆者だ。しかし、皮膚幹細胞の培養と、それを用いた皮膚移植治療まで実現しているが、ES細胞や腸管細胞の培養と比べると、皮膚幹細胞培養は大きく見劣りしていた。その結果、未だに培養皮膚はエピスキンのような単純なシステムで我慢しなければならない。

これを根本的に変えようと、オルガノイド培養を基礎に、培養と生体を対応させるための様々な分子マーカー標識を使い、また培養からの結果を生体内で確かめる操作を繰り返したのがこの研究で、妥協を許さない執念の研究だ。

その結果、血清入りで培養した幹細胞は、毛根(HF)と上皮(Ep)両方の分化能を持つ可塑性の高い幹細胞が中心になっていたこと、そして血清抜きの培養では毛根特異的幹細胞(HFS)と上皮幹細胞(EpS)が分離することを見いだす。

次に EpSマーカーを抑える培養条件を検討し、最終的にレチノイン酸(RA)が EpS への分化能を抑え、HFS を選択的に培養するのに必須であることを見いだす。そしてこれに PKC阻害剤 PKCi を加えることでほぼ純粋な HFS を培養できることを明らかにする。

後はここから培養条件を変えてHFで見られる細胞を選択的に誘導できるか調べている。ここまで来ると、毛根についての研究は厚く、結局WntとBMPが分化の方向性を決めることを明らかにしている。

詳細を飛ばしてまとめると次のようになる。

  1. BMP6はRA存在下で細胞周期をG0休止期へ誘導する。すなわち、バルジ領域の幹細胞への分化を誘導する。
  2. BMP の影響がなくなると、細胞周期への移行が可能になり、Wnt が増殖を維持する。
  3. この時、RA の影響がなくなると毛包細胞や Ep への分化が起こる。
  4. 毛球細胞は特に強い Wntシグナル存在下でRAの影響がなくなることで形成される。
  5. 皮膚損傷では一過性にRA刺激が消失するため、HFS から可塑性幹細胞、そしてEpへの分化が促進されることで皮膚損傷治癒が促進される。
  6. これら試験管内の結果は、生体内の毛根で全て検証できる。例えば RA を塗ることで、毛根の維持形成が促進され、逆に RN が阻害されると皮膚損傷治癒は促進されるが、毛根の形成は抑えられる。

以上、HFS の試験管内維持と、そこからの決まった方向への分化誘導、さらにそれを移植して毛根再構成など、完全な分化増殖の試験管内コントロールに大きく近づく一歩だと思う。大分はしょって紹介しているので、是非論文を読んで欲しい執念の研究だ。

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3月13日 外来DNAの許容性から見えるゲノムの個性とコスモポリタニズム(3月6日 Nature オンライン掲載論文)

2024年3月13日
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真核生物のゲノムは mRNA に転写され、アミノ酸に翻訳されたり、翻訳されなくても様々な機能を持つことは、今や、小学生にも教えられていると思うが、翻訳という観点で見ると、ゲノムの7割以上が低いレベルで mRNA に翻訳されていることが何回も報告されている。そしてこの低いレベルの翻訳が重要な機能を持つと考える人も多い。

この問題に答える面白い研究が、酵母の合成生物学を強力に進めているニューヨーク大学の研究グループから3月6日 Nature にオンライン掲載された。タイトルは「Synthetic reversed sequences reveal default genomic states(合成された逆配列はゲノムの初期状態を明らかにする)」だ。

昨年11月このグループの研究を紹介したが、DNA合成機で作成した DNA で酵母ゲノムを置き換えたり、あるいは新たなゲノムを導入する、合成生物学の分野を強力に推進しており、既存の生物と向き合うだけでは得られない面白い視点をいつも示すグループだ(https://aasj.jp/news/watch/23318)。

今回このグループは、完全に合成した長い DNA を我々のゲノムは受け入れることが出来るかどうかを調べている。ただ、完全合成と言っても長い DNA ストレッチをデザインするのは簡単でない。そこで、ヒト HRPT1 遺伝子がコードされている 100Kb の大きな DNA を完全合成するとともに、その配列を逆から並べた裏返しの人工ゲノムを作っている。ここでは 正DNA 逆DNA と呼ぶが、正DNA は合成されたとはいえ進化の過程で形成された配列で、逆は完全に人工的と言える。ただ、逆配列に転写可能な遺伝子がないか、あるいはサイレンシングされてしまう配列がないかを注意深く調べ、一応完全合成 DNA 配列として利用できることを確認している。

次に、表と逆の 100Kb 遺伝子を酵母とマウス ES細胞に導入し、それぞれの遺伝子が細胞にどのように受け入れられているのか、転写や染色体構造をベースに調べている。

勿論人工合成されたとはいえ、正DNA は酵母でもヒトでも正常に転写され、また HRPT1 遺伝子領域以外でも低い転写活性を認める。

さて逆配列だが、酵母では問題なく受け入れられる。しかも、ATACsequencing やヒストンコードから見て、オープンな染色体構造が逆配列にも維持され、その結果、配列中に存在する弱いプロモーターを利用して多くの領域が RNA として転写される。

ところが ヒトES細胞に導入された逆配列は、正配列とは全く異なり、全くサイレントで、ATACseq やヒストンコードから、完全にクローズな染色体構造を持ち、RNAポリメラーゼの結合も全くない。

特徴的なのは導入されたゲノムの境を中心にポリコムによる H3K27me3 ヒストンコードの修飾を受けている。このため、ES細胞のポリコム遺伝子がリクルートされクロマチンが閉じられているのではと考えられる。

しかし、ポリコム分子と結合すると考えられる CpG を逆配列から除いて導入しすると、期待通りH3K27me3 ヒストンコードの結合は抑えられる。にもかかわらず、逆配列の染色体構造は閉じたままで、転写も抑えられたままだ。

結果は以上で一般の方には少し難しかったと思う。ただ、少なくとも ヒトES細胞では、ゲノムが一つの個性にまとまっており、異なる個性の遺伝子を区別して染色体を閉じるメカニズムがあることがよくわかる。

一方、酵母にとってはこのような個性派ない。どんどん外来の遺伝子を取り込んで、それが発現するRNA から役に立つ RNA を進化させる、コスモポリタンゲノムが維持されている。この酵母の培養を続ければ、面白い遺伝子が進化してくる可能性があり、合成生物学としても重要な材料になる気がする。

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3月12日 ホモエレクトスのヨーロッパ侵入ルート(3月6日 Nature オンライン掲載論文)

2024年3月12日
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私たちが人類進化を中学校や高校で習った時代は、まずそれらを原人と総称し、しかも別々の場所で発見された原人は、別々の種類として扱っていた。したがって、アフリカ・アルジェリアで出土した原人はアトラントロプス、北京原人はシナントロプス、そしてジャワ原人はピテカントロプスと呼んでいた。

現在では研究も進み、アフリカで250万年前に進化したホモ族が世界に広がったと考えるようになり、ホモ・エレクトスという名前で全てをひとくくりにするようになった。そしてそれぞれの年代測定から、アフリカ以外のホモエレクトスの最も古いのがグルジアドマニシの180万年、ジャワの70−150万年とされている。すなわち、エレクトスの進化の過程で世界中に拡大するためのさまざまな能力を人類が獲得したことになる。例えば男女の体格差が消失し、犬歯がなくなることから、食生活や社会生活が大きく変化したと考えられる。言語も発生した考えている人もいる。

このように、南の方ではグルジア地方のドマニシの180万年前、その後ジャワの150万年とエレクトスが出アフリカを果たした足跡を辿ることができるが、例えばハイデルベルグ原人や、北京原人のように緯度の高いところで生息していたエレクトスになると大体70−80万年前になり、その間のプロセスは明らかでない。

今日紹介するチェコ科学アカデミーとデンマークAarhus大学を中心とする共同研究は、ウクライナ西部、ハンガリー、ルーマニア国境近くのコロレボ発掘サイトの石器の解析と、宇宙線により発生するアイソトープを用いた年代測定などを組み合わせ、最も高い緯度でしかもヨーロッパで140万年前(すなわちヨーロッパ最古)のエレクトスの存在を特定したという研究で、3月6日 Nature にオンライン掲載されている。タイトルは「East-to-west human dispersal into Europe 1.4 million years ago(140万年前、人類は東からヨーロッパに侵入した)」だ。

一にも二にも、この研究のハイライトはヨーロッパ最古のエレクトスの痕跡を特定したことにある。まずアウストラピテクスが使用していたオルドワン型石器とともに、エレクトスから始まるあシューリアン型の石器が混在している。これはアフリカからレバノンにかけて見られる古いエレクトスの遺跡で見られる特徴を有している。

そして、地層中に存在する宇宙線により発生したベリリウムやアルミニウムの濃度から、年代を142万年前と特定している。さらに、この時期が氷河期の間の比較的暖かい時代と重なることから、最も活発にエレクトスが移動できたこと、そしてコロレボのようなヨーロッパの入り口にまで生活圏を広げられていた事を結論している。

これまで、エレクトスのヨーロッパへの移動はイタリアやスペインへの、南からの移動が中心と考えられてきた。これに対し、この研究ではジャワのエレクトスも含め、ユーラシアのエレクトスは、レバノンを通って出エジプトを果たし、コーカサスのドマニシをへて東から西に移動をはじめ、140万年前には、暖かい気候を利用して高緯度の領域まで到達していた事を示している。

以上が結果で、なかなかゲノムを用いた研究とまではいかない古代の領域だが、しかし人類とその文化の発達史を考える意味で、重要だ。この研究で一つの移動経路が示唆されたので、今後は示唆されたルートの発掘を地道に続ける他ないと思う。

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3月11日 授乳する手足のない両生類(3月8日号 Science 掲載論文)

2024年3月11日
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今日紹介するブラジル Butantan 研究所からの論文は、完全な息抜きになる論文で、一般の人も十分楽しめる、少なくとも日本に住む我々がほとんど想像だにしない生き物の話で、3月8日号 Science に掲載された。タイトルは「Milk provisioning in oviparous caecilian amphibians(卵生のアシナシイモリのミルク供給)」だ。

まずタイトルにあるアシナシイモリだが、先日紹介したように爬虫類では蛇だけでなく手足のない種類が存在することは知っていたが、流石に両生類でそんな種がいるとは全く知らなかった。この論文の紹介がニューヨークタイムズで写真付きでされていたので、まずこのサイトにサーフして( https://www.nytimes.com/2024/03/07/science/caecilians-milk-amphibians-worms.html ) アシナシイモリの姿を見てほしい。熱帯の地下に適応したため、ほとんどミミズと同じ形で、体節形成時の節ができている。もちろん四肢は失っている。

今回研究されたアシナシイモリは卵生であるにも関わらず、メスが孵化した子供を2ヶ月にわたって育てる。この時、外敵から守るだけでなく、ミルク用の物質を皮膚に染み出させることで、餌を与えることが知られており、この結果孵化後急速に体重が増える一方、メスは子育てが終わると30%の体重を失うことが知られていた。

この研究では注意深い生態観察を続ける中で、皮膚に滲み出たミルクよりは、お尻のベントからミルクを分泌して、一種の授乳が行われている事を発見している。実際、子供はベントからミルクを飲むケースが圧倒的に多い。

このベントにつながるのが卵管で、授乳が必要な時期には乳腺のような上皮構造が発達し、ここに脂肪が存在することも確認している。

面白いのは授乳する1分前に子供が高い音を出して母親に知らせているようで、この音と母親の反応についてはまだメカニズムは明確になっていないが、哺乳動物で見られる母子間の相互作用に相当するものがすでに発達している。

最後に、ミルクの成分を調べると、49%がパルミチン酸、49%がステアリン酸で、長鎖脂肪酸がほとんどを占める。他にも上皮細胞が脱落したことによるタンパク質なども存在する。人間のミルクでは、32%がパルミチン酸、18%がスレアリン酸なので、十分以上にミルクとしての機能を果たせることがわかる。 以上が結果で、地球上にはいくらでも想像を超えた生物が生息している事を実感した。しかし、ジャングル歩きをしていて見つけたら、大きなミミズと間違うと思う。

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3月10日 細胞間相互作用のイベントリコーディング(3月6日 Nature オンライン掲載論文)

2024年3月10日
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細胞が経験した事象を生体内で記録するイベントレコーディングの方法開発が進んでいる。一つは刺激による転写変化を用いる方法で、古くは神経刺激による Fos などの一過性変化を用いて、パーマネントに細胞標識を行う方法だが、最近ではクリスパーを使って新たに細胞内に変異を蓄積してバーコードにする手法などがある。

今日紹介するロックフェラー大学からの論文は、酵素反応を用いて相互作用している細胞表面に標識を行う方法で、転写をイベントレコーディングのシグナルに用いる方法と比べ、既存のさまざまな技術を組み合わせることができる点で面白い方法だ。タイトルは「Universal recording of immune cell interactions in vivo(生体内免疫細胞間相互作用の普遍的レコーディング)」で、3月6日号 Nature にオンライン掲載された。

この方法は2018年に発表されており、その時は細胞表面の CD40L と CD40 の相互作用を記録するのに使われている。方法の原理だが、細胞表面に黄色ブドウ球菌由来の Sortase を発現させ、この細胞にビオチン化した LPTXTG分子を供給すると、オリゴグリシンを細胞膜上に発現する相手型の細胞をビオチン標識できるという、少しややこしい方法だ。最初の論文では CD40L に Sortase(SrtA) を結合させ、CD40 にオリゴグリシンを結合させる事で、両者が相互作用した時 CD40陽性相手方細胞をビオチンラベルできる事を示していた。

ただ、このようなあまりに分子特異的標識法では用途が限られるため、この研究では SrtA をそのまま細胞表面に発現させ、相手型は Thy1分子N末にオリゴグリシン(g5) を発現した人工分子を発現させることで、特定の細胞がどの標的細胞と反応しているのかを記録できるようにしている。

さまざまな基礎実験を行った上で、免疫系に絞って生体内での相互作用を調べている。

  • 卵白アルブミン特異的 T細胞表面に SrtA を発現させ腹腔注射し、抗原をロードした G5発現樹状細胞(DC)とリンパ節内で会合させ、ビオチン化 LPTXTG を注射すると、リンパ節の DC の6%ぐらいがラベルされる。この時 MHC-II をブロックするとラベルされないので、抗原ペプチド/ MHC を介して相互作用した DC を特異的にラベルできていることがわかる。
  • 次に Treg と反応する細胞を調べている。全身に G5-Thy1 を発現するマウスで、FoxP3-Cre で Treg 特異的に SrtA を発現させ、刺激なしにビオチン化LPTXTG を注射すると、予想通り Treg と相互作用している DC がラベルされる。そして、DC の中でも全身を移動している DC がラベルされることが明らかになった。ただヘルパーT細胞/DC相互作用と比べると、MHC-IIブロックの影響は大きくなく、Treg が MHC-II を介してだけでなく、他の分子を介して DC と相互作用していることがわかった。Treg刺激の抗原を特定するためには極めて重要な方法になると思う。
  • 次にB細胞に SrtA を発現させ、抗原刺激後の胚中心で B細胞と相互作用を行う T細胞を調べ CXCR5 と PD1 を強く発現した FH-T細胞だけがラベルされる事を示し、極めて特異的T/B相互作用を捉えられる事を示している。
  • リンパ球以外に SrtA を発現させる実験も可能だ。腸上皮と相互作用するリンパ球を、single cell RNA sequencing と組み合わせて調べている。腸上皮特異的に SrtA を発現させ、ビオチン化 LPTXTG を注射すると、その時腸上皮と相互作用していたリンパ球をラベルすることができる。こうしてラベルされた細胞を DNAバーコードをつけたビオチンに対する抗体と反応させる事で、相互作用がないためラベルされなかった細胞から区別した上で、腸内の全免疫細胞について single cell RNA sequencing を行い、腸上皮と相互作用していた細胞の遺伝子発現を調べると、Eカドヘリンと結合する αE/β7インテグリンを発現したT細胞が特異的にラベルできる事を示している。この結果は、将来の応用範囲の広さを感じさせる。たとえばガン組織に SrtA を発現させる事で、そこでがん細胞自体、あるいは環境細胞と相互作用するT 細胞を特定し、さらには 抗原受容体まで特定できる可能性がある。
  • 最後に、LCMウイルス特異的CD8 に SrtA を発現し、G5-Thy1 を発現したマウスに移植、そこに LCMウイルスを感染させるとともにビオチン化LPTXTG を注射して、ウイルス特異的T細胞と相互作用する細胞を調べている。結果、リンパ節では DC だけでなく、さまざまなタイプのマクロファージが相互作用している事、さらにリンパ節だけでなく、肺、肝臓など多くの組織でマクロファージとウイルス特異的CD8T細胞の相互作用が起こっている事を明らかにしている。

以上、詳しく紹介しても仕切れない量のデータだが、免疫系だけでなく、さまざまな細胞間相互作用を調べるのに重要なテクノロジーになる予感がする素晴らしい論文だった。

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3月9日 拡大する40Hzγ波パワーの応用研究(3月6日号 Science Translational Medicine 掲載論文)

2024年3月9日
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先週 40Hzの刺激を視覚・聴覚から導入して脳内に γ波を発生させることで、脳内 Glyjmphatic を介する脳脊髄液のドレーンが上昇し、アルツハイマー病などの神経変性が抑制されるという論文を紹介した。刺激の性質から当然神経がまず興奮して、それから様々な反応が進むと考えられるが、3月2日に紹介した研究では、刺激興奮した神経細胞から血管作動因子が分泌され、ドレーンを高めるという話だった。

ところが今日紹介するMITからの論文は、光と音を介する40Hzの刺激が脳細胞の遺伝子発現を変化させることで、化学療法に伴う脳変性を抑える働きがある事を示した研究で、3月6日 Science Translational Medicine に掲載された。タイトルは「Gamma entrainment using audiovisual stimuli alleviates chemobrain pathology and cognitive impairment induced by chemotherapy in mice(視覚・聴覚刺激を通して γ波同期を誘導することで化学療法後の病理反応や認知障害を抑えることができる)」だ。

アルツハイマー病の神経変性を抑えることができるなら、化学療法後に起こる神経変性にも効果があるのではないかという素朴な問いからこの研究は始まっている。

まずマウスに電極を装着して視覚、聴覚から40Hz刺激で同期した γ波を脳に発生させる事を確認した後、一般に白金製剤と呼ばれる抗ガン剤の一つシスプラチンを投与し、同時に γ波刺激を1日1時間、21日間続けている。

シスプラチンはDNAに結合して複製時にDNAが切断されるが、γH2AXに対する抗体で検出すると、切断部位が低下している。また傷害部位のミクログリア数の上昇やアストロサイトの活性化も抑えられる。

Single cell RNA sequencing でこの差の原因を調べると、もともとシスプラチンにより多くの遺伝子が変化するので評価は難しいのだが、特にミエリン鞘を形成するオリゴデンドロサイトで、ミトコンドリア代謝などに関わる遺伝子が上昇し、細胞死に関わる遺伝子は低下することがわかる。また、活性の変化が見られるミクログリアを調べると、シスプラチン抵抗性分子や翻訳に関わる分子が上昇、一方で自然炎症に関わる分子が減少している。

オリゴデンドロサイトで最も大きな変化が認められたことから、組織的に調べると、前駆細胞の増殖は見られないが、細胞死が抑えられるため減少程度が抑えられている。

このように神経変性、特にオリゴデンドロサイトが守られ脱髄が防がれる事で、さまざまな認知機能障害が抑制され、また不安神経症の発生も抑えられる。またこれらの改善は、シスプラチン投与と γ波刺激を行った後130日経っても見られる。特にシスプラチン投与を受けない正常レベルへの回復が γ波治療を行った群で著しく、臨床応用への期待が高まる。

一方で、シスプラチン投与後、脳の病理変化が固定されてしまうと、γ波刺激は脱髄も含めて病理学的変化をもとには戻せないが、ミクログリアの活性やアストロサイトの炎症性変化はもとに戻すことができ、問題を処理し解決する能力が回復する。

最後に、シスプラチン以外の抗ガン剤で同じ効果が見られるか、メトトレキセート投与と γ波刺激を行った後、組織学的、認知行動学的解析を行い、オリゴデンドロサイトの減少が防がれ、ミクログリアやアストロサイトの炎症性変化が抑えられる事を示している。

結果は以上で、全てマウスの実験だが、すでに γ波刺激は治験が進んでおり、安全性も確認されているので、特に小児の化学療法時に問題になる脳への副作用を抑えるための治験も進めてほしいと思う。何か急速に γ波刺激両方が拡大してきている印象がある。

ついでに老化による変性にも効くかも知りたい。

カテゴリ:論文ウォッチ
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