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6月30日 新型コロナウイルスを発見するマスク(6月28日 Nature Biotechnology オンライン掲載論文)

2021年6月30日

ちょうど1年前、中谷医工計測技術振興財団の理事会で、我が国の新型コロナ研究の緊急助成を提案したら、承認いただき、最終的に45人の研究者に200万円−600万円の助成を行うことができた。最初、本当に応募する研究者がいるのかについても心配したが、短い公募期間にもかかわらず多くの方に応募いただいた。

このようなテーマが決まった助成審査の場合、一番ワクワクするのは申請書を読むときだ。どれだけ常識を超えた、ぶっ飛んだ申請が出てくるのかと期待して読み始める。特に今回は世界が苦しんでいる感染症だ。しかし、期待は裏切られ、読み終わったとき、正直完全にガッカリしてしまった。すなわち、1人でも常識外れの研究者が出ればと期待した今回の努力も、残念ながら普通の研究助成に終わってしまったことを実感した。

このときぶっ飛んだ申請として頭に描いたのは、例えば全く新しい技術の開発といったものではない。短期間に仕上げる必要があることから、既存の技術をいかに新型コロナ向に仕上げるかというアイデアの競争になる。

あれから1年経ったが、今日紹介するMITからの論文は、ウイルス検出システムを組み込んだマスクの開発で、一見馬鹿げて聞こえるが、なんでもやってみるという意味では感心する研究だと思う。タイトルは「Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection(生体分子検出のための合成生物学的バイオセンサーを組み込んだ、ウエアラブル素材)」だ。

このグループの目的は試験管内用に設計された生体分子検出反応システムを、ウエアラブルにして、体内、体外からの分子を検出できるようにするユニバーサルなシステムの開発で、技術自体に目新しいものはない。

しかし、現在利用できる様々な技術についての広い知識と、実際の使用状況想定したシステム開発についてのアイデアが必要で、この研究では、

  1. 全ての反応液が凍結乾燥され、ウエアラブルのプラスティックレイヤーにはめ込んだ反応システムを用いて、チェンバーに入ってくる飛沫内の分子を検出するようにしている。
  2. 最も重要なのは、一旦反応が始まった後、多くの水分で薄まりすぎたり、逆に乾いてしまわない工夫で、最終的に1時間の乾燥により失われる水分が20%以下になるように設計している。
  3. 基本的には、反応が始まると、DNAが転写される過程、転写されたRNAが翻訳される過程を、様々な分子で調節可能にして、チェンバーに入ってきた標的分子を検出できるようにしている。
  4. これまでの研究で、Toehold法や、リボスイッチなどのRNA テクノロジーを用いて、タンパク質から核酸まで多くの標的を検査可能にしている。
  5. それぞれのチェンバーにオプティックファイバーを設置して、蛍光などの分子も検出できるようにしている。
  6. そして圧巻は、以前紹介したCas12などの1本鎖を切断するクリスパーシステムを用いたSHERLOCK((https://aasj.jp/news/watch/14464)を組み込んで、RNA調整から反応までの全てをマスクに組み込んで、体外からあるいは体内からの新型コロナウイルスを、高感度で検出できるシステムを作り上げている。おそらく、抗原検査も同じプラットフォームで可能なら、もっと簡便なウイルス検出システムも可能かもしれない。

以上が結果で、ジャケットからマスクまで、全て実際に完成品を仕上げている。またマスクにより100万粒子が検出できることを示して、現実性があることを強調しているが、個人的には、ぶっ飛んだとまではいかないが、マスクでウイルスを検出しようとしたことを評価したい。

このような話を紹介すると、費用はどうか、現行の方法が優れているとか、評価は慎重になどとアドバイスする、したり顔の専門家が必ず出てくる。しかし、馬鹿げていると思えることにチャレンジすることが重要で、意味があるかどうかなど後から議論すればいい。したり顔は、一般の人に対する説教にはいいが、若い研究者には似合わない。何でもやってみよう。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月29日 自己と他を区別する脳回路の操作(7月21日号 Neuron 掲載論文)

2021年6月29日

通信や交通技術の進展で、個人にとって「他」の領域が急速に拡大した。例えば小さな集団で暮らしていたときは、協力するにも、競争するにも、数人の「他」に向き合うだけでよかった。しかし、今や自分自身と関わりのある「他」の数と多様性は想像を絶する。その結果か、現在はなるべく目立たないで、他人と同じ方がいいと考える同調社会化が進んでいるようだ。

今日紹介するオックスフォード大学からの論文は、自分の評価と、他人の評価が影響し合う時の脳回路での左背内側前頭前野の役割を、人間の脳を頭蓋外から刺激する方法で調べた研究で7月21日号のNeuronに掲載予定だ。タイトルは「Causal manipulation of self-other mergence in the dorsomedial prefrontal cortex(左背内側前頭前野での自己と他の結合操作)」

この研究では、自分の成績と、他人の成績を評価する時、社会的コンテクストが入ってくると評価が変化する脳回路を研究している。わかりやすくいうと、例えば競争している時、自分の点数がいいと、他人の評価はより低く見積もってしまうが、逆に協力し合っているときは、同じパーフォーマンスでも、他人の評価を高く見積もる傾向がある。

この、自己・他人結合現象(Self-other mergence:SOM)に、左背内側前頭前野(dmPFC)が関わることが以前から知られていたようで、この研究では最初からSOMとdmPFC活動との因果関係を調べることに焦点を絞っている。

実験では、他人と一緒に同じミニゲームを繰り返し行ってもらい、ゲームの終わるたびに自分と他人の結果を15点評価でフィードバックしてもらって、それぞれの成績を頭に入れる。その上で、自分のパーフォーマンスと、他人のパーフォーマンスを評価するのだが、この時他と競争している状況では、期待どおり、自分の評価が高いと、他人の評価を低めに見積もる。一方、協力作業の場合は、他人の評価を高めに見積もる、すなわち頼ろうとする傾向が出る。要するに、社会的状況によって、自分と他人の区別が混乱することになる。(実際には個人差が大きく私には理解し難いところもあるが、言われてみると納得すると言った感じだ)。

詳細は省くが、このSOM課題を行なっているときに活動する脳の領域を特定しており、これまで社会性に関わることがわかっている領域が、自分と他人を比べるときに活性化される。ところが、被験者のdmPFCに50Hzのθ波を照射してこの領域の活動を抑えると、社会性に関わるネットワークの活動が低下する。これと同時に、他人の評価が自分の評価により影響されるようになり、SOM行動が高まる。

少しわかりにくかったかもしれないが、要するにdmPFCは自分と他人を正確に評価して、自己と他の区別を維持できるように働いているが、この領域の活動が低下すると、これが犯され、自分と他の区別がボケて、他人の評価が狂ってくるという話になる。

これまで論文を読んだことがなかった分野だが、人間で、このレベルの行動、脳活動記録、そして脳操作の研究が着々と進んでいることに感心した。現在、同調社会化が進み、自己主張が無くなっていると言われているが、dmPFCを刺激して、これがどう変化するのか是非知りたいと思った。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月28日 渡り鳥のコンパス分子:地磁気は目で感じる?(6月23日 Nature オンライン掲載論文)

2021年6月28日

様々な生物が地磁気を感じて活動している現象は数多く知られている。ただ、バクテリアで発見されたマグネトソームの様な、私たちが磁石として思い描く地磁気を認識する構造が存在するのは例外で、これが感覚として認識する高等動物のシステムは解明が進んでいない。

今日紹介するオックスフォード大学とドイツオルデンブルグ大学から共同で発表された論文は、鳥の網膜に存在する青い光を感じる色素が、光に反応して+とーのラジカル対を形成して、これが地磁気により影響され、色素の活性を変化させることが磁覚のメカニズムである可能性を示した研究で6月23日Nature にオンライン掲載された。タイトルは「Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird (渡鳥のcryptochrome4が示す磁気感受性)」だ。

+/―のラディカル対が形成されて、これが地磁気の方向性のセンサーとして利用されるという考えは、以前から提案されていた。ただ、これを可能にするには、まずラジカル対を形成する分子の特定、またラジカル対が地磁気に影響された結果を感知するセンサー分子が必要になる。

この研究では、渡り鳥の網膜に存在し、青い光に反応する光感受性タンパク質、クリプトクロームが、ラジカル対形成と、ラジカル対に対する地磁気を感知の両方に働くのではと着想し、あとは極めてプロフェッショナルな生物物理学的解析を進めている。私自身にとっても、こんな方法で実験するのかと、全て初めて知る方法で、感心するばかりだった。

まず大事なのは、クリプトクロームを大量に調整することだ。具体的には大腸菌の遺伝子発現系を用いて純粋な肉眼で黄色いクリプトクロームを調整している。そして、クリプトクローム中のトリプトファンが、光を感受したとき、分子内のトリプトファンからトリプトファンへと電子を伝達することで、ほんの一瞬だがラジカル対が形成されることを、磁気共鳴や分光光学的手法を用いて確認している(この辺りの技術について評価する知識はない)。また、分子内のトリプトファンを、フェニルアラニンに変化させる変異体を用いて、ラジカル対の形成がトリプトファン間の電子伝達で形成されることを確認している。

この電子伝達システムは最終的にフラビンアデニンディヌクレオチド(FAD)に受け渡されるが、FADのスペクトラム、およびクリプトクローム中のトリプトファンラジカルを分光工学的に測定することで、このラジカル対形成反応が時期により影響されるか調べ、この分子自体の光センサーとしての機能が、内在するラディカル対の影響で変化して、磁気センサーとしても使えることを明らかにしている。

そして、渡りの習性がないハトやニワトリからも、クリプトクロームを精製し同じ様に調べることで、ラジカル対を形成して磁気により機能が変化するという渡り鳥のクリプトクロームの性質が、ハトやニワトリには存在しないことを明らかにしている。すなわち、渡りが進化する過程で、クリプトクロームが磁気センサーとしても働く様に進化したことがうかがえる。

ただほとんどの実験が、強い磁気条件で行われていることから、実際にずっと低い磁気をこのシステムが感じることができるか、磁気の影響が高まった変異体の結果などを元に、理論的にその可能性を探っているが、詳細は割愛する。

以上、方法論などは別にして、地磁気を感じるシステムが、分子内に短時間だけ形成されるラジカル対を基盤に可能であることが私にも理解できた。もちろん、これは可能性の話で、

  • この分子を操作することで方向音痴になるか、
  • 時期の影響で現れる光センサーの機能変化が、感覚として受容されるか、
  • 受容されたとして、どう脳に伝えられるのか、

など多くの問題が残っている。ロマンあふれた研究分野だが先は長い。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月27日 代謝を改善するファイバースナックの開発(6月23日 Nature オンライン掲載論文)

2021年6月27日

「代謝を改善するファイバースナックの開発」などと書くと、世界中の食品メーカーが開発にしのぎを削っている話で、Natureに掲載される様な研究には当たらないのではないかと思ってしまう。しかし、一つの標的分子を狙う薬理学と異なり、様々な因子が長期間にわたって絡み合う栄養学は全く新しい手法が要求される、まさに21世紀の研究分野だと言える。そして、これを理解したトップジャーナルが、自ら新しい栄養学を育てるべきだと考え、新しい栄養学の論文を掲載し始めている。その一つの例が、先日紹介したScienceに掲載された乳児の炎症を抑えるビフィズス菌についての論文で、新しい栄養学での科学的因果性のレベルを示した研究だ。

今日紹介する腸内細菌叢と代謝についての研究の第一人者Jeffery Gordon研究室からの論文は、人間の代謝の変化を促す植物繊維プレバイオの研究とはどうあるべきかを世に問う研究で、6月23日Natureにオンライン掲載された。タイトルは「Evaluating microbiome-directed fibre snacks in gnotobiotic mice and humans(腸内細菌叢をターゲットにしたファイバースナックを、便移植された無菌マウスと人間で調べる)」だ。

Gordonさんの膨大な数の論文の中でも、2013年に発表された論文は、その徹底性に驚いた。研究は、肥満の一つの要因に細菌叢があることを示す目的で、肥満の人の便をマウスに移植する研究だが、なんと遺伝要因を一定にするため、一卵性双生児で片方だけが肥満というケースを選び出し、細菌叢の違いだけで説明できる肥満要因があることを見事に示した研究だ(https://aasj.jp/news/watch/424

その後この研究は発展して、肥満を誘導する食事で減少しているBacteroidesを中心とする細菌叢が増えることで肥満が防げること、植物繊維の投与で、高脂肪食でもBacteroidesを増加させられることがわかっていた。

この研究は、これまでの研究をさらに進めて、高脂肪食により維持されるヒト肥満型腸内細菌叢を、正常型細菌叢に変化させるための植物繊維スナックを、その効果を科学的に検証しながら開発しようとした前臨床研究、第1相治験と位置付けられる研究だ。

まず最初に、肥満の人由来の細菌叢を移植し、高脂肪食を与え続けた無菌マウスに、豆の胚乳部分、オレンジ、および麦ぬかから調整した植物繊維を投与し、細菌叢の変化、細菌叢による植物繊維代謝酵素の変化を調べ、それぞれの植物繊維により誘導されるBacteroidesの種類が異なり、その結果、細菌叢全体の植物繊維処理能力が変化することを明らかにしている。

この結果を受けて、ヒト便を移植したマウスで最も多くの変化を誘導できた豆の胚乳由来の繊維を高脂肪食とともに3週間摂取したボランティア(治験1)、最初に豆胚乳+イヌリン、その後、豆胚乳、オレンジ、そして麦ぬかの3種類の繊維とともに、イヌリンを加えた植物繊維を間隔を開けて摂取させ(治験2)、それぞれの植物繊維の効果を、細菌叢に認められる植物繊維処理酵素の変化、そして1000種類にお及ぶ血中タンパク質の変化で評価している。

これまで、この様な研究は細菌叢の変化を示して終わっていた。これに対し、この研究では細菌叢の変化が、様々な炭水化物処理酵素の誘導にどう関わっているのか、そしてそれが血中のサイトカインや代謝に関わる分子の変化にどうつながるのか、膨大なデータの中から相関を調べ、スナック効果の因果性を特定しようと努力している。

詳細を省いて結論と意義をまとめると以下の様になる。

  • それぞれの植物繊維は、異なる炭水化物処理酵素を誘導する。ただ、豆胚乳の繊維が最も効果が大きい。
  • 豆胚乳、オレンジ、麦ぬかを混合した場合は、さらに広い処理酵素を強く誘導することができる。
  • この程度の摂取期間では体重などの変化はない。
  • こうして誘導された炭水化物処理酵素と、血中タンパク質とは相関が認められる。例えば、アラビナーゼ活性をしめすGH43_3は、グルコース代謝に関わる様々な血中タンパク質と相関する。また、4種類混合を投与したとき強く誘導されるGH_3は免疫システムに関わる分子と相関することを示している。
  • また、ここの炭水化物代謝系との相関はなくても、例えば4種類混合植物繊維は、FGF2,

TYK2, CXCL1などの肥満に関わるサイトカインを誘導することも示している。

以上が結果で、まだ長期効果は示されていないため、最終判断はできないが、このレベルでテストされた食品が出てくると、宣伝だけで乗り切るという今の食品開発はほぼ壊滅する様な気がする。ぜひ21世紀の栄養学をリードできる人が日本でも出てほしいと思う。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月26日 MECP2研究の新時代が来た(6月25日 Science 掲載論文)

2021年6月26日

レット症候群やMECP2重複症の原因遺伝子MECP2については、これまでも特に重点的に論文を紹介してきた。ただ、ゲノム状に散らばるメチル化DNAに結合するタンパク質が、ある意味で特異的な症状を誘導できるメカニズムについては、ほとんど表面的にしか理解できなかった。

ところが今日紹介するフランス ストラスブール大学およびグルノーブル大学から、昨日発行のScienceに掲載された論文を読んで、明らかにこの分野に新時代が訪れ、新しい発想でMECP2の遺伝子変異による病気のメカニズムが解明されるという大きな期待を抱いた。タイトルは「MeCP2 is a microsatellite binding protein that protects CA repeats from nucleosome invasion(MECP2はマイクロサテライト結合タンパク質でCAリピートがヌクレオソームに侵入されるのを守っている)」だ。

メチル化DNAに結合して遺伝子発現に関わると聞くと、どうしてもメチル化したCpG(CG)リピートに結合すると思ってしまうが、それ以外のシトシンもメチル化される。この研究では、MeCP2がCGではなく、マイクロサテライトに見られるCAリピートと結合するのではと仮説を立て、CAリピートが7回つながったDNAに結合するタンパク質を精製する生化学的手法を用いて、MECP2がCAリピート中のメチル化されたCA、特にhydroxymethyl-CAに高い親和性を持っていることを明らかにしている。また、このメチル化にはCGメチル化にも関わるDNMT3が関わっていることも明らかにしている。

さらに、MECP2とCAリピートの構造解析を行い、hydrooxymethyl-Cと結合するMECP2中のアミノ酸を特定し、レット症候群の変異がこの部位に集中する理由も明らかにしている。

この様にMECP2が結合する分子を明らかにした上で、様々な方法で分子機能を解析している。この部分は、まさにプロの研究で、専門でないと理解しづらいと思うが、1)MECP2結合領域の特徴についての解析、2)MECP2が強く関与する脳神経細胞の遺伝子解析、3)そしてMECP2結合サイトと染色体の高次構造との関係の解析、4)MECP2ノックアウト細胞での染色体構造の変化の解析、などを組み合わせた膨大な結果が示されている。

この詳細を省くと結論は簡単で、MECP2はCAリピート中のメチル化シトシン、特にhydoroxymethl-シトシンと結合し、CAリピートが存在するマイクロサテライトがヒストンと結合してヌクレオゾームに包まれる過程を抑制していることが示された。

もともと、CAリピートを持つマイクロサテライトは、ヌクレオソームに包まれる過程に抵抗性があることが知られていたが、まさにこの過程にMECP2が関わるという結論だ。このクロマチンレベルの変化により生じる異常については、議論はされているが、今後の問題になるだろう。しかし、レット症候群やMECP2重複症について、もう一度新しい視点で見直すことが必至となった。個人的感想でしかないが、新しい時代が来たことを告げる論文だった。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月25日 土壌から見るデニソーワ洞窟の歴史(6月23日 Nature オンライン掲載論文)

2021年6月25日

これまで何度かアルタイ山脈にあるデニソーワ洞窟についての研究を紹介してきた。この洞窟からは、その名前の由来となったデニソーワ人のDNAが発見されただけでなく、ネアンデルタール人から現代人まで、様々な人類の骨が発見されている。しかも、ネアンデルタール人とデニソーワ人からできた子供の骨まで発見されているため、この洞窟をめぐって様々なドラマがあったと想像され、研究が進んできた。

そしてこれまでの研究をさらに前進させるメソードの革新として、ライプツィヒ・マックスプランク進化人類学研究所が2017年に発表した土壌に埋もれているDNA拾い出して、そこに生活した人類や動物を特定する技術が開発され、骨の発見されていない洞窟でも、そこに住んでいた人類を特定できることが示されたのは本年4月のことだった(https://aasj.jp/news/watch/15388)。

そして6月23日、同じマックスプランク進化人類学の研究者たちは、この技術をデニソーワ洞窟の様々な場所に適用して、そこで行われた人類のドラマを発掘した研究をNatureにオンライン出版した。タイトルは「Pleistocene sediment DNA reveals hominin and faunal turnovers at Denisova Cave(更新世の土壌に沈殿したDNAはデニソーワ洞窟の人類と動物層の変遷を明らかにする)」だ。

現在考古学的に100点がつくのは、石器などの考古学的遺物とともに、人骨、動物の骨が出土し、そこからDNAも完全に解読できることだろう。ただ、ほとんどの場合はそうは行かない。そこで、土壌DNA分析法の登場だが、この論文はこの技術が、手作りのパイロット研究の段階から、自動的・系統的方法へと変化していることがよくわかる。この研究のハイライトは、おそらくこのテクノロジーが成熟し、系統的に応用できる時代が来たということだろう。

まず、洞窟の様々な場所と地層を10−15cm画に分画して、なんと728箇所から系統的に土壌を取り出し、それを自動化した方法で処理することで、人類や哺乳動物の古代DNAを採取し、解読することに成功している。書いてしまうと簡単だが、これは途方もない努力で、論文の大半は、解析結果の妥当性を示すために費やされていると言っていい。

前回核DNAも解析可能と紹介したが、この研究で解析したのはミトコンドリアDNAで、場合によっては現在のDNAの混入を除外するため、脱アミノ酸化されたDNAだけに絞って、解析を行うことも行い、大体25万年前から、3万年までの洞窟の人類史をできるだけ正確に解読しようとしている。

結果、これまで通りこの洞窟は、25万年前、まずデニソーワ人が住み着き、その後20万年ごろからネアンデルタール人とデニソーワ人が入れ替わりながら生活する時代があり、14万年ごろ一時ネアンデルタール人だけが占拠した後、6万年前後には両者が入れかわりながら生活する短い時期の後、最後はネアンデルタール人、そして現代人と変化していることが明らかになっ

さらに、デニソーワ人、ネアンデルタール人も、これまで骨由来のDNAから明らかになった以上に多様な人類がそれぞれの時代で変遷しており、これまで知られていないネアンデルタール人のミトコンドリアまで発見されている。

この方法を用いると、人類に限らず様々な哺乳動物のDNAも発掘できる。人類のDNA が見つからない時代からクマのDNAは存在しており、その後クマ、ハイエナ、牛、馬、犬、そしてマンモスだけではなく、ラクダまでDNA が見つかっている。この動物DNAの存在と人類との関係はこれだけからはわからないが、今後洞の歴史を調べていくための切り札になる様に感じる。

素人の頭で理解できるのはこの程度だが、ともかく土壌のDNAでここまでのことがわかることに感動してしまう。前にも述べたが、DNAは周りの鉱物と反応して広く拡散するものではない様だが、それ以外の浸潤方法はないのかなど、これからさらなる検討が必要になる様に思う。でないと、他の手段で検証できない場合、想像力が事実を凌駕する心配があるが、期待は大きい。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月24日 クシャミの神経回路(7月8日号 Cell 掲載論文)

2021年6月24日

新型コロナ禍が始まってから、人前での咳やクシャミは憚られる。実際コンサートでも、これまで楽章の間には必ず咳払いの音が聞こえたのに、今やほとんど聞かれなくなった。ただ、最近は少し聞こえる様になってきたので、気の緩みが出ているのかもしれない。

この厄介なクシャミは鼻からの感覚刺激により誘導される反射で、比較的単純な神経回路だと想像できるが、医学的にも重要視されていなかったのか、全容は解明されていなかった様だ。今日紹介するワシントン大学からの論文は、クシャミを誘導する刺激の入り口から、運動反射に繋がる神経まで、オーソドックスな方法で回路を特定した研究で、最新のテクノロジーを用いた複雑な研究が多い中で、比較的地味な研究だが、アプローチは論理的で、7月8日号のCellに掲載された。タイトルは「Sneezing reflex is mediated by a peptidergic pathway from nose to brainstem(クシャミ反射は鼻から脳幹へのペプチド作動性神経回路により媒介されている)」だ。

要するに入り口から出口まで、神経を辿っていけばいいわけだが、クシャミと言っても最初の感覚細胞が何なのか特定されているわけではない。私の様な素人は、コヨリで鼻をくすぐると言った機械刺激をすぐに考えてしまうが、さすがはプロで、痛み刺激物質カプサイシンがクシャミを誘導するというこれまでの報告をもとに、カプサイシンを刺激に用いている。この結果、最初の感覚細胞はカプサイシンに反応するTrpv1陽性細胞に絞ることができる。

この研究のもう一つの特徴は、カプサイシンエアロゾルを噴霧することで、自由に動き回っているマウスにクシャミを誘導できる様にし、音の録音まで動員してクシャミ反応を特定している。その上で、Trpv1刺激により、確かにクシャミ反射が誘導できることを確認している。

刺激の入り口がTrpv1細胞と特定できると、この細胞が発現して、次の神経伝達に関わる因子を特定することになる。Single cellレベルのPCRを用いて、Trpv1陽性細胞での様々な神経伝達因子の発現を調べ、いくつかの候補遺伝子をTrpv1発現細胞でノックアウトする実験を行い、最終的にNeuromedinがTrpv1神経が発現し、クシャミ反射に関わる分子であることを特定する、

次に、Trpv1神経細胞が投射する三叉神経節で、neuromedinに反応するポストシナプス神経細胞の特定にかかっている。まずカプサイシン刺激で興奮してc-fosを発現する三叉神経節の細胞を特定し、この細胞がneuromedin受容体を発現し、これを除去すると、クシャミ反応が消失することを確認している。

こうしてTrpv1と結合する、クシャミ回路の次の細胞が特定できたので、今度はneuromedin受容体を発現している三叉神経節細胞を標識し、この細胞が脳幹の呼吸調節に関わる神経節神経に投射していること、そして電気生理学的手法を用いて、この神経細胞がカプサイシンによる刺激により興奮することを確認している。

研究はここまでで、運動反射が起こるまでの求心回路の全貌が明らかにされたと結論できる。確かに研究自体に華やかさはないが、この回路の神経伝達物質が明らかになったことは、クシャミを抑えることが要求されるパンデミックの現在には朗報といえるだろう。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月23日 マクロファージをリプログラムする仕組み(6月18日号 Science 掲載論文)

2021年6月23日

これまで2日間にわたって、マクロファージ、特に組織内で維持されているマクロファージの最新研究について紹介してきた。このように、同じマクロファージと言っても、何種類もの特異的なサブセットへ分化できるのがマクロファージの面白さで、しかも組織や刺激に応じて、この分化が起こる。最も典型的な例は、今回新型コロナウイルス感染への抵抗力として一時話題になった、BCG摂取による免疫トレーニングの話だろう。これはワクチンと違い抗原特異性はない。ただ、バクテリア刺激により、マクロファージが記憶を獲得し、これが次の感染時に強い反応を誘導するのに役立つという話だ。 専門的には、マクロファージなどのエピジェネティックなリプログラムが起こったことを示している。

今日紹介するUCLAからの論文は、マクロファージのリプログラム、すなわち染色体構造変化を誘導するための条件について調べた面白い研究で、6月18日号のScienceに掲載された。タイトルは「NF-kBダイナミックスがマクロファージのエピジェネティックリプログラミングを誘導する刺激の特異性を決めている」」だ。

炎症に関わる最も重要な転写因子の一つがNF-kBで、炎症に関わるサイトカインやケモカイン、そして2日前に話題にしたMMPタンパク分解酵素などがこの転写因子の支配下にある。従って、エピジェネティックなリプログラミングが起こる時も、当然NF-kB結合サイトの染色体構造変化起こると考えられる。

この研究では骨髄マクロファージを様々な炎症刺激物質で刺激後、HeK4me1結合ゲノム領域の変化を調べ、刺激により染色体構造が開いた結果現れてくるNF-kB結合領域1000個ほど特定している。面白いことに、これらの染色体変化はNF-kBの活性を変化させるだけでは影響をあまり受けない。すなわち、多くは染色体で閉ざされており、染色体のリプログラムにはシグナルが弱いと考えられる。そこで着想したのが、NF-kB活性が周期的に変化するという事実で、この周期的活動が染色体構造の変化を調節しているのではないかと考えている。

そこでNF-kBによる転写の様子が見れるようにした細胞を用いて、single cellレベルで転写を見ると、時間単位で振動を繰り返していることが明らかになった。この一つの原因は、NF-kBの核内以降を調節するIkB自体もNF-kBの支配下にあるためと考えられる。そして、染色体の変化と、NF-kBの周期的活性化とが逆の相関を持つことを発見する。

この結果を確かめるため、IkBが欠損して(普通はノックアウトすると生存できないので、TNFを発現させるトリックで、新生児時期を乗り越えられるように細工している)振動が無くなったマウス由来のマクロファージを用いて、刺激後ATAC-seq やH3K4me1を指標に染色体の開き具合を調べると、期待通り振動が無くなったマクロファージで染色体が開いて、リプログラムが起こっていることを示している。また、この変化は反応性の記憶として維持され、次の刺激がきたときに、さらに高い遺伝子発現が起こることを示している。

結果は以上で、NF-kBを活性化するシグナルが入ってもIkBが誘導されNF-kB活性の振動が起こることで、エピジェネティックなリプログラミングが抑制されているが、おそらく強い刺激や他の転写因子の参加によって振動が抑制されると、リプログラミングによる記憶(あるいはトレーニング)が成立すると考えられる。

これまで、NF-kB活性が振動することは知られていたが、振動と遺伝子発現はあまり相関がなかった。この研究の結果、振動がエピジェネティックな変化を抑える役割を持つことが示唆されたことで、炎症の記憶についての研究が一歩先に進んだと思う。面白い論文だったが、マクロファージひとつとっても奥が深い。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月22日 気になる新型コロナウイルスの統計:子供の誕生日は感染危険日(6月21日 JAMA Internal Medicine オンライン掲載論文)

2021年6月22日

新型コロナに関わらず、飛沫で感染する全ての感染症は、人が集まって楽しむ機会に感染機会が高まる。この警告は、この1年何度も繰り返し繰り返し発せられてきたにも関わらず、完全な行動変容を促すことがいかに難しいかを示す統計が、6月21日ハーバード大学からJAMA Internal medicineに発表された。タイトルは「Assessing the Association Between Social Gatherings and COVID-19 Risk Using Birthdays(誕生日を例に集会とCovid-19リスクの関連を検定する)」だ。

このグループは、ソーシャルディスタンシングの警告が発せられている時でも、それが守られない機会として誕生日があるのではないかと着想した。もし誕生日に、お誕生会や、誕生パーティーが行われれば、当然感染機会が増える。

これを調べるため、260万家族の医療保険記録を精査し、2週間以内前に家族の誰かが誕生日を迎えていた時期とそれ以外の時期に分けて、それぞれの家族でのCovid-19発症を調べている。もちろん、地域や時期により感染状況は異なるため、感染状況を10段階にわけ、それぞれの状況で、誕生日により感染数が上昇するか調べている。

結果は明瞭で、最も感染状況が悪化している時、誕生日から2週間以内での感染数は、それ以外の週と比べて31%増加する。さらに面白いことに、誕生日が児童の場合と成人の場合を比べると、児童の誕生日だった場合10万人あたり15.8人増加したのに対し、成人の誕生日だった場合は5.8人の増加で止まっている。

要するに、パンデミックの中でも、子供の誕生会が行われ、これが感染者を増やす原因になっているという結論だ。

最もわかりやすい状況を取り上げ、具体的な結果を示すことで、注意を促す、納得の論文だと思う。

カテゴリ:論文ウォッチ

6月22日 ガンを助けるマクロファージ(6月16日 Nature オンライン掲載論文)

2021年6月22日

昨日、CSF1Rシグナル阻害により組織中のマクロファージを除去して、ガンの免疫を高める方法が治験段階にあり、その副作用としての浮腫が問題になっていることを紹介したが、実際にはマクロファージにも様々あり、単純な話ではない。私の理解では、いわゆる組織に居ついているtissue resident macrophage(TRM)がCSF1Rシグナル依存性だと思っているが、CSF1R阻害で期待できる効果はガンや組織によって大きく違っていると思う。そこで、この複雑性を知ってもらう目的には格好の論文を今日は紹介して、昨日の論文紹介をサポートすることにした。

論文のタイトルは「Tissue-resident macrophages provide a pro-tumorigenic niche to early NSCLC cells(組織常在マクロファージは初期の非小細胞性肺ガンの増殖を助けるニッチを形成している)」で、6月16日Natureにオンライン掲載された。

もともと肺には様々なマクロファージが存在しており、炎症の主役になっている。この研究ではそこに発生する非小細胞性肺ガン(NSCLC)に集まるマクロファージの種類を特定することから始めている。そして、マクロファージと言っても単一ではなく、なんと遺伝子発現プロファイルが全く異なる4種類のマクロファージが特定できることを発見する。また、マウス静脈にNSCLCを注射して移植した肺転移ガンでも、ほとんど同じ4種類のマクロファージが特定できることを確認する。

マウスで特定できた結果、どのタイプが血液幹細胞から常に供給されているマクロファージで、どのタイプが組織内で増殖しているTRMであるかを実験的に調べることができる。完全に人間と同じかはもちろん検証が必要だが、細胞の系列追跡実験から、TRMは、遺伝子発現からType Iと名付けた集団であることを特定する。

発現マーカーを使って、肺へ腫瘍が移行した後の腫瘍とTRMとの関係を見ると、最初入り混じって存在していた両者が、ガンを中心に、TRMを外側に配置した組織構造をとることを示し、両者が密接に相互作用をしていることを示している。

この相互作用の効果を調べる目的で、ガンのオルガノイド培養を行い、そこにTRM、あるいは骨髄由来マクロファージを加える実験を行うと、TRMを加えたときにのみ、腫瘍の上皮間葉転換がおこり、ガン細胞の遊走が高まることを示している。

最後に、TRMのみをジフテリアトキシンで殺す方法を用いて、NSCLCを移植したマウスのTRMを除く実験を行い、これによりCD8キラー細胞の浸潤が高まり、一方で抑制性T細胞の誘導が抑えられ、腫瘍縮小を促進することを示している。

この結果を裏返せば、TRMは、ガンへ働きかけて、悪性度を高めるとともに、免疫システムを抑えることでも、ガンを助けるという厄介な細胞であることを意味している。この研究では、TRMをCSF1R阻害で除去できるかどうかは示していないが、読者も、この細胞を除去することの重要性を理解してもらったのではと思う。

ではなぜこんな厄介な細胞を私たちが抱えているのかだが、昨日紹介した副作用からもわかるように、正常の組織維持に大きな役割を果たしている。皮肉なことだが、CSF1R阻害治療が進むことで、副作用を通して、TRMの機能の理解も進むと期待している。医学とはそういうものだ。

カテゴリ:論文ウォッチ
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