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。

ガンの免疫療法の進歩は著しく、患者の立場から考えるとどの方法を選べばいいのか迷うのではと心配になる。おそらくどこかに収束するとは思うが、患者一人一人に対応しつつ、一方でできるだけ多くの患者さんに利用できる技術が一つの方向性になると思う。

免疫療法ではこれを実現しているのが CAR-T 治療で、多くの患者さんのガンで発現している抗原に対する抗体を T細胞の抗原受容体 (TcR) とキメラにして T細胞に導入し、ガンのキラー細胞として使う方法だ。ただこの方法のネックは、正常細胞では発現していないガン特異的表面抗原が限られていることだ。

これを克服する一つの方法は、組織適合抗原 HLA と結合したペプチドという TcR 本来の抗原を標的にすることだが、なかなか成功を収めていない。そこで、TcR の代わりに同じ HLA/抗原ペプチドを認識する抗体を作成して利用できないか試みが続いている。

今日紹介するリジェネロン社からの論文は、リジェネロンで蓄積されてきた抗体作成技術の粋を利用してガンで発現する胎児抗原をはじめとする様々な分子と HLA が結合した抗原に対する抗体を作成する方法の開発と、それを用いた CAR-T 作成についての研究で、３月２６日 Science Translational Medicine に掲載された。タイトルは「CAR T cells based on fully human T cell receptor–mimetic antibodies exhibit potent antitumor activity in vivo（完全に人間の T細胞受容体を擬した抗体による抗ガン活性）」だ。

TcR が認識できる抗原に標的を拡大すると細胞内で発現する分子を標的として使える。この研究ではメラノーマ関連分子の一つ MAFGE-4 を標的として、この分子由来のペプチドが様々なガンでかなりの割合で発現していることを確認した後、最も頻度の高い HLA-A02 に MAGE4 が提示されるときのペプチドを質量分析で特定し、これを抗原として HLA/ぺプチドに対する特異的抗体を作成している。

これに用いられたのが、コロナの抗体薬開発にも用いられた免疫グロブリン遺伝子が人の遺伝子に置き換えられたヒト型免疫マウスで、さらに HLA を標的にした抗体が誘導されないように、HLA-A02 遺伝子をヒト型免疫マウスに導入し、HLA/ペプチドに特異的抗体が誘導できるように工夫している。

また、抗原として HLA とペプチドを結合させて抗原性を示す分子に、さらに HL-DR に結合するペプチドを加えて、免疫反応が起こりやすくして免疫を行っている。この結果、免疫されたマウスではほとんど特異的な反応だけが誘導され、その中から親和性の高い抗体を選んでいる。

あとは、この抗体が正常細胞には結合しないことなどを確認した後、この抗体を用いて CAR-T を作成し、マウスモデルで腫瘍を除去できるか調べている。いくつかのコンストラクトの中から CD28 をキメラ分子に組み込んだ CAR-T が最も強い反応を示し、ガンをほぼ完全に除去できることを確認している。さらにこのような HLA/ペプチド特異的な抗体を、変異型 KRAS 由来ペプチドや、他のガン特異的胎児抗原でも誘導できることも示している。

この方法の将来性を示すために、抗体が HLA/ペプチドをどう認識するかの構造解析まで行う念の入れようで、期待できる。

ただこの研究で HLA と結合するペプチドは実際の細胞から質量分析で特定されている。もちろん将来はガン抗原が決まれば in silico で HLA との結合を特定していくことが重要になる。現在も様々な方法でペプチドと HLA の結合を予測する方法が開発されているが、今日紹介する中国南京工科大学からの論文は、少し工夫した言語モデルを用いてペプチドと HLA 、さらには TcR の結合を予測する方法の開発だ。タイトルは「A unified cross-attention model for predicting antigen binding specificity to both HLA and TCR molecules（統一的なクロスアテンションモデルでHLＡとＴｃＲへのペプチドの結合を予測する）」で、Nature Machine Intelligence３月号に掲載された。

タイトルにあるクロスアテンションとは入力、出力両方の系列のトークンの並びからアテンションの対象を重みづける方法で、この研究ではまず抗原ペプチド、HLA、そして TcR をそれぞれ学習させたセルフアテンション層に、例えばペプチドと HLA の共通の特徴を抜き出すクロスアテンション層を加えて、特定のペプチドに対応する HLA を特定するモデルを作成している。言ってみれば英語と日本語を対応させるクロスアテンションと言える。

その結果、ペプチドとHLA の結合を予測するという点では、これまでの方法を凌駕するモデル作成に成功している。さらに、同じ方法で特定のペプチドに対する TCR を予測する方法も検討しているが、こちらはまだまだといった感じだ。しかし、このようなマルチタスク言語モデルが将来ガンのネオ抗原を予測し、さらには TcR まで教えてくれる可能性を予感させる。

最近中国の Deep Seek ばかりが注目されるが、生命科学分野での言語モデルの利用という点でも面白い論文が多く発表されている。この論文が発表された Nature Machine Intelligence の論文の半数は生物分野と言っていいほどで、DNA など媒体の存在する生命領域は言語モデルの利用が最も進んでいる分野といっていい。この分野での人材が育成できないと、我が国の生命科学の将来はないと言っても過言ではない。

この２−３日専門家向けの論文紹介が続いたので、今日はわかりやすい論文を選んだ。

ダニによって媒介される感染症で最も有名なのはライム病。発疹を伴う細菌性感染症で、米国、ヨーロッパでは今も発症数が多い重要な感染症だ。もちろんライム病にとどまらず、様々な病原体がダニにより媒介される。そのため、それぞれの病原体に対する予防手段を講じるより、ダニに噛まれないようにするワクチンの開発が進められている。

今日紹介するイェール大学からの論文は、ダニを防ぐ免疫誘導に関わる抗原を同定するためのダニ抗原ライブラリーの開発研究で、３月２６日 Science Translational Medicine に掲載された。タイトルは「Tick feeding or vaccination with tick antigens elicits immunity to the Ixodes scapularis exoproteome in guinea pigs and humans（ダニに噛まれたりダニワクチン接種にヒトやモルモットに誘導できる免疫）」だ。

このグループはダニワクチン開発のために研究を続けており、すでに北米に多いシカダニの２０種類の抗原の mRNAワクチンなどを開発している。また、経験的にダニに繰り返し噛まれることで、免疫が成立することも知られている。従って、ダニの分泌する抗原で免役することでダニへの抵抗力が獲得できることはわかっているが、ダニの唾液のなかのタンパク質は複雑で、またそれぞれの分子に対する交差反応が強いため、抵抗性獲得の標的抗原は特定できていない。

これを解決するために、シカダニの細胞外分子３０００種類の分子をバーコードとともに細胞表面に発現した酵母のライブラリーを作成したのがこの研究のハイライトで、実際大変な作業だと思う。この酵母ライブラリーを抗体と反応させ、抗体が結合した酵母のバーコードを DNAシークエンサーで調べることで、どの抗原に対する免疫が成立しているかを一度に測定することができる。

すでに作成したワクチン接種を受けたモルモット抗体で反応を調べると、使った抗原２０種類以上の多くのタンパク質に反応していることがわかる。また、通常の ELISA と同じ感度で検出できる。

重要なのはダニに噛まれるのを防ぐ免疫に関わる抗原を特定することで、ダニに繰り返し噛まれてライム病を発症した患者さんの抗体反応を詳しく調べると、反応はヒトによってまちまちだが多くの人で共通に反応が見られる抗原も見つけることができる。ただ、反応が複雑すぎて抵抗性を獲得する抗体の標的を特定するには至らない。

そこで、ダニを皮膚において血を吸わせる実験で抵抗力のある血清とない血清を分け、抵抗力がある血清だけが反応する抗原を探すと、抵抗力のある血清ではヒスタミン結合能力のある分子に対する抗体が存在することを突き止めている。すなわち、ダニはホストマスト細胞から分泌されるヒスタミンなどのメディエーターを忌避する性質があるため、この作用をこれらのタンパク質で抑えていると考えられる。そして、このタンパク質に対して抗体ができると、ダニの防御システムが壊れるというわけだ。

結果は以上で、今後このような抗原を選んでより強いワクチンが作れるか検討が行われるだろう。将来、アメリカ旅行でハイキングを計画するときはワクチン接種を受けて出かけるようになるのかもしれない。

ゲノム検査に基づくガン治療に関して我が国が大きく遅れをとっていることは明らかだが、それでも徐々にゲノムに基づいて治療を考えることが根付きつつあることは間違いない。たとえば K-Ras 阻害剤の場合、特定の変異にだけ対応するものもあるし、免疫チェックポイント治療でも染色体不安定性につながる変異を特定することで対象のガンを拡大できる。

中でも、BRCA2 変異は一般抗ガン剤を選ぶ場合でも必須の検査項目になっている。というのも BRCA2 は RAD51 と呼ばれる相同組み換え修復酵素と相互作用して修復を促進することが知られており、これが欠損すると修復が抑えられてガン細胞の DNA 切断に対する感受性が上がる。さらにこの修復欠損を確かなものにするため、除去修復にも関わる PARP1 阻害剤を組み合わせることが行われる。

今日紹介するニューヨーク大学からの論文は、上に述べた修復課程の経過を一分子レベルで検出し、RAD51、BRCA2、 PARP 分子の相互作用を明らかにした研究で、３月２６日 Nature にオンライン掲載された。タイトルは「BRCA2 prevents PARPi-mediated PARP1 retention to protect RAD51 filaments（BRAC2 は PARP 阻害剤による PAEP1 の修復部位への保持を阻害し、RAD51 によるフィラメントを守る）」だ。

おそらく医学の知識があってもなかなかタイトルは理解できないかもしれない。それほどDNA修復課程は多くの分子が関わる複雑なのだが、これをまず BRCA2 と RAD51 だけに絞ってその分子反応を一分子レベルで見る以下のような方法を開発している。

DNA が切断されると、５‘末端が削られ３’一本鎖DNAが形成されるが、RAD51 これに結合しDNAとタンパク質が結合したフィラメントを形成、その部位に相同配列を見つけてそれを結合させ相同組み換えを行うことが知られている。

そこで、この２重鎖の切断部位とそこから伸びる１本鎖にそれぞれが近いときに蛍光が発する分子を結合させ（FRET）、蛍光をモニターしている。何も加えないと FRET は安定しているが、RAD51 を加えるとフィラメント形成に伴いシグナルは低下するが、分子運動は保たれるためレベルは変化する。ところがこれに BRCA2 を加えると、フィラメントが固定され、FRET が安定して低いレベルを保つことがわかる。すなわち、BRCA2 は RAD51 のフィラメントの安定性を高めて修復を助けることがわかる。

この実験系に PARP1 を加える実験に進んでいるが、少し理解が難しいかもしれない。PARP1 は切断部位をマーキングして他の修復酵素を呼び集め一本鎖DNAを削って、RAD51 で処理できなかった部位の修復を行っている。ただ、PARP 阻害剤の研究から、RAD51、BRCA2 の機能とも密接に関わることがわかっている。そのため、PARP1 に阻害剤を加えて本来の酵素活性を阻害した状態で実験に加えている。

すると RAD51 で誘導される FRET の安定的低下が大きく変化し、RAD51 の安定なフィラメント形成を阻害していることがわかる。ところが、これに BRCA2 を加えると、PAPR1＋阻害剤の効果はキャンセルされる。すなわち、切断部に保持された PARP1 の本来の機能が阻害剤で阻害された後も、切断部にとどまった PARP1 は RAD51 のフィラメント形成を不安定にしている。そして、これを安定化させているのがBRCA2 ということがわかる。まさに、ガン治療の現場で起こっていることが、分子レベルで観察できる。

この過程をさらに詳細に検討すると、PARP1 が切断部に保持されたままだと、RAD51 のフィラメント形成が不安定で相同DNAを見つけてきて一本鎖を２本差にする過程が阻害されるが、このとき BRCA2 が存在するとフィラメントが安定化するだけでなく、PARP1 を切断部から追い出して、相同DNAの会合を促進することができる。

そして最後の仕上げは、実際の細胞に放射線を照射し DNA を切断し、その部位にPAPR1、RAD51、BRCA2 それぞれが結合する様子を観察し、BRCA2 が PARP1 を切断部位から除去するのを一分子レベルの蛍光顕微鏡で確認している。

以上、多くのガンを治療する際に重要な BRCA2 の作用機序を実際に目で見ることができて感激した。

環境中に存在するDNA配列から存在する生物を予想するメタゲノム解析で、真核細胞と古細菌の中間に存在するAsgardアーキアの発見をこのブログで紹介したのは２０１７年１月だったが（https://aasj.jp/news/watch/6362）、その後我が国産総研のチームにより、なんと１２年もかけて生きたAsgardアーキアの分離方法が確立され、２０１９年サイエンスが選んだブレークスルーに選ばれた（https://aasj.jp/news/watch/12204）。　　その後２０２３年にスイスのグループにより培養細胞の解析が行われ、細胞骨格など様々な性質がまさに真核生物への進化をたどる重要な情報を提供していることがわかった（https://aasj.jp/news/watch/21164）。

今日紹介するのは同じスイス・チューリッヒ工科大学からの論文で、真核生物の細胞骨格や細胞分裂に関わる微小管のプロトタイプを探索した研究。３月２１日 Cell にオンライン掲載された。タイトルは「Microtubules in Asgard archaea（Asgard archeaの微小管）」と、極めてシンプルなタイトルだ。

この研究ではまず培養されている Candidatus Lokiarcheum osssiferum を電子顕微鏡で調べ、細胞骨格用の構造が細胞内に検出でき、これまで真核細胞以外で発見されていない微小管様の構造が確かに存在することを確認している。

次に、この細胞から微小管コンポーネントであるチュブリン遺伝子を分離、その進化を調べている。真核細胞ではα、β のチュブリンコンポーネントが結合した２量体が構造の基本となるが、Asgardアーキアでは、AtubAとAubB、そしてその相同遺伝子AtubB2を特定している。この分子の系統関係を調べると、真核生物のチュブリンの系統に収まることから、まさに真核生物進化の中間に存在していることがわかる。さらに驚きは、これまで例外的に発見されていたバクテリアの BtubA/BtubB も同じ系統樹に乗っており、AtubA/AtubB と極めてよく似ていたことで、おそらくこれはAsgardアーキアから水平遺伝子伝搬したと考えられる。

残る問題は、AtubA/AtubB が微小管を形成するかになる。様々な条件を試した結果、グルタミン酸カリウム存在下で、GTP依存的に AtubA/AtubB の２量体が重合した微小管が形成されることを確認している。

すでに述べたようにAsgardアーキアにはAtubB2相同分子が存在するが、これが存在すると AtubB は競合的に AtubA から追い出され、AtubA/AtubB2 の２量体が形成される。これも重合して微小管を形成するが、構造的には異なる微小管が形成されることも示している。

こうしてできる微小管を真核生物の微小管と比べると、シャペロンなどがなくても試験管内で重合できてしまう点で大きく異なる。GTP 分解能力もないことから、調節性は少ない様に思える。一方、低温で分解する点は真核生物と共通だが、温度は４度まで下げる必要があり、もっと高い温度で分解する真核生物の微小管とは異なる。

最後に、細胞内でどのように存在しているのかを実際の細胞内で調べ、増殖期に強く発現すること、そのときに重合した微小管が形成されているが、それ以外のステージでは消失することを明らかにしている。

以上が結果で、Asgardアーキアが真核生物進化を理解する鍵になることが、微小管形成という真核生物特有の性質のプロトタイプが存在することでまたまた明らかになった。極めてゆっくりしか増殖しないこと、他の Asgardアーキア系統が分離できていないことなど様々なハードルはあるが、徐々に真核生物進化過程が明らかになっていく実感がある。

GPT-4に人間が空飛ぶ馬を構想した歴史について尋ねてみると、ペガサスの起原はギリシャの叙事詩で紀元前７世紀からだが、インドの有翼の馬や中国の天馬など、紀元前１５００-７００年にかけて多くの文明でイメージが共有されていると答えが返ってくる。すなわち、我々は古くから馬を見て空駆ける姿を想像していた。

実際、空を飛ぶということは有酸素運動を高いレベルで行い、結果として生まれる活性酸素を除去する能力が必要だ。この有酸素運動を可能にする様々な分子の発現を調節している転写因子が NRF2 で、さらに NRF2 は活性酸素を検知する KEAP1 により調節されている。すなわち、活性酸素が上昇するとKEAP1 の機能が低下し、NRF2 の分解が起こらず安定化する。このセンサー活性を高める突然変異が鳥類の進化で起こった結果、鳥類で高いレベルの有酸素運動が可能な飛行が可能になったことが２０２０年に報告された。

今日紹介するジョンズホプキンス大学からの論文は、鳥の KEAP1 の論文を発表した同じグループが、今度は速く走る能力を持つ馬も同じような KEAP1 の変化があるのではと着想して行った研究で、３月２６日 Science に掲載された。タイトルは「Running a genetic stop sign accelerates oxygen metabolism and energy production in horses（遺伝的ストップサインを走り飛ばすことで馬では酸素代謝とエネルギー生産が促進される）」という、洒落のきいたタイトルになっている。

この研究では、鳥の研究の続きで最初から KEAP1 に焦点を当てて馬の進化を調べている。最初は機能変化に関わる馬特異的変異を発見するつもりだったのだろうが、なんと馬やロバで１５番目のアミノ酸がストップコドンに変わってしまっていた。もちろん KEAP1 がないと NRF2 の機能は上昇するが、ノックアウトは致死的であることがわかっているので、おそらく変異でできた UAGストップコドンが翻訳時にアミノ酸として読み直されるコードの見直しが起こっていると考えた。

ある意味では回り道を余儀なくされるのだが、その結果馬で特異的にリボゾーム上で特定の RNA を検出して UAG をシスティンに読み直すメカニズムが存在することを特定する。このこと自体は大変面白い発見で、しかも生化学的に詳しく解析されているが、割愛する。

結果、馬では１５番目のアルギニンがシステインに変わったKEAP1が作られていることがわかる。また、線維芽細胞や筋肉細胞を用いた生化学的解析から、馬の細胞ではＮＲＦ２の分解速度が低下して安定化し、核に持続しおり、これが馬型のKEAP1の活性を反映していることがわかる。

すなわち、KEAP1の１５番目のシステインへの変化で、活性酸素を検出する領域の活性が高まり、NRF2 の分解が抑えられ、その結果ミトコンドリアの ATP 産生の安全な増加が可能になることが明らかになった。

実際、馬細胞では活性酸素を加える実験で、対応能力が高く、細胞死がほとんど起こらないことが明らかになった。

その結果、馬の筋肉細胞では人間の倍にものぼる酸素消費能力が生まれており、これが変異型の KEAP1 の機能によることを明らかにしている。

以上が結果で、馬の運動能力の高さを支える変異を KEAP1 だけでなく、リボゾーム状での UAGコードの読み直しに必要な変異まで特定し、生化学的に検証した優れた研究で、読み応えがあった。しかし、馬の運動能力も鳥の運動能力も、同じ分子の機能によって支えられているとは、ペガサスを構想した先人が聞けば驚くだろう。

「自閉症の科学」コーナーを最後に書いたのはもう３年前になる。結局このコーナーを続けられなかった理由は、この領域の新しい展開を示唆する論文を感じられなくなったからだ。当時を振り返ると、特にゲノム研究が進み、さらに脳画像や、新しい IT ツールなどが利用された活発な時期だったと思う。ただ、ゲノム研究も画像研究も続いてはいるが、紹介したいと思える論文が減った。

そんな時、カナダ・McGill 大学から大規模言語モデルを用いた自閉症児の診断についての論文が３月２６日 Cell にオンライン発表され、自閉症研究に新しい可能性の誕生を感じさせたので紹介する。タイトルは「Large language models deconstruct the clinical intuition behind diagnosing autism（大規模言語モデルは自閉症診断の背景にある臨床的直感を解読できる）」だ。

これまで自閉症診断に AI を用いる試みは数多く存在した。これまで紹介してきたように、ゲノム研究から、自閉症は、病気の発症を強く促すレアな遺伝子変異と患者さんの性格などを反映するコモン変異が合体していることがわかっており、この遺伝的複雑性の解析に AI が用いられる例は多いが、成功には至っていない。

この研究は、もう一度自閉症診断の原点に帰って、直接自閉症児と接している医師やプラクティショナーといったプロフェッショナルが自閉症児の状態について書いたレポートの中に、プロが診療で感じている直感が埋め込まれているはずで、これを見つけ出せば自閉症診断が可能になるのではと考えた。

当然大規模言語モデルの登場になるが、ただレポートを読み込ませた新しいモデルを使うのではなく、いわゆる transfer learning が用いられている。もう少し具体的に説明すると以下のようになる。

まず、１０００人の自閉症児について書かれた４０００にのぼる臨床レポート（フランス語）を、フランス語の RoBERTa と呼ばれる Google の大規模言語モデルに学習させる。大規模言語モデルといっても１.５億パラメーターで GPT-2 に近い。おそらくこの小さいということが重要で、どこでも誰でも使えるだけでなく、後で学習させたセンテンスの分析が可能になる。この学習過程で、自閉症児に関するテキストを一般言語空間にベクトル化 (embedding) できればよい。

すなわちこの学習は診断ではなく、文章のコンテクストを形成させ、これを新しいモデルにトランスファーして自閉症児に接する時に最も顕著に使われるセンテンスを抜き出すことが目的で、この研究では次に、通常の multi-head attention とは異なる single head attention を用いて、どのセンテンスが自閉症児の診断に最も注目すべきかを調べている。

大きいモデルから小さいモデルへの transfer learning なのだが、わざわざ single head attention を用いることで診断根拠をわかりやすくしている。

これまで同じような目的で開発されていた文章解析方法と比べると、今回のモデルは圧倒的にパーフォーマンスがいい。そして、embedding を次元圧縮して、自閉症児についてのレポートに使われるセンテンスが、他の性質のレポートと明らかに異なる言語空間に存在することを示すのに成功している。

この研究では pre-learning に小さなモデルを使っているので、１２層のニューラルネットを経過するときに、センテンスからのコンテクスト抽出が進化していく様子も解析しているが割愛する。

こうして解析された自閉症児についてのセンテンスの解析から、使われる単語の特徴も抽出でき、letter、number といった言葉を押さえてレポートに最も使われたのが、flapping という発声に関わる記述であるのも驚く。

そしてこの研究のハイライトは、症状に基づいて自閉症の診断に用いられる診断法で使われる基準を同じ空間に embedding すると、社会性診断に関わる診断基準の embedding は自閉症児を表すセンテンスとは全く離れた位置に分布することを明らかにしたことだ。この結果は、これまで自閉症児の診断のために Theory of Mind といった社会性を重視することが本当に正しいのかと疑問を投げかけている。一方、一つのことへのこだわり、反復行動、興味の対象の限定などについての診断項目は、見事に自閉症児に関わるセンテンスとオーバーラップする。

結果は以上で、自閉症児に接している専門家が直感的に診断に最も則した言葉を選んで使っていることがよくわかるとともに、将来言語モデルを超えてコンセプトモデルへと発展することで、ゲノム、そして脳画像などが統合されたモデルができるのではと予感する。

もう一つ重要なメッセージは、言語モデルもただ大規模にするのではなく、分析可能な規模で、しかも自分の目的に合わせて transfer learning を行えるほうが、日常の診療には役立つという点だ。その時、当然日本語の言語モデルは重要になる。このような利用を臨床現場で重ねることで、新しい発見があることを念頭に、我が国の AI 研究助成を進めてほしいと思う。