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論文まとめ402回目 Nature 脳内のセロトニン神経が光周期に応じて神経伝達物質を動的に切り替えることで、季節変化への適応！？など

あらたま

科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNatureです。

さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。


一口コメント

Inhomogeneous terminators on the exoplanet WASP-39 b
系外惑星WASP-39 bの不均一な大気境界
「宇宙望遠鏡JWSTを使って、太陽系外の惑星WASP-39 bの大気を詳しく調べました。この惑星は恒星のまわりを公転していますが、いつも同じ面を恒星に向けています。そのため、昼側と夜側で大気の状態が大きく違うのではないかと考えられてきました。今回の観測で、昼から夜への境目（夕方側）と夜から昼への境目（朝方側）で大気の様子が異なることが初めて明らかになりました。夕方側の方が朝方側よりも約180度も暑く、雲が少ないことがわかりました。」

A eukaryotic-like ubiquitination system in bacterial antiviral defence
真核生物型のユビキチン化システムが細菌の抗ウイルス防御に存在する
「私たちヒトを含む真核生物の細胞内では、タンパク質の分解や機能調節にユビキチン化という仕組みが重要な役割を果たしています。この研究では、驚くべきことに、原始的な細菌の中にも似たような仕組みが存在することが発見されました。しかも、この仕組みはウイルスから身を守るために進化したようです。生命の歴史の中で、ユビキチン化システムは細菌で生まれ、その後真核生物に受け継がれて複雑化したのかもしれません。この発見は、生命の進化の謎に新たな光を当てる画期的な成果といえるでしょう。」

A holistic platform for accelerating sorbent-based carbon capture
二酸化炭素回収用吸着材開発を加速する包括的プラットフォーム
「この研究では、二酸化炭素回収のための革新的な材料開発を加速する「PrISMa」というプラットフォームを開発しました。このシステムは、材料の特性から、プロセス設計、経済性評価、環境影響評価まで、一連の流れを統合して分析します。これにより、従来の試行錯誤的なアプローチよりも効率的に、様々な条件下で最適な性能を発揮する材料を特定できます。また、機械学習を活用して、さらに広範な材料を迅速にスクリーニングすることも可能になりました。この包括的なアプローチは、二酸化炭素回収技術の実用化を大幅に加速させる可能性を秘めています。」

A hot-Jupiter progenitor on a super-eccentric retrograde orbit
超離心率逆行軌道を持つホットジュピターの先駆天体
「太陽の1.24倍の質量を持つ恒星の周りを公転する、木星の約5倍の質量を持つ巨大惑星が発見されました。この惑星は極めて細長い楕円軌道を描き、恒星の自転と逆方向に公転するという珍しい特徴を持っています。このような特異な軌道は、惑星が形成された後に別の天体との重力相互作用によって軌道が変化した結果だと考えられます。この発見は、巨大ガス惑星がどのように形成され進化するかについての理解を深める重要な手がかりとなります。」

Adaptation to photoperiod via dynamic neurotransmitter segregation
光周期への適応を可能にする動的な神経伝達物質の分離
「私たちの体内時計は1日の長さに合わせて調整されています。しかし、季節によって昼の長さは変化します。この研究では、脳の中のセロトニン神経が驚くべき能力を持っていることがわかりました。季節が変わると、これらの神経細胞は異なる神経伝達物質を使い分けるのです。これにより、私たちの体は長い夏の日や短い冬の日に適応できるようになります。つまり、脳の中の小さな細胞が季節の変化を感知し、私たちの体のリズムを調整しているのです。この仕組みは、季節性うつ病などの治療法開発にもつながる可能性があります。」

An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic
PLAに組み込んだ改変酵素により自己生分解性プラスチックを作製
「私たちの身の回りにあるプラスチック製品。便利な反面、環境への悪影響が懸念されています。この研究では、生分解性プラスチックであるPLAに特殊な酵素を組み込むことで、家庭用コンポストでも分解できる画期的な素材を開発しました。従来のPLAは工業用コンポストでないと分解できませんでしたが、この新素材は20〜24週間で完全に分解します。さらに、長期保存や食品との接触後も性能を維持。環境に優しいだけでなく、実用性も兼ね備えた画期的な発明と言えるでしょう。」

Clonal inactivation of TERT impairs stem cell competition
TERTの選択的不活性化は幹細胞の競争を阻害する
「精子幹細胞には、TERTというタンパク質が豊富に含まれています。このTERTを人工的に取り除くと、幹細胞は競争に負けて分化してしまうことが分かりました。TERTは細胞の若さを保つテロメアを伸ばす酵素として知られていましたが、実はそれ以外の重要な役割も担っていたのです。TERTは幹細胞の遺伝子発現を広く制御し、特にMYCという重要な遺伝子の働きを高めることで、幹細胞としての性質を維持していました。この発見は、幹細胞や cancer stem cellの理解を深める重要な一歩となりそうです。」

要約

JWSTで系外惑星WASP-39 bの昼夜で異なる大気構造を世界初観測

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07768-4

WASP-39 bという系外惑星の大気を、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)を使って詳細に観測した。その結果、惑星の昼夜境界（ターミネーター）が均一ではなく、夕方側と朝方側で異なる特性を持つことが明らかになった。これは系外惑星の大気構造に関する重要な発見である。

事前情報

  • 透過分光法は過去20年間、系外惑星の大気の物理的・化学的特性を調べるのに広く使われてきた

  • この手法では、惑星大気のターミネーター領域が均一であると仮定されてきた

  • しかし、高温の巨大ガス惑星では、ターミネーターが均一でない可能性が指摘されていた

  • これまで広い波長範囲で朝方・夕方のターミネーターの違いを直接観測した例はなかった

行ったこと

  • WASP-39 bの精密な軌道パラメータを仮定し、JWSTを用いて近赤外線(2-5μm)での透過スペクトルを取得した

  • 朝方と夕方のターミネーターのスペクトルを個別に抽出し、比較・分析を行った

検証方法

  • 取得したスペクトルを理論モデルと比較

  • 大気大循環モデル(GCM)のシミュレーション結果との整合性を確認

分かったこと

  • 夕方のターミネーターの方が朝方よりも平均して405±88 ppm大きな透過深度を示した

  • 夕方のスペクトルの方が朝方よりも顕著な特徴を持つ

  • 夕方のターミネーターは朝方よりも177_{-57}^{+65} K高温である

  • 両方のターミネーターのC/O比は太陽組成と矛盾しない

  • GCMの予測は観測結果とおおむね一致し、朝方には雲が多く、夕方は晴れている傾向を示唆

研究の面白く独創的なところ

  • 系外惑星の大気の昼夜差を直接観測した世界初の例

  • JWSTの高い感度と広い波長範囲を活かした観測

  • 理論モデルと観測の両面から系外惑星の大気構造に迫った

この研究のアプリケーション

  • 他の系外惑星の大気構造の理解に応用可能

  • 系外惑星の気候モデルの検証と改良に貢献

  • 生命居住可能な系外惑星の探索に向けた知見を提供

著者と所属

  • Néstor Espinoza (Space Telescope Science Institute, USA)

  • Maria E. Steinrueck (Max Planck Institute for Astronomy, Germany)

  • James Kirk (Department of Physics, Imperial College London, UK)

詳しい解説
この研究は、系外惑星WASP-39 bの大気構造を詳細に調べた画期的な成果です。これまでの系外惑星大気の観測では、惑星の昼夜境界（ターミネーター）が均一であると仮定されてきました。しかし、理論的には高温の巨大ガス惑星では昼夜で大気の状態が大きく異なる可能性が指摘されていました。
研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)の高い感度と広い波長範囲を活かし、WASP-39 bの透過スペクトルを2-5μmの近赤外線域で取得しました。そして、惑星の精密な軌道情報を用いて、朝方（夜から昼への境界）と夕方（昼から夜への境界）のスペクトルを個別に抽出することに成功しました。
分析の結果、夕方のターミネーターの方が朝方よりも平均して405±88 ppm大きな透過深度を示し、スペクトルの特徴もより顕著でした。これは、夕方の大気がより膨張していることを示唆しています。理論モデルとの比較から、夕方のターミネーターは朝方よりも約177 K高温であることが分かりました。
さらに、大気大循環モデル(GCM)のシミュレーション結果と比較したところ、観測結果とおおむね一致する結果が得られました。GCMは朝方のターミネーターには雲が多く、夕方は比較的晴れている傾向を予測しており、これは観測結果をよく説明します。
この研究は、系外惑星の大気構造の複雑さを直接観測で示した初めての例です。この成果は、他の系外惑星の大気研究にも応用可能で、系外惑星の気候モデルの改良や、生命居住可能な惑星の探索にも重要な知見をもたらすでしょう。JWSTの性能を活かした今後の観測により、さらに多くの系外惑星で同様の研究が進むことが期待されます。

細菌のウイルス防御システムに、真核生物型のユビキチン化機構が存在することが明らかになった

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07730-4

この研究は、細菌のウイルス防御システムに、真核生物のユビキチン化経路と類似した仕組みが存在することを明らかにしました。研究チームは、BilABCDと呼ばれる遺伝子群がコードするタンパク質が、真核生物のユビキチン化経路の主要コンポーネントと構造的・機能的に類似していることを示しました。

事前情報

  • ユビキチン化は、真核生物の細胞内でタンパク質の分解や機能調節に重要な役割を果たす過程

  • 細菌にも類似のシステムが存在する可能性が示唆されていたが、詳細は不明だった

  • 細菌のウイルス防御システムに関連する遺伝子群BilABCDが同定されていた

行ったこと

  • BilABCD遺伝子群がコードするタンパク質の構造解析

  • BilABCDタンパク質の生化学的機能解析

  • 細菌のBilABCDシステムと真核生物のユビキチン化経路の比較

検証方法

  • X線結晶構造解析によるBilABCDタンパク質複合体の構造決定

  • 生化学的アッセイによるBilABCDタンパク質の機能解析

  • バイオインフォマティクス解析による細菌種間でのBilABCD遺伝子の分布調査

分かったこと

  • BilABCDタンパク質は構造的に真核生物のユビキチン化経路のE1、E2、Ublと類似している

  • BilABCDシステムはユビキチン様タンパク質を標的タンパク質に結合させる能力を持つ

  • このシステムは細菌のウイルス防御に関与している可能性が高い

研究の面白く独創的なところ

  • 真核生物の重要な細胞内プロセスが、原始的な細菌にも存在することを示した

  • ユビキチン化システムの起源が細菌にある可能性を示唆した

  • 細菌のウイルス防御システムの新たなメカニズムを解明した

この研究のアプリケーション

  • 新たな抗ウイルス薬や抗菌薬の開発につながる可能性

  • 真核生物のユビキチン化システムの進化的起源の解明に貢献

  • 細菌の遺伝子工学や合成生物学への応用可能性

著者と所属

  • Lydia R. Chambers - カリフォルニア大学サンディエゴ校 化学・生化学部

  • Qiaozhen Ye - カリフォルニア大学サンディエゴ校 細胞分子医学部

  • Kevin D. Corbett - カリフォルニア大学サンディエゴ校 細胞分子医学部、分子生物学部

詳しい解説
この研究は、細菌のウイルス防御システムに、真核生物のユビキチン化経路と驚くほど類似したシステムが存在することを明らかにしました。研究チームは、BilABCDと呼ばれる遺伝子群に注目し、これらがコードするタンパク質の構造と機能を詳細に解析しました。
X線結晶構造解析の結果、BilABCDタンパク質複合体は、真核生物のユビキチン化経路の主要コンポーネントであるE1、E2、Ublと構造的に非常に類似していることが判明しました。特に、E1様タンパク質（BilD）とE2様タンパク質（BilB）の結合様式や、Ubl様タンパク質（BilA）のC末端が活性部位に結合する様子など、詳細な構造的特徴が真核生物のシステムと酷似していました。
さらに、生化学的解析により、このBilABCDシステムが実際にUbl様タンパク質を標的タンパク質に結合させる能力を持つことが確認されました。これは、真核生物のユビキチン化と同様の機能を持つことを示しています。
興味深いことに、このシステムは細菌のウイルス防御に関与している可能性が高いことも示されました。バイオインフォマティクス解析により、BilABCD遺伝子群が多くの細菌種でウイルス防御に関連する遺伝子群と近接して存在することが明らかになりました。
この発見は、ユビキチン化システムの起源が細菌にある可能性を示唆しており、生命の進化における重要な洞察を提供しています。真核生物で高度に発達したユビキチン化システムが、もともと細菌のウイルス防御機構として進化した可能性があるのです。
また、この研究成果は、新たな抗ウイルス薬や抗菌薬の開発につながる可能性があります。細菌のBilABCDシステムを標的とした薬剤開発が、新たな治療法の創出に結びつく可能性があるのです。
さらに、この発見は細菌の遺伝子工学や合成生物学の分野にも大きな影響を与える可能性があります。細菌内でタンパク質の機能を制御する新たなツールとして、BilABCDシステムを利用できる可能性が開かれたのです。
この研究は、生命科学の基礎研究と応用研究の両面で大きなインパクトを持つ画期的な成果といえるでしょう。

二酸化炭素回収技術の革新を加速する包括的プラットフォームの開発

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07683-8

この研究では、二酸化炭素(CO2)回収技術の大規模展開を加速するために、PrISMa (Process-Informed design of tailor-made Sorbent Materials)というプラットフォームを開発しました。このプラットフォームは、材料設計、プロセス設計、技術経済分析(TEA)、ライフサイクルアセスメント(LCA)を統合し、様々な条件下での材料のパフォーマンスを包括的に評価します。
60以上のケーススタディを比較し、世界の5つの地域における異なるCO2排出源からのCO2回収を分析しました。このアプローチにより、コスト効率、環境への影響、プロセス構成などについて、様々な利害関係者に同時に情報を提供することができます。また、最高性能の吸着材の分子特性を明らかにし、環境への影響に関する洞察も得られました。
PrISMaプラットフォームのモジュラー構造により、様々な利害関係者の視点を考慮することができます。例えば、エンジニアリングの観点からは最適な技術の特定、環境マネージャーの観点からはCO2回収の最大化と関連する温室効果ガス排出の最小化、投資家の観点からは異なる地域での経済性の理解などが可能です。
また、機械学習フィードバックループを実装することで、より広範な化学設計空間をスクリーニングすることができ、有望な材料の発見を加速させました。
実験的検証も行われ、プラットフォームの予測が実際の材料性能をよく反映していることが確認されました。

事前情報

  • CO2排出削減のためには、炭素回収技術の大規模展開が緊急に必要

  • 現在の研究アプローチは逐次的で時間がかかる

  • 材料設計、プロセス最適化、経済性、環境影響など多面的な評価が必要

行ったこと

  • PrISMaプラットフォームの開発

  • 60以上のケーススタディでの材料評価(5地域、異なるCO2源)

  • 機械学習を用いた広範な材料スクリーニング

  • 実験的検証(MIP-212材料など)

検証方法

  • 分子シミュレーションによる材料特性予測

  • プロセスシミュレーションによる性能評価

  • 技術経済分析(TEA)による経済性評価

  • ライフサイクルアセスメント(LCA)による環境影響評価

  • 機械学習モデルによる大規模スクリーニング

  • 実験的なブレークスルー曲線測定

分かったこと

  • 多くの材料がMEAベンチマークを上回る性能を示す

  • CO2濃度が高いほど、コスト削減効果が大きい

  • 地域によって経済性や環境影響が大きく異なる

  • 水分の影響は重要で、特に低CO2濃度の場合に顕著

  • トップ性能の材料に共通する分子特性が存在する

研究の面白く独創的なところ

  • 材料設計からLCAまでを統合した包括的アプローチ

  • 様々な利害関係者の視点を同時に考慮可能

  • 機械学習を活用した効率的な材料探索

  • 分子レベルから実用化までの多階層的な評価

この研究のアプリケーション

  • 効率的な二酸化炭素回収材料の迅速な開発

  • 地域や用途に応じた最適な炭素回収技術の選定

  • 環境影響を最小化した炭素回収プロセスの設計

  • 炭素回収技術の経済性評価と投資判断支援

著者と所属

  • Charithea Charalambous - The Research Centre for Carbon Solutions (RCCS), School of Engineering and Physical Sciences, Heriot-Watt University, Edinburgh, UK

  • Elias Moubarak - Laboratory of Molecular Simulation (LSMO), Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Sion, Switzerland

  • Johannes Schilling - Laboratory of Energy and Process Systems Engineering (EPSE), ETH Zurich, Zurich, Switzerland

詳しい解説
PrISMaプラットフォームは、二酸化炭素回収技術の開発を加速するための包括的なツールです。このプラットフォームの特徴は、材料設計から実用化までの全プロセスを統合的に評価できる点にあります。
まず、分子シミュレーションを用いて、多数の候補材料の吸着特性を予測します。これらのデータをもとに、プロセスシミュレーションを行い、実際の回収プロセスでの性能を評価します。さらに、技術経済分析(TEA)により経済性を、ライフサイクルアセスメント(LCA)により環境影響を評価します。
この統合的アプローチにより、従来は個別に行われていた評価を同時に行うことができ、様々な視点から最適な材料やプロセスを特定することが可能になります。例えば、コスト効率だけでなく、環境への影響も考慮した上で最適な選択ができます。
また、機械学習を活用することで、さらに広範な材料探索を効率的に行うことができます。初期の評価結果をもとに学習したモデルを用いて、より多くの候補材料をスクリーニングし、有望な材料を絞り込むことができます。
実験的検証では、プラットフォームの予測が実際の材料性能とよく一致することが確認されました。これは、シミュレーションベースの予測が実用的な指針となり得ることを示しています。
このプラットフォームは、二酸化炭素回収技術の開発プロセスを大幅に効率化し、実用化までの時間を短縮する可能性を秘めています。また、様々な条件下での性能評価が可能なため、地域や用途に応じた最適なソリューションの提案にも役立ちます。
今後、このようなアプローチが広く採用されることで、二酸化炭素回収技術の開発が加速し、気候変動対策の重要な柱となることが期待されます。

超離心率・逆行軌道の巨大惑星が発見され、巨大ガス惑星の形成過程に新たな知見

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07688-3

TIC 241249530 bと名付けられた新しく発見された惑星は、木星の約5倍の質量を持ち、極めて離心率の高い楕円軌道(e = 0.94)で166日周期で公転しています。また、この惑星は母星の自転と逆方向に公転する特異な特徴を持っています。

事前情報

  • 太陽系外の巨大ガス惑星、特に「ホットジュピター」と呼ばれる短周期の巨大惑星の形成過程は未解明

  • 高離心率軌道を持つ惑星HD 80606 bの発見が、潮汐力による軌道進化の証拠を示した

  • 惑星の質量が軌道進化に影響を与える可能性が理論的に示唆されていた

行ったこと

  • TESSによる測光観測で惑星のトランジットを検出

  • 地上望遠鏡を用いた追加の測光観測とスペクトル観測を実施

  • 惑星の軌道要素と質量を精密に決定

  • 系の力学進化をシミュレーション

  • 中間周期の巨大惑星の質量-離心率分布を統計的に分析

検証方法

  • TESSと地上望遠鏡による測光データを組み合わせてトランジット解析

  • 複数の分光器による視線速度測定から惑星の質量と軌道を決定

  • ロシター・マクローリン効果の解析から惑星軌道と恒星自転軸の傾きを測定

  • 系の力学進化を数値シミュレーションで検証

  • 中間周期の巨大惑星サンプルの質量-離心率分布をベイズ統計で解析

分かったこと

  • TIC 241249530 bは木星の4.98倍の質量を持ち、離心率0.94の166日周期軌道を公転

  • 惑星軌道は母星の自転軸に対して逆行(傾き163.5度)

  • この系の力学進化は、コザイ・リドフ機構による離心率振動と潮汐力による軌道縮小で説明可能

  • 中間周期の巨大惑星において、質量と離心率に相関がある(高質量ほど高離心率の傾向)

研究の面白く独創的なところ

  • 極めて高い離心率と逆行軌道を持つ巨大惑星の発見は2例目で、形成過程の解明に重要

  • 惑星の質量が軌道進化に与える影響を観測的に示唆

  • トランジットと近日点通過がほぼ同時に起こる珍しい軌道配置により、大気の急激な加熱過程の観測が可能

この研究のアプリケーション

  • 巨大ガス惑星の形成と軌道進化理論の検証

  • 惑星大気の急激な加熱・冷却過程の研究

  • 恒星-惑星-伴星系の力学進化の理解

  • 系外惑星の質量-離心率分布から形成過程を統計的に制約

著者と所属

  • Arvind F. Gupta (NSF's NOIRLab, ペンシルベニア州立大学)

  • Sarah C. Millholland (マサチューセッツ工科大学)

  • Haedam Im (マサチューセッツ工科大学)

詳しい解説
TIC 241249530 bの発見は、巨大ガス惑星の形成と進化に関する理解を大きく前進させる可能性があります。この惑星は、木星の約5倍という大きな質量を持ちながら、非常に離心率の高い楕円軌道(e = 0.94)を166日周期で公転しています。さらに、母星の自転軸に対して逆行する軌道を持つという特異な特徴があります。
このような特異な軌道配置は、惑星が形成された後に別の天体(おそらく伴星)との重力相互作用によって軌道が大きく変化した結果だと考えられます。研究チームは、コザイ・リドフ機構による離心率振動と潮汐力による軌道縮小のプロセスでこの系の進化を説明できることを示しました。
また、中間周期(10-365日)の巨大惑星のサンプルを統計的に分析した結果、惑星の質量と軌道離心率に相関があることが明らかになりました。質量が大きい惑星ほど、高い離心率を持つ傾向があります。これは、質量の大きな惑星ほど潮汐破壊を免れやすく、高離心率軌道を長期間維持できるという理論的予測と一致します。
TIC 241249530 bの軌道は、トランジットと近日点通過がほぼ同時に起こるという珍しい配置になっています。これにより、惑星大気が急激に加熱される過程を直接観測できる可能性があり、惑星大気の物理の理解を深める上で貴重な機会となります。
この研究は、巨大ガス惑星の形成と軌道進化のプロセスに新たな制約を与え、系外惑星系の多様性の起源に迫る重要な成果と言えるでしょう。

脳内のセロトニン神経が光周期に応じて神経伝達物質を動的に切り替えることで、季節変化への適応を可能にしている

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07692-7

光周期の変化に応じて、脳内のセロトニン神経が神経伝達物質を動的に切り替えることで、生理学的および行動的な適応を可能にしているメカニズムを解明した研究。

事前情報

  • 光周期（日長）の変化は生理学的および行動的な変化をもたらす

  • 概日リズム回路がこうした応答に関与していることが示唆されているが、正確な細胞基盤はわかっていなかった

  • セロトニン神経系が季節性の気分障害に関与している可能性が指摘されていた

行ったこと

  • マウスの脳幹正中縫線核のmrEn1-Pet1ニューロンに着目し、その投射先や神経伝達物質の発現パターンを解析

  • 光周期を変化させた際の、これらのニューロンにおける神経伝達物質の発現変化を調べた

  • VGLUT3（グルタミン酸トランスポーター）を選択的に欠損させたマウスを作製し、行動解析を行った

  • 正中縫線核に入力を送る脳領域を同定し、その機能を調べた

検証方法

  • 遺伝学的手法や神経トレーシング法を用いて、mrEn1-Pet1ニューロンの投射先や神経伝達物質の発現を可視化

  • 超解像顕微鏡を用いて、シナプスレベルでの神経伝達物質の局在を解析

  • 条件付きノックアウトマウスを用いて、VGLUT3の機能を調べた

  • ランニングホイールを用いた行動解析や睡眠覚醒の記録を行った

  • ウイルスを用いた神経回路トレーシングにより、入力経路を同定

分かったこと

  • mrEn1-Pet1ニューロンは、視交叉上核や視床室傍核など複数の領域に投射している

  • これらのニューロンは、セロトニンとグルタミン酸を共発現しているが、投射先によって使い分けている

  • 光周期の変化に応じて、シナプスレベルでの神経伝達物質の発現パターンが変化する

  • VGLUT3を欠損させると、光周期変化への行動的適応が遅延する

  • 視索前野からの入力が、この神経伝達物質の切り替えと行動適応に重要な役割を果たしている

研究の面白く独創的なところ

  • 単一のニューロン集団が、投射先に応じて異なる神経伝達物質を使い分けるという新しい概念を提示した

  • 神経伝達物質の発現パターンが、光周期に応じて動的に変化することを示した

  • この仕組みが、季節変化への行動的適応に重要であることを実験的に証明した

  • 視索前野からの入力が、この適応メカニズムを制御していることを明らかにした

この研究のアプリケーション

  • 季節性気分障害などの病態メカニズム解明や新たな治療法開発につながる可能性がある

  • 時差ボケなど、概日リズムの乱れに関連した問題への応用が期待できる

  • 農業や畜産業における季節性制御への応用の可能性がある

  • 人工的な光環境が人体に与える影響の理解と対策に役立つ可能性がある

著者と所属

  • G. Maddaloni - ハーバード医科大学遺伝学部

  • Y. J. Chang - ハーバード医科大学遺伝学部

  • R. A. Senft - ハーバード医科大学遺伝学部

詳しい解説
この研究は、生物が季節の変化にどのように適応しているかという根本的な問いに対して、新しい洞察を提供しています。私たちの体内時計は、主に視交叉上核という脳の領域によって制御されていますが、この研究では脳幹の正中縫線核にある特殊なニューロン（mrEn1-Pet1ニューロン）に注目しました。
これらのニューロンは、セロトニンとグルタミン酸という2つの神経伝達物質を持っていますが、驚くべきことに、その使い方を季節に応じて変えることがわかりました。例えば、夏の長い日照時間では、視交叉上核に送られる信号にグルタミン酸が多く含まれるようになります。一方、冬の短い日照時間では、セロトニンの割合が増えます。
この仕組みが実際に重要であることを証明するため、研究チームはグルタミン酸を放出できないようにしたマウスを作りました。すると、これらのマウスは季節の変化に適応するのに時間がかかるようになりました。つまり、この神経伝達物質の切り替えが、私たちの体と行動を季節に合わせて調整するのに重要だということです。
さらに、この仕組みを制御しているのが視索前野という脳領域からの信号であることも突き止めました。この発見は、私たちの脳が季節の変化を感知し、それに適応するための複雑なネットワークを持っていることを示しています。
この研究結果は、季節性うつ病などの気分障害の理解や治療法開発に新しい視点を提供する可能性があります。また、人工的な光環境が人体に与える影響を理解する上でも重要な知見となるでしょう。私たちの体内時計と外部環境の関係について、さらなる研究の扉を開いた画期的な成果だと言えます。

PLAに特殊な酵素を埋め込むことで家庭用コンポストでも生分解可能なプラスチックを開発

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07709-1

PLAに特殊な酵素を埋め込むことで、家庭用コンポストでも20〜24週間で完全に分解可能なプラスチック素材を開発した。この素材は長期保存や食品との接触後も性能を維持し、実用性も兼ね備えている。

事前情報

  • PLAは最も広く使用されているバイオ由来ポリマーだが、家庭用コンポストや土壌条件下での生分解速度が遅い

  • PLAの生分解性を向上させるため、酵素を組み込む試みがあったが、工業的に実現可能な解決策はなかった

行ったこと

  • PLA分解酵素の構造に基づいた合理的設計により、80倍の活性向上を達成

  • マスターバッチを用いた溶融押出法により、酵素をPLAマトリックス内に均一に分散

  • 酵素入りPLAフィルムを作製し、その分解性と機械的特性を評価

検証方法

  • 家庭用コンポスト条件下での分解試験

  • 長期保存後および食品接触後の性能評価

  • 機械的特性の測定

  • 走査型電子顕微鏡による表面形態観察

分かったこと

  • 開発した酵素入りPLAフィルムは、家庭用コンポスト条件下で20〜24週間で完全に分解

  • 長期保存（18ヶ月）や食品（ヨーグルト）との接触後も分解性能を維持

  • 機械的特性は産業用包装材料として適合

  • 通常の保管条件下では intact な状態を保持

研究の面白く独創的なところ

  • 構造に基づいた酵素設計により、PLAに対する高い活性と熱安定性を両立

  • マスターバッチ法を用いることで、工業的に実現可能な方法で酵素をPLAに組み込むことに成功

  • 家庭用コンポストでも分解可能な上、長期保存や食品接触後も性能を維持するという、環境性と実用性を両立

この研究のアプリケーション

  • 環境に優しい包装材料としての利用

  • コンポスターやバイオメタン生産への新たな道を開く

  • PLA分解に対する実現可能な産業的ソリューションの提供

著者と所属

  • M. Guicherd - Toulouse Biotechnology Institute, Université de Toulouse, CNRS, INRAE, INSA, Toulouse, France; Carbios, Clermont-Ferrand, France

  • M. Ben Khaled - Toulouse Biotechnology Institute, Université de Toulouse, CNRS, INRAE, INSA, Toulouse, France

  • M. Guéroult - Toulouse Biotechnology Institute, Université de Toulouse, CNRS, INRAE, INSA, Toulouse, France; Carbios, Clermont-Ferrand, France

詳しい解説
この研究では、生分解性プラスチックであるポリ乳酸（PLA）の分解性能を大幅に向上させる画期的な方法が開発されました。従来のPLAは工業用コンポストでないと分解できませんでしたが、この新しい方法では家庭用コンポストでも20〜24週間で完全に分解することが可能になりました。
研究チームは、まず構造に基づいた合理的設計により、PLA分解酵素の活性を80倍に向上させました。次に、この高活性酵素をマスターバッチを用いた溶融押出法によりPLAマトリックス内に均一に分散させることに成功しました。この方法は工業的に実現可能であり、大量生産にも適しています。
作製された酵素入りPLAフィルムは、家庭用コンポスト条件下で20〜24週間という短期間で完全に分解しました。さらに重要なのは、この素材が18ヶ月の長期保存後や、ヨーグルトなどの食品と接触した後でも分解性能を維持したことです。また、機械的特性も産業用包装材料として十分な性能を示しました。
この研究の独創的な点は、高活性と熱安定性を両立した酵素の設計、工業的に実現可能な方法での酵素の組み込み、そして環境性と実用性の両立にあります。この新素材は、環境に優しい包装材料としての利用だけでなく、コンポスターやバイオメタン生産への新たな可能性も開いています。
PLAの分解に対する実現可能な産業的ソリューションを提供するこの研究は、プラスチック廃棄物問題への重要な一歩となる可能性があります。

TERTの欠損は幹細胞の競争力を低下させ、分化を促進する

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07700-w

精子幹細胞においてTERTを選択的に不活性化すると、幹細胞の競争力が低下し、分化が促進されることが明らかになった。この効果はTERTの酵素活性やテロメア長とは無関係であり、TERTが幹細胞の遺伝子発現を広く制御していることが示された。特にMYC経路の活性化がTERTによる幹細胞の維持に重要であることが分かった。

事前情報

  • TERTはテロメラーゼの触媒サブユニットであり、テロメアの伸長に関与する

  • 精子幹細胞は高いTERT発現を示す

  • TERTのノックアウトマウスでは数世代を経てテロメアが短縮し、不妊となる

  • TERTには酵素活性非依存的な機能も報告されている

行ったこと

  • Tert-CreERマウスを用いて精子幹細胞特異的にTERTを不活性化

  • TERTを不活性化した精子幹細胞の運命を長期的に追跡

  • RNA-seqやATAC-seqによる遺伝子発現・クロマチン構造の解析

  • MYC過剰発現によるレスキュー実験

検証方法

  • 精子幹細胞特異的CreERシステムを用いたTERTの条件付きノックアウト

  • 精細管全体イメージングによる長期的な細胞系譜解析

  • フローサイトメトリーによる細胞集団の定量

  • RNA-seq、ATAC-seqによる網羅的遺伝子発現・クロマチン解析

  • 免疫組織化学による関連タンパク質の発現解析

分かったこと

  • TERT欠損精子幹細胞は長期的に維持できず、分化が促進される

  • この効果はTERTの酵素活性やテロメア長とは無関係である

  • TERT欠損によりクロマチン構造が大きく変化し、遺伝子発現パターンが変わる

  • 特にMYC経路の活性が低下することが重要である

  • MYCを過剰発現させることでTERT欠損の表現型をレスキューできる

研究の面白く独創的なところ

  • 精子幹細胞特異的なTERT欠損系を確立し、長期的な細胞系譜解析を行った点

  • TERTの新規機能として、幹細胞の競争力維持に重要であることを示した点

  • TERTがMYC経路を介して幹細胞性を制御するという新しいメカニズムを発見した点

  • 幹細胞におけるTERTの重要性を、テロメア非依存的に示した初めての研究である点

この研究のアプリケーション

  • 幹細胞生物学の理解の深化

  • がん幹細胞の制御機構の解明

  • 精子形成や不妊のメカニズム解明

  • 新たな不妊治療法や避妊法の開発への応用可能性

  • 幹細胞を標的とした新規がん治療法の開発

著者と所属

  • Kazuteru Hasegawa - スタンフォード大学医学部

  • Yang Zhao - スタンフォード大学

  • Steven E. Artandi - スタンフォード大学医学部

詳しい解説
本研究は、テロメラーゼ逆転写酵素(TERT)が精子幹細胞の維持に重要な役割を果たしていることを明らかにした画期的な研究です。
これまでTERTは主にテロメアの伸長に関与する酵素として知られていましたが、本研究ではTERTが精子幹細胞の競争力維持に不可欠であることが示されました。研究者らは、精子幹細胞特異的にTERTを不活性化できるマウスモデルを開発し、長期的な細胞系譜解析を行いました。その結果、TERT欠損精子幹細胞は正常な幹細胞と比較して競争力が低下し、長期的に維持できないことが分かりました。
興味深いことに、この効果はTERTの酵素活性やテロメア長とは無関係でした。TERT欠損細胞では、クロマチン構造が大きく変化し、遺伝子発現パターンが変わることが明らかになりました。特にMYC経路の活性が低下することが重要で、MYCを過剰発現させることでTERT欠損の表現型をレスキューできることが示されました。
この研究は、TERTが単なるテロメア伸長酵素ではなく、幹細胞の遺伝子発現を広く制御する重要な因子であることを示した点で非常に革新的です。TERTがMYC経路を介して幹細胞性を維持するという新しいメカニズムの発見は、幹細胞生物学に新たな視点をもたらします。
また、この知見はがん研究にも重要な示唆を与えます。多くのがん細胞でTERTの発現が上昇していることが知られていますが、本研究の結果は、TERTががん幹細胞の維持にも重要な役割を果たしている可能性を示唆しています。
今後、この研究成果は幹細胞生物学の基礎研究のみならず、不妊治療や新たながん治療法の開発など、幅広い医療応用につながる可能性があります。TERTを標的とした治療法の開発や、幹細胞の制御機構の解明が進むことで、再生医療やがん治療に新たなブレークスルーがもたらされることが期待されます。

最後に
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