論文まとめ359回目 Nature 絶滅危惧種の多くが適切な保全策を欠いている！？など

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

A late-Ediacaran crown-group sponge animal
後期エディアカラ紀の冠群海綿動物
「5億5100万年前の地層から見つかった化石は、格子状の骨格をもつ大型の海綿動物だった。現生の六放海綿に似た構造をもつが、骨格は有機質でできていた。これは海綿動物が先カンブリア時代に無殻で存在し、ケイ質の骨針は後に独立に進化したことを示唆する。」

Global shortfalls in documented actions to conserve biodiversity
絶滅危惧種の保全策に世界的な不足が明らかに
「絶滅危惧種の多くが適切な保全策を受けていないことが明らかになりました。生息地の消失、国際取引、侵略的外来種といった主要な脅威に対し、保護区の不足、取引規制の欠如、外来種対策の不足が目立ちます。保全策の実施には地域差や分類群差もあり、たとえ実施されても種の状況改善につながらないことも。世界の陸生絶滅危惧種の58%で保全策が明らかに不十分でした。保全の取り組みを強化し、よりターゲットを絞る必要があります。」

Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules
双極子分子のボース・アインシュタイン凝縮の観測
「極低温の双極子分子をレーザー光で閉じ込め、マイクロ波で分子間の衝突を抑制しながら冷却することで、分子が量子力学の法則に従って集団で同じ状態になるボース・アインシュタイン凝縮を初めて実現しました。この成果は、新しい量子物質相の創成やスピン液体などの興味深い物理現象の探索につながると期待されます。」

Large-area, self-healing block copolymer membranes for energy conversion
大面積の自己修復性ブロック共重合体膜によるエネルギー変換
「生体膜のように自己修復できる大面積の人工膜を開発。膜は水と水の界面に形成され、安定化される。人工膜は電気ウナギのように濃度差からエネルギーを取り出せる。将来は海水と淡水の濃度差から発電できるかも。」

Single-cell nascent RNA sequencing unveils coordinated global transcription
単一細胞の新生RNAシーケンシングによって明らかになるゲノム全体の協調的な転写
「細胞の中では遺伝子がいつどのように発現するかを決める転写という過程が起きています。新たに開発された一細胞レベルで新生RNAを解析する方法scGRO-seqにより、ゲノム全体で遺伝子や転写制御領域の活性化が時間的・空間的に協調していることが分かりました。転写のダイナミクスや制御メカニズムの理解が大きく進みそうです。」

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要約

後期エディアカラ紀の冠群の海綿動物の発見

A late-Ediacaran crown-group sponge animal - Nature

Helicolocellus cantori は、中国南部の澄江層（約5億5100万年前～5億3900万年前）から発見された後期エディアカラ紀の化石である。この化石は、高さ40cm以上のゴブレット型の体で、体壁は少なくとも3次のネスト状の格子構造からなり、六放海綿に似た構造をしているが、骨格は有機質でできている。系統解析の結果、H. cantoriは冠群の海綿動物で、六放海綿綱に近縁であることが明らかになった。これは、海綿動物が先カンブリア時代に無殻の動物として分岐・存在していたことを裏付けるものである。

事前情報

• 海綿動物は最も原始的な後生動物門であり、新原生代の海洋の酸化還元構造に重要な役割を果たした可能性がある。

• 分子時計によると海綿動物は新原生代に分岐したと予測されるが、カンブリア紀以前の化石は未だ明確に実証されていない。おそらく先カンブリア紀の海綿は無針で非石灰化だったためと考えられる。

行ったこと

• 中国南部の澄江層（約5億5100万年前～5億3900万年前）からHelicolocellus cantori gen. et sp. nov.という後期エディアカラ紀の化石を記載した。

• この化石を大型の茎をもつ底生生物で、ゴブレット型の体は高さ40cm以上、体壁は少なくとも3次のネスト状の格子構造からなると復元した。

• ベイズ系統解析を行い、H. cantoriを冠群の海綿動物で六放海綿綱に近縁と解明した。

検証方法

• 澄江層から発見されたH. cantoriの化石標本を詳細に観察・記載した。

• 化石の形態的特徴に基づき、体の構造を復元した。

• 形態的特徴を用いてベイズ系統解析を行い、系統的位置づけを推定した。

分かったこと

• H. cantoriは冠群の海綿動物で、六放海綿綱に近縁である。

• 海綿動物は先カンブリア時代に無殻の動物として分岐・存在していた。

• ケイ質の骨針による石灰化は海綿動物の各綱で独立に進化した可能性が高い。

• 石灰化した骨針を先カンブリア紀の海綿化石同定の必要条件とすることの妥当性に疑問が生じる。

研究の面白く独創的なところ

• 海綿動物の初期進化における”missing link”を埋める発見である。

• 海綿動物の骨格が本来は有機質で構成され、ケイ質骨針は後の進化の産物という新しい仮説を提示した。

• 先カンブリア紀の海綿化石の同定基準を見直す必要性を示した。

この研究のアプリケーション

• 先カンブリア紀の海綿動物の同定と探索に新たな視点を提供する。

• 海綿動物の初期進化と多様化を理解する上で重要な知見となる。

• 海綿動物の骨格の起源と進化を考察する上で参考になる。

著者と所属
Xiaopeng Wang, 中国科学院南京地質古生物研究所 Alexander G. Liu, ケンブリッジ大学 Shuhai Xiao, バージニア工科大学

詳しい解説
中国南部の後期エディアカラ紀の地層（約5億5100万年前～5億3900万年前）から見つかったHelicolocellus cantoriという化石は、海綿動物の進化における重要な発見である。この化石は、高さ40cm以上に達する大型の茎をもつ底生生物で、ゴブレット型の体をしており、体壁は少なくとも3次のネスト状の格子構造からなっている。この格子構造は直交する十字型の要素からなる有機質の骨格と解釈され、ケイ質の骨針でできた現生の六放海綿の骨格に構造的に類似している。
系統解析の結果、H. cantoriは冠群の海綿動物で、六放海綿綱に近縁であることが明らかになった。これは、海綿動物が先カンブリア時代に無殻の動物として分岐し、存在していたことを裏付ける重要な証拠である。また、ケイ質の骨針による骨格の石灰化が海綿動物の各綱で独立に進化した可能性が高いことを示唆している。
この発見は、海綿動物の初期進化における”missing link”を埋めるものであり、先カンブリア紀の海綿化石の同定基準を見直す必要性を示している。石灰化した骨針を海綿化石の必要条件とすることの妥当性には疑問が生じる。H. cantoriは海綿動物の骨格が本来は有機質で構成され、ケイ質骨針は後の進化の産物という新しい仮説を提示した。
この研究は、先カンブリア紀の海綿動物の同定と探索に新たな視点を提供し、海綿動物の初期進化と多様化を理解する上で重要な知見となる。また、海綿動物の骨格の起源と進化を考察する上でも参考になるだろう。今後の研究によって、先カンブリア紀の海綿動物やその他の原始的な動物群の化石記録が更に充実することが期待される。

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絶滅危惧種の多くが適切な保全策を欠いている

Global shortfalls in documented actions to conserve biodiversity - Nature

絶滅の危機にある種は、適切な保全の取り組みがなければ近い将来消滅する可能性が高い。しかし、保全の取り組みが世界的にどのように適用され、その効果がどの程度あるのかはよく分かっていない。IUCNレッドリストなどのデータベースを用いて、生物多様性喪失の主要な3つの要因（生息地の消失、国際取引による乱獲、侵略的外来種）によって危機に瀕している種の多くが、適切な種類の保全策を欠いていることが明らかになった。保護区ネットワークの大幅な拡大にもかかわらず、絶滅危惧種の91%は生息地が保護区内で十分に保全されていない。保全の取り組みは分類群や地域によって一様でなく、実施されていても種の状況を大きく改善することは少ない。世界の陸生絶滅危惧種の58%で、保全の取り組みが著しく不十分であるか欠如している。主要な保全のデータベースに取り組みが含まれていないだけなのか、本当に保全が行われていないのかは判断できない。もし本当に保全が行われていないのであれば、多くの絶滅危惧種の見通しは、より多くのターゲットを絞った行動がなければ厳しいものとなる。

事前情報

• 絶滅危惧種は適切な保全の取り組みがなければ近い将来消滅する可能性が高い

• 保全の取り組みが世界的にどのように適用され、その効果がどの程度あるのかはよく分かっていない

行ったこと

• IUCNレッドリストなどのデータベースを用いて、生物多様性喪失の主要な3つの要因（生息地の消失、国際取引による乱獲、侵略的外来種）によって危機に瀕している種を特定

• これらの種に対する保全の取り組み（保護区、取引規制、外来種対策）の有無を調べた

• 保全の取り組みの地域差、分類群差、種の状況改善への効果を分析した

検証方法

• 生息地の消失の脅威がある種について、生息地の適切な割合が保護区に含まれているかを判定

• 国際取引の脅威がある種について、国際的な取引規制の対象となっているかを判定

• 侵略的外来種の脅威がある種について、外来種の防除が行われているかを判定

• 全く保全の取り組みが記録されていない絶滅危惧種の割合を算出

分かったこと

• 絶滅危惧種の91%は生息地が保護区内で十分に保全されていない

• 国際取引の脅威がある種の76%は取引規制の対象だが、侵略的外来種の脅威がある種では15%しか外来種対策が行われていない

• 保全の取り組みの実施状況には地域差、分類群差がある

• 保全の取り組みが行われていても、種の状況を大きく改善することは少ない

• 世界の陸生絶滅危惧種の58%で、保全の取り組みが著しく不十分であるか欠如している

研究の面白く独創的なところ

• 主要な保全のデータベースを組み合わせて、世界の絶滅危惧種に対する保全策の実施状況を包括的に評価した点

• 生物多様性喪失の主要な脅威と、それに対応した保全策のペアに着目して分析した点

• 保全策の地域的・分類群的な偏りと、種の状況改善効果の乏しさを明らかにした点

この研究のアプリケーション

• より多くの絶滅危惧種を保全するには、保護区の拡大、より多くの種の取引規制、外来種対策の強化が必要

• 保全の取り組みの地理的・分類群的な偏りを是正するよう資源を配分すべき

• 保全策の効果を高めるため、その実施状況をモニタリングし、適応的に改善していく必要がある

• 保全のデータベースの情報を充実させ、真に保全が行われていない種を特定することが重要

著者と所属

• Rebecca A. Senior (プリンストン大学公共国際問題大学院, ダラム大学生物科学部)

• Ruby Bagwyn (ウィリアムズ大学)

• Danyan Leng (イェール大学生態進化生物学部, イェール大学生物多様性・地球変動センター)

詳しい解説
この研究は、IUCNレッドリストや他の保全関連のデータベースを用いて、世界の絶滅危惧種に対する保全の取り組みの実施状況を包括的に評価したものです。
生物多様性喪失の主要な3つの脅威（生息地の消失、国際取引による乱獲、侵略的外来種）に晒されている絶滅危惧種に着目し、それぞれの脅威に対応する保全策（保護区、取引規制、外来種対策）がどの程度実施されているかを調べました。
その結果、多くの絶滅危惧種で適切な保全策が不足していることが明らかになりました。保護区ネットワークの拡大にもかかわらず、絶滅危惧種の91%は生息地が保護区内で十分に保全されていませんでした。国際取引の脅威がある種の多くは取引規制の対象となっていましたが、侵略的外来種の脅威がある種では外来種対策が行われているのはごく一部でした。
また、保全策の実施状況には地域差や分類群差があり、一様ではありませんでした。保全策が行われていても、種の状況を大きく改善することは少なく、効果が乏しいことも示唆されました。
世界の陸生絶滅危惧種の58%については、保全の取り組みが著しく不十分であるか、全く行われていないことが判明しました。ただし、主要な保全のデータベースに情報が欠けているだけなのか、本当に保全が行われていないのかは、今回のデータからは判断できません。
もし本当に多くの絶滅危惧種で保全が行われていないとすれば、より多くのターゲットを絞った保全の取り組み強化が急務であると言えます。保護区のさらなる拡大、より多くの種の国際取引規制、外来種対策の抜本的強化などが求められます。また、保全の取り組みが十分行き届いていない地域や分類群を特定し、資源を集中的に投入することも重要でしょう。
保全策の効果を高めるためには、その実施状況を継続的にモニタリングし、うまくいっていない場合は方法を適応的に改善していくことが肝要です。また、IUCNレッドリストをはじめとする保全のデータベースの情報をさらに充実させ、真に保全の手が届いていない種を把握することも急務と言えるでしょう。
絶滅危惧種の保全は待ったなしの課題ですが、現状の取り組みは不十分であることが浮き彫りになりました。この研究を出発点とし、効果的な保全策の立案と実施を加速させていくことが強く求められます。

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双極子分子のボース・アインシュタイン凝縮の実現

Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules - Nature

量子力学の法則に支配された粒子の集団は、興味深い創発的な振る舞いを示す。原子のボース・アインシュタイン凝縮（BEC）を初めて実現したことで、新しい量子物質相の創成やスピン液体などのエキゾチックな物理現象の探索が可能になると期待されているが、双極子分子のBECはこれまで実現されていなかった。本研究では、マイクロ波を用いて分子間の衝突を強く抑制しながら蒸発冷却することで、NaCs分子をBEC状態まで冷却することに成功した。BECは位相空間密度が1を超えると、二峰性の分布として観測された。凝縮分率60%、温度6nKのBECが生成され、寿命は約2秒であった。この成果は、これまでアクセス不可能だった双極子量子物質の探索の扉を開くものである。

事前情報

• 粒子が量子力学の法則に支配されると興味深い創発的振る舞いを示す

• 原子のBECは実現されており、新しい量子物質相の創成などが期待されている

• 双極子分子のBECはこれまで実現されていなかった

• 分子間衝突による損失が大きいことが障害となっていた

行ったこと

• NaCs分子を用いてBECの生成を試みた

• マイクロ波を用いて分子間の衝突を強く抑制しながら蒸発冷却を行った

• 位相空間密度、凝縮分率、温度、寿命を測定した

検証方法

• 時間飛行法により分子の運動量分布を測定

• 分布の二峰性からBECへの相転移を確認

• 凝縮体と非凝縮体のフィッティングから凝縮分率と温度を算出

• BECのサイズの時間変化から寿命を見積もった

分かったこと

• マイクロ波衝突抑制によりNaCs分子をBEC状態まで冷却できた

• 位相空間密度が1を超えると、運動量分布に二峰性が現れBECへの相転移が起こった

• 凝縮分率60%、温度6nKのBECが生成され、寿命は約2秒だった

• 双極子量子物質のこれまでアクセス不可能だった領域の探索が可能になった

研究の面白く独創的なところ

• 双極子分子のBECを初めて実現した点が革新的

• マイクロ波による強い衝突抑制が鍵となった点がユニーク

• BECにより新しい双極子量子物質の探索への道が開かれた点が面白い

この研究のアプリケーション

• 新しい量子物質相の創成

• 双極子ドロップレットなどのエキゾチックな物理現象の探索

• 光格子中での双極子スピン液体の実現

• 量子シミュレーションや量子コンピューティングへの応用

著者と所属

• Niccolò Bigagli, Department of Physics, Columbia University

• Weijun Yuan, Department of Physics, Columbia University

• Sebastian Will, Department of Physics, Columbia University

詳しい解説
この研究は、極低温の双極子分子を用いて、ボース・アインシュタイン凝縮（BEC）を初めて実現したという画期的な成果です。BECとは、ボース粒子が量子力学の法則に従って集団で同じ状態（最低エネルギー状態）になる現象で、原子では以前から実現されていましたが、分子ではこれまで実現されていませんでした。
分子はその複雑な内部自由度のため、分子間衝突による損失が大きく、原子ほど深く冷却するのが困難でした。研究チームは、NaCs分子を光トラップで閉じ込め、マイクロ波を照射することで分子間の衝突を強く抑制しながら、蒸発冷却によって極低温まで冷やすことに成功しました。
BECへの転移は、時間飛行法で測定した分子の運動量分布が、ある臨界点を超えると二峰性を示すことから確認されました。生成されたBECは、凝縮分率が60%、温度が6nKという非常に純度の高い状態で、寿命は約2秒でした。
双極子分子のBECの実現は、これまでアクセス不可能だった双極子量子物質の新しい領域の扉を開くものです。双極子相互作用による新しい量子物質相の創成や、双極子ドロップレットなどのエキゾチックな物理現象の探索、光格子中での双極子スピン液体の実現など、様々な興味深い研究の展開が期待されます。また、双極子分子のBECは、量子シミュレーションや量子コンピューティングへの応用も視野に入ってくるでしょう。
分子のBECの実現は、原子のBECに続く大きなマイルストーンであり、量子物質科学の新しい時代の幕開けを告げる成果と言えます。今後のこの分野の発展から目が離せません。

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自己修復能力を持つ大面積ブロック共重合体人工細胞膜の開発に成功

Large-area, self-healing block copolymer membranes for energy conversion - Nature

生体膜は選択的な物質輸送と自己修復能力を持つが、人工膜で同等の性能を実現するのは難しかった。本研究では、水-水界面で安定化した分子薄膜(約35nm)の両親媒性ブロック共重合体二重層膜を10cm2を超える大面積で形成する自己組織化戦略を開発した。得られた膜はイオンの透過を阻む優れたバリア機能(比抵抗約1MΩcm2)を持ち、リン脂質膜に匹敵する。 また、膜の流動性により分子キャリアを導入でき、ナトリウムイオンに対して選択的にカリウムイオンを輸送できる。この選択性を利用し、NaClとKClの等モル溶液から電気ウナギの発電器官を模倣したデバイスで発電できることを示した。

事前情報

• 生体膜は選択的な物質輸送と自己修復能力を持つが、人工膜で同等の性能を実現するのは難しい

• 水-水界面を利用した人工膜形成の先行研究はあるが、大面積化は実現されていない

行ったこと

• 両親媒性ブロック共重合体を用いた水-水界面での自己組織化により、大面積(10cm2超)の分子薄膜二重層膜を形成

• 膜のイオン透過阻止能と自己修復能力を評価

• イオノフォアを導入し、膜のイオン選択透過性を付与

• NaClとKClの濃度勾配を利用した発電デバイスを作製

検証方法

• 電気測定による膜厚と比抵抗の評価

• 蛍光色素の拡散実験と機械的損傷からの回復実験による自己修復能力の検証

• イオノフォア添加膜の電流-電圧測定によるイオン選択透過性の評価

• 複数のイオン選択性膜を直列に積層した発電デバイスの起電力測定

分かったこと

• 水-水界面を利用することで、10cm2を超える大面積のブロック共重合体二重層膜が形成できる

• 得られた膜は優れたバリア性能(比抵抗約1MΩcm2)と自己修復能力を示す

• イオノフォアを添加することで、ナトリウムイオンに対してカリウムイオンを選択的に透過できる

• イオン選択性膜を直列に積層することで、NaClとKClの濃度勾配から起電力が得られる

研究の面白く独創的なところ

• 生体膜の持つ大面積性、自己修復性、選択的透過性を人工膜で実現した点

• 水-水界面の利用により、安定な大面積膜の形成を可能にした点

• 電気ウナギの発電メカニズムを人工膜で再現した点

この研究のアプリケーション

• 海水/淡水濃度差発電や濃度差を利用した青色発電

• 燃料電池用のイオン選択性膜

• タンパク質の機能解析のための人工細胞膜プラットフォーム

著者と所属
Christian C. M. Sproncken, Adolphe Merkle Institute, University of Fribourg Peng Liu, Adolphe Merkle Institute, University of Fribourg Alessandro Ianiro, Adolphe Merkle Institute, University of Fribourg

詳しい解説
この研究は、生体膜のような自己修復能力と選択的な物質透過性を持つ大面積の人工膜の開発に成功したものです。
従来、生体膜は脂質二重層膜により形成され、損傷を受けても自発的に修復する能力を持ち、特定の物質のみを選択的に透過させることができます。一方、人工膜ではこのような機能を実現するのは容易ではありませんでした。
本研究では、ブロック共重合体と呼ばれる両親媒性の高分子を水溶液の界面で自己組織化させることで、生体膜のような分子の薄膜(約35nm)を10cm2以上の大面積で形成することに成功しました。この人工膜は優れたイオンバリア性能(比抵抗約1MΩcm2)を示し、リン脂質からなる生体膜に匹敵します。
さらに、膜にイオノフォアと呼ばれる分子キャリアを導入することで、ナトリウムイオンに比べてカリウムイオンを選択的に透過させる機能を付与できることを明らかにしました。この選択的なイオン透過性を利用し、NaClとKClの等モル溶液の濃度差から電気エネルギーを取り出すことができます。実際に、イオン選択性膜を直列に積層することで、電気ウナギの発電器官を模倣したデバイスの作製に成功しています。
この研究の独創的な点は、水溶液の界面を利用して大面積の人工細胞膜を形成し、生体膜の持つ自己修復性と選択的透過性を実現したことです。将来的には、海水と淡水の濃度差から発電を行う濃度差発電や、燃料電池のイオン選択透過膜への応用が期待されます。また、タンパク質の機能を解析するための人工細胞膜プラットフォームとしての利用も考えられます。

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単一細胞の新生RNAシーケンシングにより転写の協調性が明らかに

Single-cell nascent RNA sequencing unveils coordinated global transcription - Nature

細胞内の遺伝子発現は転写によって制御されている。プロモーターやエンハンサーから開始される転写は、遺伝子からは安定なRNA、エンハンサーからは不安定なRNAを生成する。新生RNAキャプチャーシーケンスは、細胞集団における遺伝子とエンハンサーの活性を同時に測定できる。しかし、単一細胞レベルでの活性転写に関する知見の欠如から、転写の時間的制御やエンハンサーと遺伝子の協調性についての根本的な疑問は未解決のままである。本研究では、クリックケミストリーを用いた新しい単一細胞新生RNAシーケンス法scGRO-seqを開発し、ゲノム全体で協調した転写を明らかにした。scGRO-seqは転写のエピソード的な性質や機能的に関連する遺伝子の共転写を示し、個々の細胞で転写中のRNAポリメラーゼを直接定量することでバーストサイズと頻度を推定でき、また複製依存性の非ポリA化ヒストン遺伝子転写を利用して細胞周期の動態を解明できる。scGRO-seqの一塩基の空間的・時間的解像度により、エンハンサーと遺伝子のネットワークの同定が可能になる。本研究の結果は、スーパーエンハンサーでのバースト転写が関連遺伝子からのバースト転写に先行することを示唆している。scGRO-seqは、グローバルな転写のダイナミクスや転写シグナルの起源と伝播への洞察を与え、転写制御メカニズムやエンハンサーの遺伝子発現における役割の解明に寄与することを示した。

事前情報

• 転写は遺伝子発現の主要な制御段階である。プロモーターやエンハンサーから開始される転写は遺伝子から安定なRNA、エンハンサーから不安定なRNAを生成する。

• 既存の新生RNAキャプチャーシーケンス法は細胞集団で遺伝子とエンハンサーの活性を同時に測定できるが、単一細胞レベルの知見が欠如している。

• 転写の時間的制御やエンハンサー-遺伝子の協調性についての疑問が未解決のままである。

行ったこと

• クリックケミストリーを用いた新しい単一細胞新生RNAシーケンス法scGRO-seqを開発した。

• マウスES細胞2635個を解析し、ゲノム全体の遺伝子とエンハンサーの転写を単一細胞レベルで網羅的にマッピングした。

• 転写のエピソード的な性質や機能的に関連する遺伝子の共転写を明らかにした。

• 細胞周期特異的な非ポリAヒストン遺伝子の転写を利用して細胞周期の動態を解析した。

• スーパーエンハンサーと関連遺伝子の時間的な転写の関係性を調べた。

検証方法

• scGRO-seqのデータをバルクの新生RNAシーケンス法や他の単一細胞法と比較した。

• 遺伝子ごとに転写中のRNAポリメラーゼをカウントし、バーストサイズと頻度をモデルから推定した。

• 細胞をG1/S期、S期、G2/M期に分類し、各期の転写の特徴を解析した。

• 2つの遺伝子や遺伝子-エンハンサー間の転写の相関を計算し、共転写や時間的な関係を評価した。

• CRISPR検証済みのエンハンサーについて、関連遺伝子との転写の時間的順序を調べた。

分かったこと

• scGRO-seqはバルクの新生RNAシーケンスと同等の性能を持ち、単一細胞レベルのデータが得られる。

• 遺伝子の転写はバースト的に起こり、バーストサイズと頻度は遺伝子によって異なる。

• 細胞周期を通して転写はダイナミックに変動し、G1/SとG2/Mで高く、S期で低下する。

• 機能的に関連する遺伝子群は、数分以内に同時に転写される共転写の関係にある。

• スーパーエンハンサーの転写バーストは、関連する遺伝子の転写バーストに先行して起こる傾向がある。

研究の面白く独創的なところ

• 単一細胞レベルで新生RNAを網羅的に解析できる新しいシーケンス法scGRO-seqを開発した点。

• エピソード的な転写や遺伝子の共転写など、バルク解析では見えなかった転写制御の実態が明らかになった点。

• 非ポリA RNAの検出により、scRNA-seqでは解析できない細胞周期特異的ヒストン遺伝子の発現から細胞周期の動態が分かった点。

• エンハンサーと遺伝子の時間的な転写関係から、DNA上の位置関係だけでない制御の可能性が示された点。

この研究のアプリケーション

• scGRO-seqは様々な生物学的文脈での転写ダイナミクスと制御メカニズムの解明に有用なツールになる。

• 遺伝子発現制御の理解が進み、発生、細胞運命決定、疾患などの研究に応用できる。

• エンハンサーと遺伝子の関係性の理解は、疾患関連多型の機能評価や創薬ターゲットの同定に役立つ。

• クリックケミストリーの応用により、低入力サンプルや単一細胞の他のオミクス解析にも活用できる可能性がある。

著者と所属

• Dig B. Mahat - Koch Institute for Integrative Cancer Research and Department of Biology, MIT

• Nathaniel D. Tippens - Koch Institute for Integrative Cancer Research and Department of Biology, MIT

• Jorge D. Martin-Rufino - Broad Institute of MIT and Harvard

詳しい解説
本研究では、クリックケミストリーを活用した新しい単一細胞新生RNAシーケンス法scGRO-seqを開発し、マウスES細胞を用いてゲノム全体の遺伝子とエンハンサーの転写を1細胞レベルで解析しました。
従来の新生RNAシーケンスは細胞集団の平均的な転写の情報しか得られませんでしたが、scGRO-seqでは個々の細胞での遺伝子ごとの転写の様子を知ることができます。各遺伝子について、数kb程度の領域を通過するRNAポリメラーゼの数を数え、バーストサイズ（1回の転写で合成されるRNA数）とバースト頻度（転写の起こる頻度）を推定しました。多くの遺伝子でバースト的な転写が見られ、バーストの特性は遺伝子ごとに異なることが分かりました。
また、scGRO-seqではポリA化されていない新生RNAも検出されるため、従来のRNA-seqでは捉えられなかった細胞周期特異的なヒストン遺伝子の発現を指標に、個々の細胞がG1/S期、S期、G2/M期のどの段階にあるかを推定できます。細胞周期を通して遺伝子の転写はダイナミックに変動しており、DNA複製が起こるS期は全体的に転写が抑制され、G1/S期とG2/M期は活性が高いことが分かりました。
さらに、scGRO-seqの高い時間分解能を生かして、2つの遺伝子や遺伝子とエンハンサーの転写の時間的な関係を解析しました。機能的に関連する遺伝子群は数分以内に協調して発現する「共転写」の関係にあることが明らかになりました。また、スーパーエンハンサーの転写活性化が、近傍の遺伝子の発現に先行する可能性も示唆されました。
本研究は、単一細胞の新生RNA解析により、転写制御の時空間ダイナミクスに関する新しい知見を提供しました。遺伝子の発現様式や遺伝子間の機能的な関係性が細胞ごとに理解でき、エピジェネティック制御を介した遺伝子発現プログラムの成り立ちが明らかになると期待されます。様々な細胞や組織、疾患サンプル等に応用することで、生命現象の理解や医学・創薬研究に大きなインパクトを与えるでしょう。

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最後に
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