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論文まとめ363回目 Nature 高密度栽培に適した”スマートキャノピー”の形成を制御する遺伝子を同定！？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

Strand-resolved mutagenicity of DNA damage and repair
DNA損傷と修復の鎖特異的な突然変異原性
「DNAに傷がつくと、傷ついた方の鎖が鋳型となって複製される際に突然変異が起こりやすくなります。しかし、転写や修復は傷のついていない鎖を使うため、突然変異のパターンに片側性が生まれます。この研究では、がんゲノムの大規模解析から、転写と修復の片側性が突然変異のパターンを形作っていることを明らかにしました。さらに修復自体が時に突然変異を引き起こすこともわかりました。DNA傷害に対する細胞の反応の複雑さが浮き彫りになった研究です。」

Ancient genomes reveal insights into ritual life at Chichén Itzá
古代ゲノムがチチェン・イツァの祭祀生活の洞察を明らかにする
「マヤ文明の遺跡チチェン・イツァにある儀式用の地下空間から発見された、64人の子供の遺骨のDNA分析を行った結果、全員が男の子で、一卵性双生児が2組含まれていることがわかりました。双子は古代マヤ社会で神聖な存在と考えられており、双子が生贄に選ばれたと考えられます。また現代のマヤの人々のDNAと比較すると、感染症への抵抗性に関わる遺伝子に変化が見られ、コロンブス以降にもたらされた感染症への適応が示唆されました。」

A two-site Kitaev chain in a two-dimensional electron gas
二次元電子ガス中の2サイトキタエフ鎖
「この研究は、2つの量子ドットを超伝導体でつないだ人工的な「キタエフ鎖」を二次元電子ガス中に作製し、マヨラナ束縛状態を実現しました。量子ドット間の結合を磁場と電圧で制御することで、ゼロバイアス伝導ピークが観測され、マヨラナ束縛状態の存在を示しました。さらに、磁場に対するエネルギースペクトルの変化からマヨラナ分極を見積もりました。二次元電子系で拡張性の高いキタエフ鎖を実現したことで、将来のマヨラナ量子ビットの実現に道を開きました。」

CTLA-4-expressing ILC3s restrain interleukin-23-mediated inflammation
CTLA-4を発現するILC3はインターロイキン23を介した炎症を抑制する
「腸には多くの細菌が存在し、免疫の過剰反応を抑える仕組みが必要です。この研究では、腸の免疫細胞の一種であるILC3が、CTLA-4という分子を発現することで、IL-23という炎症を引き起こす物質の作用を抑えていることを発見しました。CTLA-4を発現しないマウスでは腸の炎症が悪化し、ヒトの炎症性腸疾患でもこの経路の異常が示唆されました。腸内細菌とのバランスを保つ新たな仕組みが明らかになりました。」

Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities
トウモロコシのスマートキャノピーアーキテクチャが高密度条件下での収量を向上させる
「トウモロコシの高密度栽培での収量向上のカギは、光合成効率を最大化する”スマートキャノピー”の形成にあります。この研究では、上位葉が直立し中位葉と下位葉がより開く理想的なキャノピー構造を持つ突然変異体を発見し、その原因遺伝子lac1の機能を解明しました。lac1を導入することで、様々な系統で効率的にスマートキャノピーが獲得でき、高密度栽培での収量アップに役立つことが示されました。」

Inner core backtracking by seismic waveform change reversals
地震波形変化の反転による内核の逆行
「地震波の解析から、地球の中心にある固体の内核が、2003年から2008年にかけて時計回りに回転した後、2008年から2023年にかけて、2〜3倍遅い速度で反時計回りに逆回転し、以前と同じ位置に戻っていることが明らかになりました。内核が同じ位置に戻ると、地震波の波形が過去と一致します。内核の回転と逆回転の速度が異なることから、内核とマントルの相互作用を説明する新しいモデルが必要だと考えられます。」

要約

転写と修復の片側性がDNA損傷による突然変異を形成する

DNA塩基の損傷は、がん遺伝子の突然変異の主な原因である。このような損傷は、鎖の方向性を持った突然変異パターンを生み出し、損傷の分離のプロセスを通じて多対立遺伝子変異を生み出す。本研究では、これらの性質を利用して、複製や転写のような鎖非対称的なプロセスがDNA損傷と修復をどのように形成するかを明らかにした。複製の仕組みは、リーディング鎖とラギング鎖で異なるにもかかわらず、両鎖で同一の忠実性と損傷許容性が観察された。本研究の結果は、同じトランスレジョンポリメラーゼが両方の複製鎖にその場でリクルートされるモデルを支持しており、かさ高いUV誘発付加体の鎖非対称許容性とは対照的である。

事前情報

  • DNAの構造と複製には対称性がある一方で、多くのDNAの活動は鎖非対称的である

  • がんゲノムは多様な突然変異プロセスの結果であり、空間的・時間的な突然変異の非対称性を生み出す役割の相対的な貢献は十分に理解されていない

行ったこと

  • 肝発がんマウスモデルを用いて、ゲノム全体でDNA損傷と修復の機構的非対称性を解明

  • 約700万の塩基置換突然変異について、損傷鎖を決定

  • 複製、転写、DNA-タンパク質結合が、DNA損傷、ゲノム修復、突然変異誘発をどのように機械的に形成するかを定量化

検証方法

  • 肝細胞由来の複製フォークの方向性の測定値とmutation asymmetryのパターンに基づいて、損傷を含む鎖がリーディング鎖とラギング鎖のどちらの複製鎖のテンプレートになるかを推定

  • 複数の細胞周期にわたって存続する損傷は、損傷の複製を繰り返すことで多対立遺伝子変異を生成することを利用し、ゲノム全体で修復プロセスの相対的効率を定量化

分かったこと

  • リーディング鎖とラギング鎖の複製は、アルキル損傷の複製においてほぼ同一の突然変異率を示した

  • 転写と複製時間は、突然変異率に大きな影響を及ぼすが、複製鎖のバイアスの影響は無視できるほど小さい

  • 高度にアクセス可能なDNAの効率的な修復が、損傷誘発性突然変異の分布を主に決定している

  • 特定のゲノム条件下では、NERの忠実性を損なうことでがん遺伝子の突然変異を積極的に引き起こす可能性がある

研究の面白く独創的なところ

  • リーディング鎖とラギング鎖の複製が、アルキル損傷の複製においてほぼ同一の突然変異率を示したこと

  • 修復自体が時に突然変異を引き起こすことを発見したこと

この研究のアプリケーション

  • がんゲノム進化の理解に役立つ

  • DNA損傷に応答した細胞内プロセスの解明に貢献する

  • 発がんリスクの評価や予防、治療法開発への応用が期待される

著者と所属
Craig J. Anderson, MRC Human Genetics Unit, University of Edinburgh Lana Talmane, MRC Human Genetics Unit, University of Edinburgh Juliet Luft, MRC Human Genetics Unit, University of Edinburgh

詳しい解説
DNAの二本鎖構造とその複製には美しい対称性があります。二本の鎖が分かれ、それぞれが新しい娘鎖の合成の鋳型として機能します。しかしこの全体的な対称性にもかかわらず、DNAの多くの活動は鎖非対称的です。
(1)複製の際、リーディング鎖とラギング鎖では主に異なる酵素が合成を担当する (2)RNA転写ではDNAの一方の鎖のみが鋳型として使われる (3)DNAの二重らせんの片側は転写因子と結合しやすい (4)DNAの交互の鎖はヌクレオソームに対して内側か外側を向く
これらのプロセスはそれぞれ、鎖非対称的な突然変異パターンを生み出します。このパターンは、突然変異が蓄積した細胞の累積的なDNA処理を反映しています。
がんゲノムは多様な突然変異プロセスの結果ですが、その過程は数十年にわたることが多く、空間的・時間的な突然変異の非対称性を生み出す役割の相対的な貢献を特定し解釈することは容易ではありません。DNA損傷、監視、修復プロセスの観察された突然変異非対称パターンへの相対的な寄与は、十分に理解されていません。
この研究では、肝発がんマウスモデルを利用しました。このモデルでは、ジエチルニトロサミン(DEN)による一回のDNA損傷暴露によって突然変異が誘発されます。この暴露により、DNA塩基損傷が生じ、これは突然変異原性のDNA損傷(DNAレジョンと呼ばれる)として継承され、その後の細胞周期で突然変異として固定されます。
このレジョン分離の現象により、損傷を含む鎖が別々の娘細胞に分離され、顕著な染色体スケールの突然変異の非対称性が生じます。クローン的に拡大した細胞集団(腫瘍など)では、この非対称性により、各腫瘍の祖先が継承した損傷DNAの鎖を特定することができます。
この手法を用いて、常染色体ゲノムの約50%とX染色体全体について、各腫瘍の損傷鎖を決定できます。98匹のマウスから237の腫瘍を解析し、700万以上の塩基置換突然変異について損傷鎖を特定しました。
その結果、リーディング鎖とラギング鎖の複製の仕組みが異なるにもかかわらず、両鎖でほぼ同一の忠実性と損傷許容性が観察されました。 これは、同じトランスレジョンポリメラーゼが両方の複製鎖にその場でリクルートされることを示唆しており、UVによる損傷の鎖非対称許容性とは対照的です。
一方、転写と複製のタイミングは突然変異率に大きな影響を与えることがわかりました。DNAのアクセシビリティも突然変異率と関連しており、アクセス性の高いDNAの効率的な修復が、損傷誘発性突然変異の分布を主に決定していることが示唆されました。
さらに、この研究は、特定のゲノム条件下では、ヌクレオチド除去修復(NER)の忠実性を損なうことで、がん遺伝子の突然変異を積極的に引き起こす可能性があることを明らかにしました。
以上のように、この研究は、鎖非対称メカニズムがDNA損傷の形成、許容、修復にどのように関与し、がんゲノムの進化を形作るかについての洞察を提供してくれました。単一鎖・単一塩基の分解能で突然変異率と多対立性を解析できたことで、損傷の持続性を推定し、ゲノム全体で初期損傷と後続の修復の差異を区別することができました。この強力なアプローチは、DNA損傷に対する細胞内プロセスの理解を大きく前進させるものです。

チチェン・イツァの儀式に使われた地下貯水槽から見つかった少年の遺骨のゲノム解析により、儀式における双子の使用や植民地時代の感染症に対する適応が明らかになった。

古代メキシコのマヤ文明の中心地であるチチェン・イツァ遺跡の儀式用地下空間から見つかった、64人の子供の遺骨のDNAを分析した。その結果、全員が男の子で、近親者が多数含まれ、一卵性双生児も2組見つかった。双子はマヤ神話で重要な役割を持ち、双子が犠牲として選ばれたと考えられる。また現代のマヤの人々と比較すると、感染症抵抗性に関わる遺伝子に変化が見られ、スペイン人到来後の感染症流行により適応が起きたことが示唆された。この研究により、考古学的証拠だけでは知り得ない、古代マヤの祭祀における性別選好や双子の重要性、感染症への適応など、新たな洞察が得られた。

事前情報

  • チチェン・イツァは古代マヤ文明の主要都市の一つで、多くの儀式が行われた

  • 遺跡から大量の犠牲者の遺骨が発見されているが、性別や犠牲の詳細は不明だった

  • 感染症がマヤ文明に与えた影響についても十分わかっていなかった

行ったこと

  • チチェン・イツァ遺跡の儀式用地下空間から見つかった64人の子供の遺骨のDNAを分析

  • 現代のマヤの人々68人のDNAとも比較した

  • 放射性炭素年代測定、安定同位体分析も行い、時代背景や食性も調べた

検証方法

  • 次世代シーケンサーを用いた全ゲノム解析により性別、血縁関係、祖先集団を推定

  • 感染症抵抗性に関わるHLA遺伝子領域の変異を解析

  • 系統発生分析により現代のマヤ集団との連続性を検証

分かったこと

  • 分析した子供の遺骨は全員男児で、25%に近親者、一卵性双生児も2組含まれていた

  • 双子/近親者は一緒に犠牲にされた可能性が高い

  • 現代のマヤ集団とは連続性があるが、感染症抵抗性のHLA遺伝子に変化が見られた

  • 特にHLA-DRB1*04:07の頻度上昇が見られ、腸チフスへの抵抗性獲得を示唆

研究の面白く独創的なところ

  • DNAから古代マヤの儀式における性別選好と双子の重要性を初めて実証的に示した

  • 感染症の影響が遺伝子レベルで検出でき、歴史的記録を裏付ける分子証拠が得られた

  • 長期的視点で遺伝的連続性と変化の両面を評価し、マヤの歴史を多角的に解明した

この研究のアプリケーション

  • 犠牲者の遺骨のDNA分析により古代の儀式習俗を詳細に復元できることを示した

  • 過去の感染症流行が人類集団に及ぼした進化的影響の評価に道筋をつけた

  • 現代のマヤの人々の健康を考える上でも、HLAタイプの理解は重要と考えられる

著者と所属

  • Rodrigo Barquera (マックス・プランク進化人類学研究所 考古遺伝学部門)

  • Oana Del Castillo-Chávez (ユカタン・国立人類歴史学研究所)

  • Kathrin Nägele (マックス・プランク進化人類学研究所 考古遺伝学部門)

  • et al.

詳しい解説
この研究では、古代マヤ文明の中心都市の一つであるチチェン・イツァ遺跡で発見された、64人の子供の遺骨のDNAを分析しました。遺骨が見つかったのは、犠牲者を捧げる儀式が行われたとみられる地下貯水槽跡で、西暦500年〜900年頃のものと推定されています。
ゲノム解析の結果、調べた遺骨は全て男の子のものであることがわかりました。また近親者が多数含まれ、なんと一卵性双生児も2組見つかったのです。偶然双子が犠牲になる確率は極めて低いことから、双子が意図的に選ばれたと考えられます。マヤ神話では双子の神が重要な役割を果たすことが知られており、その影響を示唆する発見と言えるでしょう。
さらに現代のマヤの人々のDNAとの比較から、感染症への抵抗性に関わるHLA遺伝子領域に大きな変化が見られました。特に腸チフスへの抵抗性に関わるHLA-DRB1*04:07の頻度上昇が顕著で、スペイン人がもたらした感染症の流行を経て適応が起きた可能性が示唆されたのです。
一方で、感染症以外の遺伝的形質には連続性が保たれており、現代のマヤの人々が古代マヤ文明の直系の子孫であることが裏付けられました。
この研究は、遺跡から発掘された遺骨のDNAを丹念に分析することで、考古学的証拠だけでは知り得なかった古代マヤ文明の新たな一面を明らかにしました。犠牲者の選定における性別の偏りや、双子の存在が極めて重要視されていたこと、そして感染症がもたらした遺伝的変化が実際に検出されたのは、大変意義深い成果と言えるでしょう。
さらに長期的な視点で集団の遺伝的変化を追跡することにより、マヤの人々がたどった歴史の全体像により迫ることができると期待されます。現代のマヤの人々の健康を考える上でも、このような研究から得られる知見は重要な意味を持つはずです。
古代の儀式で何が行われ、感染症がどのような影響を及ぼしたのか。今回のチチェン・イツァでの発見は、そんな歴史の謎に新たな光を投げかけてくれました。今後もDNA分析により、考古学と歴史学、人類学が融合した学際的なアプローチで古代文明の実像に迫る研究が進むことが期待されます。

二次元電子系におけるキタエフ鎖による量子ドットでのマヨラナ束縛状態の実現

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07434-9 

人工的なキタエフ鎖を二次元電子ガス中に作製し、量子ドット間の結合を磁場と電圧で系統的に制御することで、強固な相関ゼロバイアス伝導ピークが観測され、マヨラナ束縛状態の存在が示された。さらに、磁場に対するエネルギースペクトルの変化からマヨラナ分極を見積もった。拡張性の高い二次元系でキタエフ鎖を実現したことで、複数のマヨラナ束縛状態の操作・読み出しが必要なより高度な実験への現実的な道筋を提供した。

事前情報

  • 超伝導体-半導体ハイブリッド構造におけるマヨラナ束縛状態の実現は人工的なキタエフ鎖によって可能

  • 量子ドットを用いたキタエフ鎖の実現により、マヨラナ束縛状態のペア生成・検出・制御が期待される

  • マヨラナ束縛状態を用いた量子ビットの実現には、複数のマヨラナ束縛状態の操作・読み出しが必要

行ったこと

  • 二次元電子ガス中に2つの量子ドットを超伝導体領域で結合した2サイトキタエフ鎖を作製

  • 面内磁場回転と超伝導体領域のゲート電圧制御により、量子ドット間結合を系統的に制御

  • トンネル分光測定により、マヨラナ束縛状態に特徴的な強固な相関ゼロバイアス伝導ピークを観測

  • 磁場に対するエネルギースペクトルの変化を調べ、局在したマヨラナ束縛状態間の混成の程度を評価するマヨラナ分極を見積もった

検証方法

  • 低温でのトンネル分光測定により、量子ドットの電荷安定ダイアグラムとサブギャップ状態のスペクトルを観測

  • 磁場角度、超伝導体領域のゲート電圧を系統的に制御し、量子ドット間結合とマヨラナ束縛状態の形成を調べた

  • 磁場に対するゼロバイアス伝導ピークのエネルギー分裂からマヨラナ分極を見積もり、マヨラナ束縛状態の局在性を評価した

  • 数値計算との比較により実験結果の解釈を行った

分かったこと

  • 面内磁場回転と超伝導体領域のゲート電圧制御により、量子ドット間の結合を系統的に制御可能

  • パラメータ空間の特定の領域で、強固な相関ゼロバイアス伝導ピークが観測され、マヨラナ束縛状態の存在を示唆

  • 磁場に対するエネルギースペクトルの振る舞いから、高磁場領域で良好に局在したマヨラナ束縛状態が形成されていることが示唆された

  • 二次元電子系における拡張性の高いプラットフォーム上でキタエフ鎖を実現

研究の面白く独創的なところ

  • 二次元電子ガスという拡張性の高い系で人工的なキタエフ鎖を実現し、マヨラナ束縛状態を観測

  • 面内磁場と電気的ゲート制御により、量子ドット間結合を系統的に制御し、マヨラナ束縛状態形成の最適条件を実現

  • マヨラナ分極の見積もりにより、マヨラナ束縛状態の局在性を定量的に評価

  • 将来のマヨラナ量子ビット実現に向けて、複数マヨラナ束縛状態の操作・読み出しへの道筋を示した

この研究のアプリケーション

  • マヨラナ束縛状態を用いた位相エラーに強い量子ビットの実現

  • 量子ドットを用いたマヨラナ束縛状態の生成・検出・操作技術の確立

  • 二次元電子系におけるマヨラナデバイスのスケーラビリティの実証

  • マヨラナ束縛状態の非アーベル統計性を用いた量子計算への応用

著者と所属

  • Sebastiaan L. D. ten Haaf, Qingzhen Wang, A. Mert Bozkurt (QuTech and Kavli Institute of NanoScience, Delft University of Technology)

  • Di Xiao, Candice Thomas, Michael J. Manfra (Department of Physics and Astronomy, Purdue University)

  • Tom Dvir, Michael Wimmer, Srijit Goswami (QuTech and Kavli Institute of NanoScience, Delft University of Technology)

詳しい解説
この研究では、二次元電子ガス中に2つの量子ドットを作製し、その間の領域に超伝導体を近接させることで人工的な2サイトキタエフ鎖を実現しました。量子ドット間の結合を面内磁場の角度と超伝導体領域のゲート電圧により系統的に制御することで、パラメータ空間の特定の領域において量子ドット間のクーパー対のトンネリングが増強され、強固な相関ゼロバイアス伝導ピークが観測されました。これは、キタエフ鎖の両端に形成されたマヨラナ束縛状態間の量子力学的な重ね合わせ状態に起因するものと解釈されます。
さらに、外部磁場を変化させながらエネルギースペクトルを測定し、マヨラナ束縛状態の局在性を評価する重要な指標であるマヨラナ分極を見積もりました。高磁場領域ではマヨラナ分極が1に近づくことから、十分に局在したマヨラナ束縛状態が形成されていることが示唆されました。
この研究の重要な点は、拡張性の高い二次元電子系上で人工的なキタエフ鎖を実現し、電気的な制御のみでマヨラナ束縛状態の形成を実証したことです。これにより、将来的な複数のマヨラナ束縛状態の操作・読み出しといった、より高度な実験への道筋が示されました。マヨラナ束縛状態は、その非アーベル統計性から量子計算への応用が期待されており、本研究はマヨラナ量子ビットの実現に向けた重要なステップとなります。

腸管の恒常性維持に重要なIL-23シグナルを、ILC3が発現するCTLA-4が調節している。

インターロイキン（IL-）23は、慢性炎症性疾患の主要な媒介物質であり治療ターゲットであるが、腸管の恒常性下または急性感染後に組織保護を引き起こす。しかし、これらの有益な結果と病理学的な結果を形作るメカニズムについては十分に理解されていない。この知識のギャップに対処するために、腸管のすべてのIL-23受容体発現細胞とIL-23に対する急性応答をシングルセルRNA シークエンシングにより解析し、T細胞とグループ3自然リンパ球（ILC3）が優勢であることが明らかになった。予想外にも、ILC3上の免疫調節チェックポイント分子であるCTLA-4の強力な上方制御を同定した。この経路は、FOXO1およびSTAT3依存的に腸内微生物とIL-23によって活性化された。ILC3にCTLA-4を欠損するマウスでは、制御性T細胞の減少、炎症性T細胞の上昇、および腸の炎症の悪化が認められた。IL-23によるCTLA-4+ILC3の誘導は、腸の骨髄系細胞の共刺激分子を減少させ、PD-L1のバイオアベイラビリティを増加させるために必要かつ十分であった。最後に、ヒトILC3はIL-23または腸の炎症に応答してCTLA-4を上方制御し、炎症性腸疾患における免疫制御と相関していた。これらの結果は、ILC3固有のCTLA-4がIL-23の病理学的結果を抑制する重要なチェックポイントであることを明らかにし、炎症性腸疾患で発生するこれらのリンパ球の破綻が慢性炎症に寄与することを示唆している。

事前情報

  • IL-23は慢性炎症性疾患の主要な媒介物質であり治療ターゲットだが、腸管の恒常性や急性感染後に組織保護効果もある

  • この有益な作用と病理学的作用のメカニズムは十分理解されていない

行ったこと

  • 腸管のIL-23受容体発現細胞とIL-23への急性応答をシングルセルRNA-seqで解析

  • ILC3でのCTLA-4の発現上昇を同定

  • CTLA-4を欠損するマウスでの腸炎症を評価

  • IL-23によるCTLA-4+ILC3誘導の骨髄系細胞への影響を解析

  • ヒトIBDサンプルでのILC3のCTLA-4発現を解析

検証方法

  • IL-23R-eGFPマウスの腸管よりIL-23R+細胞を単離しscRNA-seq

  • 通常環境・無菌マウスでのILC3のCTLA-4発現をフローサイトメトリーで解析

  • ILC3特異的CTLA-4欠損マウスを作製し腸炎症を評価

  • ILC3とCTLA-4阻害下で骨髄系細胞のCD80/86,PD-L1発現を解析

  • IBD患者の腸管サンプルでILC3のCTLA-4発現を解析

分かったこと

  • 腸管IL-23R+細胞はT細胞とILC3が主で、IL-23刺激でILC3のCTLA-4発現が上昇

  • 腸内細菌とIL-23がFOXO1,STAT3依存的にILC3のCTLA-4を誘導

  • ILC3のCTLA-4欠損マウスでは制御性T細胞減少、炎症性T細胞増加、腸炎症悪化

  • IL-23によるCTLA-4+ILC3は骨髄系細胞のCD80/86を減少、PD-L1を増加

  • ヒトILC3はIL-23/腸炎症でCTLA-4発現上昇、IBDでの免疫抑制と相関

研究の面白く独創的なところ

  • ILC3のCTLA-4発現を同定し、IL-23の病理作用の新たな抑制機構を発見

  • ILC3とT細胞の相互作用による腸管恒常性維持の新たなメカニズムを解明

  • 無菌マウスやIBD患者サンプルの解析から、腸内細菌によるこの制御機構の重要性を示唆

この研究のアプリケーション

  • ILC3のCTLA-4を標的とした新たなIBD治療法の開発の可能性

  • CTLA-4+ILC3の誘導による腸管バリア機能改善を目指した予防・治療法への応用

  • 他の慢性炎症性疾患におけるIL-23とILC3のCTLA-4の役割の解明

著者と所属
Anees Ahmed, Ann M. Joseph, Jordan Zhou, Veronika Horn, Jazib Uddin, Mengze Lyu, Jeremy Goc, Gregory F. Sonnenberg (Joan and Sanford I. Weill Department of Medicine, Division of Gastroenterology & Hepatology/Department of Microbiology & Immunology/Jill Roberts Institute for Research in Inflammatory Bowel Disease, Weill Cornell Medicine, Cornell University, USA)

詳しい解説
この研究は、腸管の恒常性維持に重要なサイトカインであるIL-23の作用を調節する新たな機構を明らかにしました。IL-23は炎症性サイトカインとして知られていますが、一方で腸管では感染防御や組織修復に関わるなど、状況によって異なる作用を示します。しかし、なぜIL-23がこのような二面性を持つのか、そのメカニズムは不明でした。
本研究では、まず腸管のIL-23受容体発現細胞をシングルセルレベルで網羅的に解析することで、特に3群自然リンパ球(ILC3)とT細胞でIL-23への応答性が高いことを見出しました。更に興味深いことに、IL-23刺激によってILC3で免疫抑制分子のCTLA-4発現が誘導されることが分かりました。CTLA-4は活性化T細胞の抑制に重要な分子として知られていますが、ILC3での発現は予想外の発見でした。
そこで、ILC3特異的にCTLA-4を欠損するマウスを作製して解析したところ、制御性T細胞の減少と炎症性T細胞の増加、そして腸炎症の悪化が認められました。この結果は、ILC3のCTLA-4がT細胞の分化バランスを制御し、IL-23による過剰な炎症を抑えるブレーキの役割を果たすことを示唆しています。実際、IL-23によるCTLA-4陽性ILC3の誘導は、腸管の樹状細胞や肉芽腫のCD80/CD86の発現を下げ、PD-L1の発現を上げる効果があり、炎症を鎮める方向に作用すると考えられます。
更に、ヒトのサンプルを用いた解析から、炎症性腸疾患(IBD)患者ではこのILC3のCTLA-4の発現が低下しており、病態への関与が示唆されました。また、無菌マウスを用いた実験から、腸内細菌がIL-23を介してILC3のCTLA-4発現を誘導することも分かりました。
以上の結果から、腸内細菌とIL-23によって誘導されるILC3のCTLA-4発現が、T細胞の分化を制御することで腸管の炎症を抑え、恒常性維持に貢献するという新たなメカニズムが浮き彫りになりました。IBDでは、この制御機構の破綻が慢性炎症の原因の一つとなっている可能性があります。ILC3のCTLA-4を標的とした治療法など、本研究の成果をヒトの疾患の理解と治療に役立てていくことが期待されます。

高密度栽培に適した”スマートキャノピー”の形成を制御する遺伝子を同定

トウモロコシの理想的なキャノピー構造を形成する突然変異体lac1を発見し、lac1遺伝子の分子機構を解明した。lac1は上位葉の立ち上がりを制御するブラシノステロイド合成酵素をコードしており、高密度条件下で光受容体フィトクロムAとRAVL1転写因子の相互作用を介して発現が抑制され、上位葉の角度が減少する。lac1を様々な系統に導入することで、高密度栽培に適したスマートキャノピーの形成と収量向上が可能であることを実証した。

事前情報

  • 高密度栽培はトウモロコシの単収向上に重要な戦略

  • 高密度栽培に理想的な草型として”スマートキャノピー”が提唱されている

  • スマートキャノピーでは光の取り込みと光合成を最大化するために各層の葉角度が最適化されている

行ったこと

  • 上位葉が直立し、中位葉と下位葉の角度が開くスマートキャノピー様の突然変異体lac1を同定

  • lac1の原因遺伝子がブラシノステロイド合成酵素CYP90B1をコードすることを突き止めた

  • 高密度条件下でのlac1の光シグナル伝達と葉角度制御の分子メカニズムを解明

  • 大規模圃場試験でlac1の高密度栽培における収量向上効果を実証

  • 半数体育種により様々な系統にlac1を迅速に導入しスマートキャノピーを付与

検証方法

  • lac1変異体とその原因遺伝子の同定

  • 生理学的解析によるlac1の光合成能と陰避反応の評価

  • 生化学・分子生物学的解析によるlac1の分子機構の解明

  • 複数地域での大規模圃場試験によるlac1の収量性評価

  • ゲノム編集と半数体育種によるlac1の他系統への導入と表現型の検証

分かったこと

  • lac1は理想的なスマートキャノピー構造を持ち、高密度条件下で優れた光合成能力と適応性を示す

  • lac1はブラシノステロイドC-22水酸化酵素をコードし、主に上位葉の角度を制御する

  • 高密度下では陰で蓄積したフィトクロムAがRAVL1と結合し分解を促進することでlac1の発現を抑制し、上位葉の角度を減少させる

  • lac1の高密度栽培での収量向上効果が実証された

  • lac1を半数体育種により様々な系統に導入することで、迅速かつ広範にスマートキャノピーを付与できる

研究の面白く独創的なところ

  • 理想的なキャノピー構造を持つ突然変異体の発見とその原因遺伝子の同定

  • 高密度条件に適応したキャノピー構造形成の新規分子メカニズムの解明

  • 大規模圃場試験による実用性の実証

  • 半数体育種を用いた育種素材への迅速な導入というブレークスルー

この研究のアプリケーション

  • lac1を直接利用した高密度栽培向けトウモロコシ品種の開発

  • lac1を基盤とした更なるスマートキャノピーの分子設計

  • ゲノム編集や半数体育種を組み合わせたスマートキャノピー形質の効率的な育種への活用

  • 他の作物におけるスマートキャノピー研究や分子育種への応用

著者と所属

  • Jinge Tian, Chenglong Wang, Fengyi Chen - 中国農業大学

  • Yan Cao, Hong Li, Jigang Li - 中国農業大学

  • Xing Wang Deng - 北京大学

詳しい解説
この研究では、まず理想的なスマートキャノピー構造を持つトウモロコシの突然変異体lac1を発見しました。lac1は上位葉が直立し、光を下位葉に透過させやすい一方、中位葉と下位葉の角度は通常よりも開いており、群落全体での光の取り込みに優れています。そのため、lac1は高密度条件下で野生型よりも高い光合成能力と生産性を示しました。
原因遺伝子の同定により、lac1がブラシノステロイド合成酵素CYP90B1をコードしていることが分かりました。そして詳細な分子解析から、高密度条件では影で蓄積した光受容体フィトクロムAが転写因子RAVL1と結合し、その分解を促進することでlac1の発現が抑制され、上位葉の角度が減少するという新しいメカニズムが明らかになりました。
大規模圃場試験の結果、lac1の高密度栽培での実用性と収量向上効果が実証されました。また、ゲノム編集と半数体育種を駆使することで、lac1を様々な育種素材に迅速に導入し、スマートキャノピーを付与できることが示されました。
以上のように、この研究はlac1遺伝子の発見からその分子機構、実用性の検証、育種への応用まで、スマートキャノピー形成の包括的な理解に大きく貢献しました。lac1は高密度栽培向けトウモロコシ品種開発における有力な育種ターゲットであり、更なる分子設計の基盤ともなります。また、ここで得られた知見は他作物のスマートキャノピー研究や育種にも役立つと期待されます。単にトウモロコシの収量向上に留まらず、持続可能な食料生産に向けた画期的な成果と言えるでしょう。

地球内核が逆回転しながら、以前と同じ位置に戻ることが明らかになった。

地球の固体内核は、液体外核内に浮かび重力で固定されており、地表に対して相対的に回転したり、数年から数十年の時間スケールで変化したりすることが、繰り返し発生する地震や爆発のセイスモグラムの変化から推測されてきました。今回、1991年から2023年の間に南サンドイッチ諸島で発生した121の地震から、143組の明確な繰り返し地震のペアを編集し、それらの内核を通過するPKIKP波を北米北部の中規模アレイで記録・分析しました。その結果、多くの地震のグループにおいて、波形が変化した後、後の時点で再び以前のイベントと一致するという現象が確認されました。一致する波形は、内核がマントルに対して過去のある時点と同じ位置を再び占めていることを示しています。

事前情報

  • 固体内核は、液体外核内に浮かび、重力で固定されている

  • 内核は地表に対して相対的に回転したり、数年から数十年の時間スケールで変化したりすることが、繰り返し発生する地震や爆発のセイスモグラムの変化から推測されてきた

  • 内核は豊かな内部構造を持ち、外核対流のパターンや地球の磁場に影響を与える

行ったこと

  • 1991年から2023年の間に南サンドイッチ諸島で発生した121の地震から、143組の明確な繰り返し地震のペアを編集した

  • これらの地震の内核を通過するPKIKP波を、北米北部の中規模アレイ（ILAR, YKA）で記録・分析した

  • 地震ペアの波形の類似度を視覚的に評価し、波形マッチを「類似」「やや類似」「異なる」に分類した

検証方法

  • 地震ペアの日付と波形の類似度の関係を分析した

  • 長い間隔で波形が一致するペアの存在から、内核が回転して同じ位置に戻ったことを示唆した

  • 回転の方向が逆転する前後での、一致するペアの時間間隔の変化から、内核の回転速度の非対称性を明らかにした

分かったこと

  • 多くの地震のグループにおいて、波形が変化した後、後の時点で再び以前のイベントと一致するという現象が確認された

  • 一致する波形は、内核がマントルに対して過去のある時点と同じ位置を再び占めていることを示している

  • これらの一致により、内核の進行と逆行を正確かつ明確に追跡することができた

  • 前進と後退の速度の違いから、内核、外核、マントル間のダイナミクスに関する新しいモデルが必要であることが示唆された

  • 内核は2003年から2008年にかけて徐々にスーパーローテーションし、その後2008年から2023年にかけて2〜3倍遅い速度で同じ経路を逆行した

研究の面白く独創的なところ

  • 地震波形の一致と不一致のパターンから、内核の回転と逆行を正確に追跡できたこと

  • 内核の回転速度が前進時と後退時で非対称であることを明らかにしたこと

  • 過去に同じ位置に戻るという、内核の新しい動きのパターンを発見したこと

この研究のアプリケーション

  • 内核とマントルの相互作用を説明する新しい地球ダイナミクスモデルの構築

  • 内核境界付近の他のプロセスの解明（例：構造変化）

  • 将来の内核の動きの予測と検証

著者と所属

  • Wei Wang (中国科学院地質学・地球物理学研究所、中国科学院大学、南カリフォルニア大学)

  • John E. Vidale (南カリフォルニア大学)

  • Guanning Pang (コーネル大学)

詳しい解説
この研究では、1991年から2023年にかけて南サンドイッチ諸島で発生した多数の繰り返し地震を分析することで、地球の内核の回転について新しい発見がなされました。
固体の内核は、液体の外核に浮かんでおり、重力によって固定されています。過去の研究から、内核は地球表面に対して相対的に回転したり、数年から数十年の時間スケールで変化したりすることが示唆されていました。
研究チームは、121の地震から143組の明確な繰り返し地震のペアを特定し、それらの地震波が内核を通過する際の波形（PKIKP波）を、北米北部に設置された中規模の地震アレイ（ILAR, YKA）で記録・分析しました。
驚くべきことに、多くの地震グループにおいて、波形が一度変化した後、後の時点で再び以前の地震と一致するという現象が確認されました。つまり、ある時点で内核がマントルに対して過去と同じ位置を再び占めていることを示しています。
この波形の一致パターンと過去の研究から、内核は2003年から2008年にかけて徐々に時計回りに回転（スーパーローテーション）し、その後2008年から2023年にかけて、2〜3倍遅い速度で反時計回りに同じ経路を逆行したことが明らかになりました。
内核の前進と後退の速度が異なることから、内核、外核、マントル間の相互作用を説明する新しい地球ダイナミクスモデルが必要だと考えられます。
この研究の独創的な点は、地震波形の一致と不一致のパターンから内核の回転と逆行を正確に追跡できたこと、回転速度の非対称性を明らかにしたこと、そして過去に同じ位置に戻るという新しい内核の動きのパターンを発見したことです。
今後、この発見をもとに、内核とマントルの相互作用に関する新しいモデルの構築や、内核境界付近の他のプロセス（構造変化など）の解明、将来の内核の動きの予測と検証などへの応用が期待されます。


最後に
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