論文まとめ273回目 SCIENCE ビタミンAが傷ついた皮膚の修復と毛髪再生における幹細胞の運命を制御！？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SCIENCE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
Vitamin A resolves lineage plasticity to orchestrate stem cell lineage choices
ビタミンAが系列可塑性を解決し、幹細胞の系列選択を調整する
「ビタミンAは、傷んだ肌を修復し、新しい毛を生やすためのスイッチ役。」
Brainstem control of vocalization and its coordination with respiration
脳幹による発声制御とその呼吸との調和
「私たちが話すとき、無意識のうちに呼吸と声をうまく調整していますが、ネズミも同じように複雑な脳のメカニズムを使って鳴き声と呼吸をコントロールしているのです。」
Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition
組織特異的なブラシノステロイド抑制を通じた稲の穂の枝分かれと穀粒数の向上
「稲の穂にもっと多くの米を実らせる秘密は、特定のホルモンの活動をうまくコントロールすることにありました。このホルモンを抑えることで、穂が枝分かれして、結果として米の数を増やすことができるんです。」
CO2 drawdown from weathering is maximized at moderate erosion rates
浸食の適度な速度での風化による二酸化炭素の減少は最大になる
「地球上で起こる岩石の浸食は、実は大気から二酸化炭素を取り除く隠れた力を持っていて、その効果は浸食の速さによって変わります。浸食が速すぎても遅すぎてもなく、ちょうど良い速度があるんです。」
Multimodality integrated microresonators using the Moiré speedup effect
モアレ加速効果を使用した多機能統合マイクロ共振器
「光を使って情報を処理する超小型デバイスに、スイッチ一つで様々な機能を持たせる方法を見つけた。」
要約
ビタミンAが傷ついた皮膚の修復と毛髪再生における幹細胞の運命を制御
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7342
ビタミンAがマウスの毛包幹細胞の運命の切り替えを制御し、傷の修復や毛髪生成における幹細胞の振る舞いを調節することが発見された
事前情報
大人の幹細胞は、組織の再生を支えており、特に肌のような障壁組織では、傷害後にその再生能力が拡大する
行ったこと
研究チームは、マウスの毛包幹細胞でビタミンA（特に全トランスレチノイン酸）が運命の切り替えにどのように作用するかを調べた
検証方法
小分子ライブラリーのスクリーニング、細胞培養、およびマウスの遺伝学を用いて、レチノイン酸の役割を解明した
分かったこと
ビタミンAの代謝物であるレチノイン酸が、幹細胞の系列選択と同定に必要であり、傷の修復や毛髪再生において幹細胞の役割のバランスをとるために重要であることが分かった
この研究の面白く独創的なところ
ビタミンAが幹細胞の「系列可塑性」と呼ばれる状態の重要な調整因子であり、これが解決されなければ、効果的な再生や毛髪の再生ができないことを明らかにした点
この研究のアプリケーション
この知見は、再生医療、傷の修復、がん治療において幹細胞の振る舞いをコントロールする新たな方法を提供する
著者と所属
MATTHEW T. TIERNEY, LISA POLAK, YIHAO YANG, MERVE DENIZ ABDUSSELAMOGLU, INWHA BAEK, KATHERINE S. STEWART, AND ELAINE FUCHS
更に詳しく
この研究では、ビタミンAが、特に全トランスレチノイン酸（atRA）として知られる形で、マウスの毛包幹細胞（HFSC）の行動に深く関与していることが明らかにされました。毛包幹細胞は皮膚の修復と毛髪の生成に不可欠な役割を果たしますが、傷害があった際にはこれらの細胞は「系列可塑性」という状態に入ります。この状態では、細胞はその固有の運命から解放され、新しい細胞の運命へと移行する能力を得ることができます。研究チームは、atRAがこの系列可塑性を制限し、細胞が新しい運命へと切り替わるためには、この制限が一時的に解除される必要があることを発見しました。
さらに深い研究により、atRAが局所的に毛包幹細胞のニッチ成分として生成され、この物質が細胞の運命と使用を決定する上で必要であることが判明しました。研究チームは、遺伝的、食事による、そして外用的な介入を通じて、atRAが傷の修復と毛髪再生において幹細胞の貢献をどのようにバランスさせるかを示しました。具体的には、傷の修復が始まる初期段階では、atRAの可用性が一時的に低下し、これが幹細胞に運命の切り替えを許可します。その後、皮膚の障壁が再形成されると、atRAのシグナルが再び高まり、毛髪再生を促進するための幹細胞の貢献を再バランスさせます。
この一連の発見は、ビタミンAが皮膚の再生プロセスにおいて中心的な調整役を担っていることを示しています。atRAのレベルが幹細胞の行動を調節し、これによって細胞は傷が癒えた後に毛髪を再生するか、または傷を修復するための皮膚細胞を生成するかの間で適切な選択ができるようになります。このプロセスの理解は、再生医療や慢性傷の治療方法の改善に寄与する可能性があります。
ネズミの鳴き声生成と呼吸の連携を制御する脳の仕組みを解明
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi8081
この研究では、ネズミが鳴き声を出す際の脳の仕組みと、それがどのように呼吸と調和しているかを明らかにしました。
事前情報
以前の研究では、鳴き声を制御する脳内の核が特定されていましたが、声帯を閉じるためのニューロンや、発声と呼吸をどのように同期させるかは不明でした。
行ったこと
研究チームは、ネズミの鳴き声生成と呼吸の連携を直接制御する神経回路を特定するための実験を行いました。
検証方法
モノシナプティックラビーウイルスを用いたトランスシナプティックトレーシングと、即時早期遺伝子Fosを基にしたターゲティング法を組み合わせて、特定のニューロンの役割を調べました。
分かったこと
発声に特化した喉の運動前ニューロンが、声帯の閉鎖を駆動し、鳴き声と呼吸の調和を取る鍵であることが判明しました。これらのニューロンは、呼吸を制御するpreBötzinger complexからの抑制により、呼吸のインスピレーションフェーズにおいて発声が一時的に停止するよう調整されます。
この研究の面白く独創的なところ
脳の深部に位置する特定のニューロンが、呼吸と密接に連携しながら発声を制御する仕組みを明らかにした点です。
この研究のアプリケーション
言語障害や呼吸障害の治療への応用が期待されます。
著者と所属
Jaehong Park, Seonmi Choi, Jun Takatoh, Shengli Zhao, Andrew Harrahill, Bao-Xia Han, Fan Wang; 複数の研究機関からの共同
更に詳しく
この研究では、ネズミが鳴き声を出すためには、声帯が閉じて空気が押し出される必要があることを前提にしています。その過程で、ネズミの脳幹内にある特定のニューロン群が重要な役割を果たしていることが判明しました。研究チームは、これらのニューロンが、声帯を閉じるための信号を発し、その結果として鳴き声が生まれることを突き止めました。さらに、これらのニューロンは、呼吸のリズムと緻密に調和して動作することがわかりました。
呼吸は生命維持に不可欠なプロセスであり、インスピレーション（吸気）とエクスピレーション（呼気）の周期的な繰り返しによって成り立っています。この研究では、鳴き声を生成するためには、エクスピレーション、つまり呼気のフェーズが必要であること、そしてこのプロセスがインスピレーション、つまり吸気のフェーズによって一時的に中断される仕組みが存在することが明らかになりました。この中断メカニズムは、preBötzinger complexと呼ばれる呼吸リズムを生成するニューロン群からの抑制信号によって実現されています。
具体的には、preBötzinger complexからの抑制信号が、発声に関与するニューロンに対して働くことで、吸気の間は声帯が閉じることを防ぎ、呼吸の優先順位を確保しています。しかし、吸気フェーズが終わり、呼気フェーズが始まると、この抑制が解除され、発声ニューロンが活性化することで声帯が閉じ、鳴き声が生成されます。このように、発声と呼吸のプロセスは、脳幹内のニューロンの精密な制御によって緻密に調整されているのです。これは、ネズミに限らず、哺乳類の発声と呼吸の基本的なメカニズムを理解する上での重要な発見であり、言語や呼吸に関わる様々な障害の治療法開発に向けた貴重な洞察を提供しています。
特定の組織での植物ホルモンの働きを抑えることで、稲の穂の分岐と穀粒数を増加させる方法を発見
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838
この研究では、稲の穂の枝分かれと穀粒数を増やすために、特定の組織でブラシノステロイドという植物ホルモンの働きを抑制する方法を見つけ出しました。
事前情報
従来から、稲の穀粒の大きさと数の間にはトレードオフがあると考えられており、このバランスを最適化することは品種改良における大きな課題でした。
行ったこと
研究チームは、穂の枝分かれと穀粒数を増加させる遺伝子を特定し、その遺伝子がブラシノステロイドの分解に関与することを明らかにしました。
検証方法
遺伝子のクローニングや、ブラシノステロイドの濃度を操作することで、穂の枝分かれや穀粒数にどのような影響があるかを調べました。
分かったこと
特定の組織でブラシノステロイドの働きを抑制することで、稲の穂がより多く枝分かれし、穀粒数を増やすことができることがわかりました。この方法は、穀粒の大きさに悪影響を与えることなく、穀粒数を増やすことができます。
この研究の面白く独創的なところ
組織特異的な方法でブラシノステロイドの働きを抑制することにより、従来の品種改良では難しいとされてきた穀粒の大きさと数のトレードオフを克服した点です。
この研究のアプリケーション
この発見は、稲だけでなく他の作物の品種改良にも応用可能で、食料生産量の増加に貢献する可能性があります。
著者と所属
Xiaoxing Zhang, Wenjing Meng, Dapu Liu, Dezhuo Pan, Yanzhao Yang, Zhuo Chen, Xiaoding Ma, Wenchao Yin, Mei Niu, [...], Hongning Tong +8 authors
更に詳しく
この研究での発見は、稲の品種改良において革新的なアプローチを提供しています。研究チームは、稲の穂の枝分かれと穀粒数を増加させることが可能であることを明らかにしましたが、その鍵となるのはブラシノステロイド（BR）という植物ホルモンの活動を、特定の組織において抑制することでした。BRは通常、植物の成長や発達において重要な役割を果たしていますが、その効果は穀粒の大きさや数にも影響を及ぼします。
研究チームが行った実験では、稲の二次枝分かれの部分（穂のさらに細かい分岐部分）でBRの働きを抑える遺伝子が活性化されることが発見されました。この遺伝子の活性化により、BRの濃度がこの特定の組織で減少し、結果として穂の枝分かれが促進され、穀粒数が増加することが観察されました。重要なことは、この過程が穀粒のサイズに悪影響を与えることなく行われる点です。つまり、BRの組織特異的な抑制は、穀粒の数を増やしながらも、そのサイズを維持することができるのです。
実験により、この遺伝子操作を施した稲は、通常の稲に比べて明確に穂の枝分かれが多く、それに伴い穀粒数が増加することが確認されました。これは、稲の収量を向上させる可能性を示唆しています。さらに、このメカニズムは稲だけに留まらず、他の植物種における類似した成長パターンの制御にも関係している可能性があり、植物の成長制御における新たな原理を提供するものです。
この研究によって明らかにされた組織特異的なホルモン制御の仕組みは、穀粒の大きさと数のバランスを取りながら収量を最大化する、新たな品種改良戦略の開発に寄与すると期待されます。
地表の浸食が適度な速度である場合に大気中の二酸化炭素を最も効率的に減少させる
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0957
この研究では、岩石の風化と大気中の二酸化炭素の関係について調査し、地表の浸食率が適度な場合に二酸化炭素の吸収が最大化されることを発見しました。
事前情報
地球上での浸食と大気中の二酸化炭素量の関係は、これまで矛盾したデータにより解明が難しかった。
行ったこと
研究チームは、山岳地帯の川から採取した溶解化学データセットを分析して、浸食率が二酸化炭素吸収に与える影響を特定しました。
検証方法
異なる地域の山岳地帯の川の溶解化学データを使用して、浸食率と二酸化炭素の吸収・放出との関係を分析しました。
分かったこと
浸食率が年間約0.07ミリメートルである場合に二酸化炭素の減少が最大になり、過度に浸食された地域は逆に二酸化炭素を大気に放出していることがわかりました。
この研究の面白く独創的なところ
山を形成する過程での浸食と大気中の二酸化炭素量との関係を示したことで、地質学的な時間スケールでの炭素循環への理解を深めることができた点です。
この研究のアプリケーション
この発見は、気候変動への対策において、地質学的プロセスを考慮することの重要性を示しており、将来の炭素循環モデルの精度を高めるための知見を提供します。
著者と所属
Aaron Bufe, Jeremy K. C. Rugenstein, Niels Hovius
更に詳しく
この研究では、岩石の風化が大気中の二酸化炭素をどのように影響するかを深く探求しています。岩石の風化は、化学反応を通じて大気から二酸化炭素を取り込むプロセスです。特に、地球表面の浸食はこの風化プロセスに重要な役割を果たしており、浸食によって新たな岩石が露出し、それが風化によって二酸化炭素を吸収する機会を提供します。しかし、すべての浸食率が同じ効果をもたらすわけではありません。
研究チームは、年間約0.07ミリメートルという比較的穏やかな浸食率で二酸化炭素の吸収が最大化されることを発見しました。この速度では、十分な量の新しい岩石が露出して風化による二酸化炭素の吸収が活発になる一方で、浸食があまりに速いと、風化プロセスが追いつかずに二酸化炭素の吸収効率が低下することが示唆されました。この最適な浸食率は、世界の多くの地域で観察されるが、特に活発に浸食されている山岳地帯ではこのレートを大幅に超えているため、そういった地域は大気への二酸化炭素の貢献者になりうることが示されました。
この発見は、地球の炭素循環における浸食と風化の役割に新たな光を当てています。適度な浸食率であれば地球の自然な二酸化炭素吸収機能を強化し、気候変動緩和に貢献する可能性があることを示しています。それに対し、過度の浸食はこのプロセスを逆転させ、大気中の二酸化炭素濃度の増加を助長する可能性があることを警告しています。この知見は、地球の気候システムと人類の活動がどのように相互作用しているかを理解する上で、非常に重要なものです。
光学マイクロ共振器を用いて、機能を自由に切り替え可能な光フォトニックデバイスを開発
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9429
二つの光学マイクロ共振器を組み合わせて、その間の結合を制御することで、デバイスの機能をレーザーや光周波数コムなど、需要に応じて変更できる多機能光フォトニックデバイスを開発した。
事前情報
光学マイクロ共振器は、その物理的形状によって機能が固定されるため、製造後の機能再構成が難しい。
行ったこと
モアレ速度効果を利用した分散調整方法を提案し、電気的な調整により同じデバイスで異なるモードの操作が可能なマイクロ共振器デバイスを設計、製造した。
検証方法
ヴェルニエ結合リングを電気的に調整することで、ブリルアンレーザー、明るいマイクロコム、暗いマイクロコムの操作モードに切り替えた。
分かったこと
単一のポンプ波長を使用しても、操作モードを切り替えることが可能であり、このユニバーサルデザインがさまざまなアプリケーションに適用可能であることを示した。
この研究の面白く独創的なところ
一つのデザインで複数の機能を持たせ、需要に応じて簡単に機能を切り替えられる点。
この研究のアプリケーション
統合フォトニクス回路における柔軟な混合モード操作を提供し、さまざまな光通信やセンシング技術に貢献する。
著者と所属
Qing-Xin Ji, Peng Liu, Warren Jin, Joel Guo, [...], Kerry J. Vahala +6 authors
更に詳しく
この研究で開発された多機能光フォトニックデバイスは、二つの光学マイクロ共振器が巧みに組み合わされています。これらの共振器は、特定の物理的配置によって互いに結合しており、その結合の度合いを電気的に調整することで、デバイスの機能を柔軟に変更できるようになっています。具体的には、このデバイスはレーザーとして機能することも、明るいまたは暗い光周波数コムを生成することもできます。
レーザーモードでは、デバイスは強力な光源として機能し、一定の周波数で光を放出します。一方、光周波数コムモードでは、デバイスは一定の間隔で多数の周波数成分を持つ光の「くし」を生成します。明るい光周波数コムは、各周波数成分が明瞭に識別できる状態で光を放出するのに対し、暗い光周波数コムは特定の周波数成分が抑制された状態で光を放出します。
デバイスの操作モードの切り替えは、電気的な信号によって簡単に行えるため、使用するアプリケーションに応じてデバイスの機能を即座に変更することが可能です。この柔軟性は、通信、センシング、計測など、様々な分野での応用を可能にします。たとえば、通信技術では、データ伝送のためのレーザー光源として、またはデータの多重化・復号化に利用される光周波数コムとして使用できます。センシングや計測では、光周波数コムを用いて、高精度な距離測定や環境モニタリングが実現できます。
この技術の核心は、同一のデバイスで複数の高度な機能を実現し、かつそれらを使用状況に応じて切り替えられる点にあります。この多機能性と高い柔軟性により、統合フォトニクス技術の新たな地平が開かれることになります。
最後に
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