学術的背景と問題提起 ミトコンドリアは真核細胞において重要な細胞小器官であり、細胞のエネルギー代謝、シグナル伝達、細胞の生存と死の調節に関与しています。ミトコンドリアの機能障害は、神経変性疾患、心血管疾患、糖尿病、がんなど多くの人間の疾患と関連しています。そのため、ミトコンドリアの動態を研究することは、その生物学的機能と疾患における役割を理解する上で重要です。しかし、従来の電子顕微鏡（EM）は非常に高い空間分解能を持っていますが、固定されたサンプルにしか適用できず、ミトコンドリアの動態を捉えることはできません。蛍光顕微鏡は生体サンプルの観察に使用できますが、特に3次元（3D）再構築や長時間のイメージングにおいて、光退色（photobleaching）の問題が定量分析の精度を大きく低下させてい...

学術的背景 三次元（3D）高解像度大容量イメージングは、生物医学分野における大きな課題の一つです。従来の二次元（2D）切片イメージングは、組織や細胞の平面形態学的情報を提供できますが、内部の三次元構造情報を包括的に示すことはできません。これは、がん診断や胚発生研究において重要です。従来の3D組織学的手法は、通常、数千枚の薄片を手動で切断し染色する必要があり、時間がかかり、労力も大きいです。さらに、異なる切片間の空間情報を復元するために、複雑な画像登録アルゴリズムが必要です。これらの問題を解決するために、近年、組織透明化技術やブロックフェイス連続切片断層撮影（BSST）技術など、さまざまな自動化された3D光学イメージング技術が登場しています。 しかし、既存の3Dイメージング技術にはいくつかの限...

ウランを使用しないKMnO₄/Pb染色による低真空走査型電子顕微鏡での組織構造のイメージング 学術的背景 電子顕微鏡（Electron Microscopy, EM）は、細胞や組織の超微細構造を研究するための最も強力なツールの一つです。しかし、従来の生物試料の金属染色法では、有害なウラン化合物を使用する必要があり、これが電子顕微鏡の広範な応用を妨げていました。近年、超解像蛍光顕微鏡の発展により、多くの細胞生物学者が免疫細胞化学技術に注目していますが、蛍光標識は依然としてこれらの技術の基盤となっています。そのため、電子顕微鏡観察は不可欠な手法であり、生物学における細胞/組織構造と機能の相関を明らかにするために、新たなデバイスや手法が開発されています。 低真空走査型電子顕微鏡（Low-Vacuu...

核小体繊維のトポロジーが転写因子のエンハンサーへの結合を導く 学術的背景 細胞のアイデンティティの確立は、細胞タイプ特異的な遺伝子のエンハンサーに結合する複数の転写因子（Transcription Factors, TFs）の協調的な作用に依存しています。TFsはアクセス可能なクロマチン内の特定のDNAモチーフを認識しますが、この情報だけではTFsがどのようにエンハンサーを選択するかを説明するには不十分です。本論文では、4つの異なるTFの組み合わせを比較し、それらのゲノム占有率、クロマチンのアクセス可能性、ヌクレオソームの位置、および3次元ゲノム組織をヌクレオソーム解像度で分析し、ヌクレオソーム繊維のトポロジーがどのようにTFsのエンハンサーへの結合を導くかを明らかにしました。 論文の出典 ...

リトコール酸がカロリー制限の抗老化効果を模倣する 学術的背景 カロリー制限（Caloric Restriction, CR）は、食物摂取を減らすことで健康を促進し寿命を延ばす食事介入手段です。CRは多くの生物の寿命を延ばすことが証明されていますが、その背後にある具体的な代謝メカニズムはまだ不明です。特に、CRの過程でどの代謝物が変化し、直接的にその生理的利点をもたらすかは未解決の課題です。この問題に答えるため、研究者たちは代謝物の変化を分析し、その機能を検証しました。 論文の出典 この研究は、厦門大学生命科学学院のQi Qu、Yan Chen、Yu Wangらによって行われ、2024年に『Nature』誌に掲載されました。研究チームは代謝物の変化を分析し、リトコール酸（Lithocholic...

珪藻フィトクロムが水中光スペクトルを統合して深度を感知する研究 学術的背景 海洋生態系における光の分布は、水生生物の生活に深い影響を与えます。光は深度とともに減衰するだけでなく、そのスペクトル組成も大きく変化します。しかし、植物プランクトンが光受容体を通じてこれらの光変化をどのように感知しているかについては、まだ十分に解明されていません。珪藻は海洋において重要な植物プランクトンであり、その光感知メカニズムの研究は、海洋生態系の光適応戦略を理解する上で重要な意味を持ちます。フィトクロム（phytochromes）は、主に赤色光（R）と遠赤色光（FR）を感知するタンパク質で、光合成生物や非光合成生物に広く存在しています。しかし、海洋環境では赤色光と遠赤色光が水によって強く吸収されるため、珪藻フィ...

RNAのコンフォメーション空間の研究：溶液中のRNase P RNAの動的構造 学術的背景 RNAのコンフォメーション多様性は、生物学において重要な役割を果たしており、特にRNAスプライシング、パッケージング、細胞転写活性化、および環境刺激応答などのプロセスにおいて重要です。しかし、従来の生物物理学的技術では、溶液中のRNAの完全なコンフォメーション空間を直接可視化することはできませんでした。RNase P RNAは、すべての生物界に存在するRNA酵素であり、前駆体tRNA（pre-tRNA）の5’末端を編集する役割を担っています。その基質特異性が広範であることから、RNase P RNAは高いコンフォメーション柔軟性を持つと考えられており、この柔軟性と酵素活性に必要な剛性構造との間には複雑...

空間トランスクリプトミッククロックが脳の老化における細胞近接効果を明らかにする 学術的背景 加齢に伴い、認知機能の低下と神経変性疾患のリスクが顕著に増加します。脳の老化は複雑なプロセスであり、多くの細胞レベルの変化を伴います。しかし、老化した細胞がどのように近隣の細胞に影響を与え、その影響が組織の機能低下にどのように寄与するかはまだ明らかではありません。さらに、老化組織におけるこの問題を体系的に解決するためのツールはまだ開発されていません。この研究では、研究者たちは空間分解能を持つ単一細胞トランスクリプトームアトラスを開発し、機械学習モデルを組み合わせることで、老化、再生、および疾患における空間的および細胞タイプ特異的なトランスクリプトームの特徴を明らかにしました。 論文の出典 この論文は、...

学術的背景 RNA（リボ核酸）は生命体において極めて重要な分子であり、遺伝子発現、調節、触媒など多様な生物学的プロセスに関与しています。ヒトゲノムの大部分はRNAに転写されますが、RNA分子の構造研究は依然として大きな課題を抱えています。RNA分子は通常、高い構造的多様性と柔軟性を持ち、これがその機能の前提となっていますが、これが核磁気共鳴（NMR）、X線結晶学、クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）などの伝統的な構造解析手法の適用を制限しています。特に大きなRNA分子では、その構造的多様性と大規模なRNA構造データベースの欠如により、既存のタンパク質構造予測手法（例：AlphaFold）を直接RNAに適用することができません。したがって、大きなRNA分子の三次元構造、特にその構造的多様性を正...

学術的背景と問題提起 がん研究において、遺伝子増幅（gene amplification）は一般的な変異形式であり、特にがん遺伝子（oncogene）の活性化において重要な役割を果たしています。しかし、遺伝子増幅ががんにおいて重要であることは広く認識されているものの、初代細胞やモデル生物でこれらの増幅を正確に模倣することは依然として課題です。特に、染色体外DNA（extrachromosomal DNA, ecDNA）を介した遺伝子増幅はがんにおいて非常に一般的ですが、その腫瘍発生や進行における具体的な役割はまだ完全には解明されていません。ecDNAは染色体に依存しない環状DNA分子であり、通常は複数のがん遺伝子コピーを運び、細胞分裂中のランダムな分離を通じて急速に蓄積し、腫瘍の異質性と進化...