シングルセルRNAシーケンシングが末梢血における細胞タイプ特異的スプライシング調節と自己免疫および炎症性疾患との関係を明らかにする 背景紹介 近年、ゲノム研究の急速な進展により、複雑な形質の遺伝的基盤についての理解が大幅に深まりました。しかしながら、複雑な疾患と関連する多くのゲノム関連領域（GWAS loci）の機能的メカニズムは未だ完全には解明されていません。これらの領域の多くは、タンパク質を直接コードしない非コードゲノムに位置しており、転写後イベント、例えば選択的スプライシング（alternative splicing, AS）が遺伝子発現や複雑な疾患の遺伝的リスクにどのように影響を与えるかを理解することが重要です。選択的スプライシングは、遺伝子機能を調節し、遺伝子発現の多様性を創出する...

生物医学画像解析の未来を解読：多モダリティの統合分割、検出、認識の基盤モデル 背景紹介 生物医学研究において、画像解析は、生物医学発見を推進する重要なツールとなっており、細胞小器官から器官レベルに至るまでの多スケール研究を可能にしています。しかし、従来の生物医学画像解析手法は、分割（segmentation）、検出（detection）および認識（recognition）を独立したタスクとして個別に処理することが主流でした。この分断的なアプローチは、タスク間の情報共有の機会を削減し、複雑かつ多様な生物医学画像データの取り扱いを困難にしています。 例えば、従来の分割手法は対象物の領域を指定するために手動の境界ボックス（bounding box）に依存することが一般的ですが、形状が不規則または対...

大判型マイクロアレイを再利用してスケーラブルな空間トランスクリプトミクスを実現する新手法：Array-Seq技術の誕生 背景と研究の起源 近年、空間分子解析（spatiomolecular analyses）は、生物医学研究や臨床病理学にとって重要なツールとなっています。これは、組織内の細胞や分子の空間的な配置が、それらの機能や健康・病気における異常な変化にどのように影響を与えるかを研究できるからです。しかし、既存の空間トランスクリプトミクス（spatial transcriptomics, ST）技術は、複数の面で制約を抱えています。特に、装置の高額さ、操作の複雑さ、表面積の小ささ、大量のサンプル処理との非互換性、さらに一般的な組織学染色（H&E染色など）との非互換性が挙げられます。これら...

組織および臨床研究における核酸標的信号の高効率拡増のための新プラットフォーム：PSABER 研究の背景と関連知識 1960年代にPardueとGallが初めて原位ハイブリダイゼーション（In Situ Hybridization, ISH）を提唱して以来、この技術は固定されたサンプルにおける核酸標的の空間的分布を視覚化する能力から、広く研究および臨床応用で注目を集めてきました。ISHは、標的RNAまたはDNAと相補的なプローブとのハイブリダイゼーション反応に基づいており、その結果は蛍光顕微鏡または透過光顕微鏡によって解析されます。ISH技術は、ゲノムDNAの位置決定、人間の核型解析、単一細胞RNAの定量解析、そして核内の染色体の空間的組織に関する研究に広く利用されています。その中でも、蛍光原...

単一分子の動的構造生物学：グラフェンベースのDNA–タンパク質相互作用観測技術の新たな突破口 背景説明 DNAとタンパク質間の複雑かつ巧妙な相互作用は、DNA複製、転写、修復などの基本的な生物学的機能で重要な役割を果たしています。しかし、この相互作用の詳細な動的メカニズムを観察することは困難であり、特に分子スケール（ナノメートルあるいはオングストロームレベル）の構造変化を理解することは非常に挑戦的です。従来の構造生物学技術であるX線結晶構造解析、核磁気共鳴（NMR）分光法、電子顕微鏡法は、高解像度を実現する一方で、サンプルを固定または処理する必要があり、生理学的条件下での分子運動の観察が困難でした。また、単一分子蛍光共鳴エネルギー移動法（smFRET, single-molecule flu...

タンパク質配列空間の極端圧縮と再構築：EvoAIによる革新的な研究 背景紹介 タンパク質の設計と最適化は、バイオテクノロジー、医学、合成生物学分野における主要な課題の一つです。タンパク質の機能は、その配列および構造によって決定されますが、この機能性配列空間（sequence space）は非常に複雑で高次元であり、大量の可能性を含んでいます。この領域の探求における重要な課題は、このほぼ無限といえる配列空間をどのように効果的に解析し、圧縮し、機能に密接に関連する特徴を識別するかという点にあります。従来のアプローチには、直接進化（directed evolution）、深度変異スキャン（deep mutational scanning, DMS）、部位飽和変異（site-saturation m...

高効率で包括的なゲノム編集ツール：多重ドロップアウトスクリーニングのための効率的で校正されたPrime Editingプラットフォーム ゲノム編集の分野において、Prime Editing技術はその正確性と柔軟性のために高く評価されています。この方法は、二本鎖切断（DSBs）を必要とせず、ゲノム上で正確な単一塩基置換や小規模な挿入・欠失の修正を直接的に実現できます。しかし、大規模な機能ゲノム学研究においてPrime Editingを活用するには、効率の低さと不安定さという課題があります。この課題に対応するため、Princeton UniversityやUniversity of California San Diegoなど複数の研究機関による研究チームが、高編集効率を持つPrime Edit...

大規模言語モデルを用いた遺伝子集合機能発見の探求：GPT-4の優れた性能 学術的背景 機能ゲノミクス（functional genomics）の分野では、遺伝子集合の富化解析（gene set enrichment analysis）が遺伝子の機能と関連する生物学的プロセスを理解するための重要な方法となっています。しかし、現在の富化解析はGene Ontology (GO) などといった文献に基づいて整理された遺伝子機能データベースに依存しており、これらのデータベースには不完全性や更新の遅れといった課題があります。このため、多くの遺伝子集合が従来のツールでは効果的に解析できず、これらの未定義の遺伝子集合が新たな生物学的知識の源泉となる可能性があります。 こうした背景のもと、近年、生成型人工知...

自然行動における多モーダル神経記録及び操作のためのオープンプラットフォーム「ONIX」 研究背景と意義 近年、神経科学分野において、大規模神経集団の記録技術と動物行動の研究において大きな進展が見られました。しかし、これら2つの要求の間には常に矛盾が存在しています。高品質な神経データを得るため、頭部を固定した実験法が多く採用されてきましたが、これは動物の自然な行動を制限しています。しかし、多くの研究により、自然行動における神経活動は固定実験での行動とは顕著に異なることが示されています。例えば、運動行動が主に感覚処理に用いられると考えられていた脳の領域の活動に影響を与えること、さらに固定状態と自由行動状態では学習戦略にも明確な違いがあることが分かっています。これらの発見は、社会的相互作用、学習、...

単粒子冷凍電子顕微鏡における優先配向問題の克服：深層学習による革新的解決法 背景紹介 近年、単粒子冷凍電子顕微鏡（Single-Particle Cryo-EM）技術は、生体高分子を天然状態に近い条件下で原子分解能で解析できることから、構造生物学のコア技術として確立されました。しかし、実際の応用では、「優先配向」（Preferred Orientation）という技術的な壁に直面することが多いです。この問題の主な原因は、生体分子が冷凍電子顕微鏡のグリッド上で均等に分布せず、特定の方向のデータ収集が不十分になることです。この配向偏差は通常、試料調製プロセス中に分子が空気-水界面（Air-Water Interface, AWI）またはサポート膜-水界面との相互作用によって引き起こされます。 優...