2019年 Researchat.fm で紹介した関連論文まとめ

2019年の2月からResearchat.fmを始め、様々な論文について話してきました。 Researchat.fmの各エピソード内で紹介した(or 心の中では触れた)論文とその周辺論文についてまとめました。 2020年もたくさんの論文を紹介していこうと思っています！

Ep39: Podcast Year … 年末振り返り回

• Feldman et al., Cell (2019) Optical Pooled Screens in Human Cells.…CRISPR-Cas9による遺伝学スクリーニングの結果を光学系イメージング (In situ sequencing)により細胞に与えられた摂動と破壊された遺伝子の情報を読み出す技術。

Ep36: DNA-of-things … DNA入り3DオブジェクトをプリントするDNA-of-things (DoT)の技術紹介

• Koch et al., Nature Biotechnology (2019) A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory. … DNA-of-thingsのオリジナル論文。スタンフォードバニーちゃんの情報をDNAとして記録し、シリカビーズに入れて3Dプリンティング可能な材料に混ぜ込み、3Dオブジェクトを3Dプリンタによって作成するDNA-of-thingsの開発を行った。情報が劣化することなく、読み出しも問題なく行えた。DNAに情報を書き込む技術としてはDNA Fountain法を用いている。
• Erlich and Zielinski. Science (2017) DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture.… 噴水符号(Fountain Code)の技術をDNA Storageに応用した論文。DNA Storageのシャノン限界の見積もりや、過去のDNA Storage論文の比較を行っている。215Petabyte/gramで情報を埋め込むことができると推定している。
• Chen et al., Science (2015) Expansion Microscopy. … Ed Boydenらの技術。細胞に、膨らませることが可能なポリマーを染み込ませて膨らませることでこれまで観察不可能だった小さな構造が観察可能になった。超解像イメージングとは異なるアイデアから生まれた技術。
• Hoshika et al., Science (2019) Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. … 新しい人工塩基をつくることにより、4種類から8種類に拡張した論文。PCRしたり、DNA->RNAしたりすることが可能。

Ep35: Get amplified after death … DNAバーコードを位置情報と共に読み出すZombieの紹介

• Askary et al., Nature Biotechnology (2019) In situ readout of DNA barcodes and single base edits facilitated by in vitro transcription.…今回、Sohが紹介した論文。Elowitz labより。Zombieは、‘Zombie is Optical Measurement of Barcodes by In situ Expression’…の略。上手く言いましたね。
• Frieda et al., Nature (2017) Synthetic recording and in situ readout of lineage information in single cells.…一分子mRNAイメージングとゲノム編集を組み合わせた細胞系譜の追跡技術MOEIRを開発したのもElowitz labであり、こちらの論文はPubmedから無料で読めます。

Ep33: Rising … 雑談回

• Hu et al., Science (2019) Beetle horns evolved from wing serial homologs. … コガネムシのツノに関する論文。

Ep31: Editing the unedited … ゲノム編集技術Prime editing (PE)の解説

• Anzalone et al., Nature (2019) Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA.…今回とりあげたPrime editing論文の原稿。
• Shalon et al., Cell (2018) Functional Genetic Variants Revealed by Massively Parallel Precise Genome Editing. …In vivoでgRNAにコードさせたrepiar templateを逆転写反応後に相同組換えで導入する、というアイディアはこの論文が初出。この論文ではバクテリア由来のretronとよばれる配列を利用した。

Ep26: Cool tech googlability … CRISPR-Cas13システムを用いたRNA編集技術であるREPAIRとRESCUEの解説

• Cox et al., Science (2017) RNA editing with CRISPR-Cas13.…1本目に紹介したADARをdCas13bに融合させA-to-I RNA editingを実現させた。PDFがNCBI Pubmedから無料で読めます。REPAIRv2はoff-target効果がさらに軽減されている。
• Abudayyeh et al., Science (2019) A cytosine deaminase for programmable single-base RNA editing.…こちらは今年にScienceに掲載された改良版。ADAR2にさらに変異を加えることにより、A-to-IのみならずC-to-U RNA編集が実現され、RESCUEと命名。

Ep24: Driving, Surfing, and Sciencing … PCR法を発明したKary Mullis追悼回

• Saiki et al., Science (1985) Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia. … PCRの最初の論文。現在とプロトコルはほとんど変わっていないが、当時はDNA polymeraseとして、Klenowを用いていたため、温度を上げてDenatureさせた後はKlenowを新しく入れる必要があった (高温になるとKlenowが失活するため)。このため、サイクル反応のたびにどんどん反応容量が増えていき、最終的には140uLのうち、30%ちかくがKlenowになる。
• Mullis et al., Cold Spring Harb Symp Quant Biol. (1986) Specific enzymatic amplification of DNA in vitro: the polymerase chain reaction.…PCR初期の論文
• Mullis and Faloona. Methods Enzymol. (1987) Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction.…PCR初期の論文
• Saiki et al., Science (1988) Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase.…イエローストーン国立公園でとられた好熱細菌であるThermus aquaticusから取られたDNA polymeraseであるTaqを応用したPCRの論文。今のPCRの原型となる。被引用数としてはこの論文が一番PCR関連の中では多い。(2019年現在、被引用数は2万越え)
• Mullis. Nature (1968) Cosmological Significance of Time Reversal.…Kary Mullisが24歳の時にかいた物理の論文。
• Adleman. Science (1994) Molecular computation of solutions to combinatorial problems.…PCRを用いることによって7個の頂点からなるハミルトン経路問題を解くことを示した論文。DNA computingにおける最初の例。PDFが読めますので興味があればぜひ。
• Braich et al., Science (2002) Solution of a 20-Variable 3-SAT Problem on a DNA Computer.…AdlemanによるDNAコンピューター第二弾の論文。

Ep22: Evolutionary selected life … CRISPR-Cas9を用いた一塩基ゲノム編集技術

• Nishida et al., Science (2016) Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems.…Target-AID法ではヤツメウナギ由来のCDA1を利用し、C-to-T塩基編集技術が実現された。
• Komor et al., Nature (2016) Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage.…Target-AID法と同時期にDavid LiuらBroad研究所のチームは、ラット由来のAPOBEC1を使用したC-to-T塩基編集技術を報告した。
• Gaudelli et al., Nature (2017) Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage.…大腸菌のTadAタンパク質を人工的に進化させ、AからGへのDNA塩基編集酵素を作成したオリジナル論文。自然界には存在しないタンパク質を作出することはプロジェクト上、非常に大きなリスクを伴うものであった。
• Kim et al., Nature Biotechnology (2017) Increasing the genome-targeting scope and precision of base editing with engineered Cas9-cytidine deaminase fusions.…野生型のrAPOBECに3アミノ酸の変異を導入することにより、2bp程度の非常に狭い範囲のCをTに変換する酵素 BE3-YEEが開発された。

Ep21: Living in the base-21 world … 雑談回

• Yetisen et al., Angew Chem Int Ed Engl. (2019) Dermal Tattoo Biosensors for Colorimetric Metabolite Detection. … 皮膚に入れた刺青の色の変化によって代謝物の変化を測定しようというFunctional Tattooのコンセプトを打ち出した論文。

Ep19: Neuron Musk … Neuralink特集回

• Musk and Neuralink. BioRxiv (2019) An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels. … Musk and Neuralink, bioRxiv 2019 今回のNeuralinkの発表とともに公開。メイン論文。科学研究論文というよりは企業が公開するホワイトペーパーという形態である。
• Hanson et al., BioRxiv (2019) The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. … 2019年の3月にUCSFから発表されていた論文。ラストオーサーのPhilip Sabesは現在NeuralinkのSenior Scientist。今回の発表の根幹を担う技術についてかなり詳しく述べられている。発表時にNeuralinkとの関係は示されていない。
• Seymour et al., Microsystems & Nanoengineering (2017) State-of-the-art MEMS and microsystem tools for brain research … Microsystems & Nanoengineering誌のレビュー論文。

Ep18: WikipeDNA … 雑談回(DNA Storage)

• Organick et al., Nature Biotechnology (2018) Random access in large-scale DNA data storage. … Microsoft社により開発されたDNAストレージ技術。DNAマイクロチップ上に合成された数十万種類のDNAにはデータの他にそのデータブロックを示す番地情報が同時に付与されている。この番地情報に相補的なDNA配列をプライマーとして利用することでPCRによってランダムアクセスを実現した。この手法により、200MB程度の動画データの読み書きがデモされた。
• Church et al., Science (2012) Next-Generation Digital Information Storage in DNA. … Sriram KosuriとGeorge Churchらによるoligo chip synthesisを用いた最初のDNAデータストレージ論文。この研究では、PIでありながらもGeorge Churchはベンチに立ち、ピペットを握り実験したんだよと以前SriはSohに話してくれた。ちなみにSriはUCLAでPIとして独立後、Octantという製薬のベンチャーを立ち上げた。
• Roquet et al., Science (2016) Synthetic recombinase-based state machines in living cells. … CATALOGの創業者の一人、Nathaniel RoquetはMITの学生だった頃、Timthy Liu labで合成生物学の研究をしており、DNA組み換え酵素を組み合わせた複雑な遺伝回路を生きた細胞で実装することを成功させた。

Ep17: Ghost in the half-shell … 雑談回

• Rogers et al., Science (2018) Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome. … 小麦ゲノムの解読に関するサイエンスの論文
• Patrut et al., Annals of Forest Science (2011) Age determination of large live trees with inner cavities: radiocarbon dating of Platland tree, a giant African baobab. … サンランドバオバブの年齢を放射年代測定によって推定した論文。1060歳+-75歳とされている。
• Fankhauser. Journal of Heredity (1939) POLYPLOIDY IN THE SALAMANDER, EURYCEA BISLINEATA. … Fankhauserによるサラマンダーの実験

Ep16: Beyond imaging … DNA microscopy解説回

• Weinstein et al., Cell (2019) DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction. … DNA microscopyに関するオリジナル論文。
• Xu et al., Nature Methods (2016) Virtual microfluidics for digital quantification and single-cell sequencing. … In-gel PCRの元論文。

Ep15: Fighting against myself … kyonゲスト回(趣味雑談回)

• Wade et al., Science (2009) Genome sequence, comparative analysis, and population genetics of the domestic horse. … サラブレッドの全ゲノムシーケンス論文

Ep14: Popte-PIWI-c … kyonゲスト回(piRNA経路の解説)

• Arravin et al., Current Biology (2001) Double-stranded RNA-mediated silencing of genomic tandem repeats and transposable elements in the D. melanogaster germline. … piRNA…昔はrasiRNA (Repeat associated small interfering RNA) と呼ばれていた。2001年にハエの生殖細胞でトランスポゾンをRNAサイレンシングする因子として最初に見つかった。
• Iwasaki et al., Annual Review of Biochemistry (2015) PIWI-Interacting RNA: Its Biogenesis and Functions.

Ep13: Once in a lifetime … 雑談回

• Pritchard. Nature (2018) Asia’s glaciers are a regionally important buffer against drought. … アジアにおける氷河が干ばつに対して重要な役割を担っている、という再掲載された気象学の原著論文。
• Good et al., Nature (2017) The dynamics of molecular evolution over 60,000 generations. … 大腸菌の実験室進化 (Long-term evolution experiment, LTEE)のLenskiたちの論文。なんと60,000世代の継代で見られた大腸菌ゲノムの変化を報告しており、実験はまだ続いている。
• Liu et al., Nature Biotechnology (2019) Multi-omic measurements of heterogeneity in HeLa cells across laboratories. … HeLa細胞の研究室間での不均質性についての最新の報告

Ep11: Intelligence requires a body … 身体改造・拡張特集回

• Heo et al., PNAS (2011) Long-term in vivo glucose monitoring using fluorescent hydrogel fibers. … 東大の竹内研から発表された論文。マウスの耳に血糖値に応じて光の強度が変化するハイドロゲルを埋め込み、ライブで血糖値の変化を測定することに成功した。これもこれからの侵襲性生体デバイスの開発を期待させる、とても面白い論文となっている。
• Ma et al., Cell (2019) Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae. … 哺乳類は750nm以上の波長を持つ赤外線域の光を見ることはできない。本論文では、985nm周辺の近赤外線により励起し、580nm周辺の緑の光を放出するナノ粒子を、マウスの光受容体、桿体細胞のouter segment上に外科手術によって注入することで、赤外線を緑色光としてマウスが知覚できる様になったことを示した。ゲノム配列の変化を伴わない、侵襲性生体デバイスのこれからの発展を匂わせる論文である。
• Mandai et al. N Engl J Med. (2017) Autologous Induced Stem-Cell–Derived Retinal Cells for Macular Degeneration. … 加齢黄斑変性の患者の網膜に対して、患者自身のiPS細胞に由来する網膜色素上皮シートを移植した論文。

Ep9: One-shot beautiful experiment … Sydney Brenner追悼回 2

• Sulston et al., Developmental Biology (1983) The embryonic cell lineage of the nematode Caenorhabditis elegans. … Sulstonらによって線虫の全細胞における細胞系譜が初めて明らかにされた記念碑的な論文。Sulstonは4時間に及ぶ顕微鏡観察を毎日2回繰り返すことを何年も続け、959個の細胞系譜を明らかにした。
• McKenna et al., Science (2016) Whole-organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing. … Jey Shendreによる全く新しい細胞系譜の追跡方法。CRISPR-Cas9によるゲノム編集を人工的な配列に引き起こすことにより、生体内で変異パタンを生成させ、このパタンの系統樹を描くことにより細胞系譜を追跡するGESTALT法。ゼブラフィッシュにおける複雑な細胞系譜が顕微鏡を使わず、一度のシーケンシングによって再構成できることを世界で初めて示した。このアイデアに世界中の研究者らが触発され、多くの関連技術群が開発される契機となった。
• Frieda et al., Nature (2016) Synthetic recording and in situ readout of lineage information in single cells. … Long CaiとMichael ElowitzらによるCRISPR-Cas9と一分子RNA FISH法を組み合わせた細胞系譜の追跡技術、MEMOIR法。人工的な配列が時間経過とともにゲノム編集によって破壊され、一分子RNA FISHの蛍光が減弱するパタンを利用して、細胞系譜を追跡することができる方法。
• Livet et al., Nature (2007) Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system. …Brainbowのオリジナル論文。Cre-LoxPによるDNA組み換え酵素によって複数の蛍光タンパク質をランダムに発現させ、その多色のパタンによってクローンを標識・追跡が可能となる。
• Zador et al., PLos Biol. (2012) Sequencing the connectome. … ZadorらによるDNAバーコードを用いたコネクトーム計測のアイデア論文。大規模な空間情報を顕微鏡を使わずにいかにシーケンシングによって明らかにするか？という全く新しい発想を提示した一方、このアイデアがどのように実現できるのか、この当時はまだ自明でなかった（今も）。
• Lieberman-Aiden et al., Science (2009) Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome. …Hi-C法のオリジナル論文。この論文を起点として、核内における染色体高次構造、クロマチン構造解析が爆発的に進むようになった。
• Dekker et al., Science (2002) Capturing chromosome conformation.…Hi-C法の基礎となった3C法のオリジナル論文。ホルムアルデヒドによる固定、制限酵素による切断、ライゲーション、PCR増幅という分子細胞生物学に必須ないくつかの基本的なテクニックを組み合わせることで、Job Dekkerはこの天才的なアイデアを生み出した。3C法の発明は分子細胞生物学、ゲノミクス研究の歴史において特異点的な偉業である。Job Dekkerはこの方法論にたどり着いた理由について、彼自身が博士時代にNMRの研究を行なっていたこと、分子生物学の実験でPCRだけはうまくできたこと、実験初期にすぐにうまくいったことだと、以前tadasuに語ってくれた。しかしその特異さゆえ、2009年のHi-C論文が世に出るまではなかなか評価されることはなかった。

Ep7: In the golden age of molecular biology … Sydney Brenner追悼回 1

• Brenner. PNAS (1957) On the impossibility of all overlapping triplet codes in information transfer from nucleic acid to proteins. … ブレナーが3文字からなるオーバーラップコドン仮説を否定した論文。当時既知であったアミノ酸配列を用いて、簡単な計算からとても美しい回答を出した。付録にあるアミノ酸配列一覧は必見。
• Gamow. Nature (1954) Possible Relation between Deoxyribonucleic Acid and Protein Structures. … 物理学者ガモフがダイヤモンド仮説を提唱した論文。
• Brenner, Jacob, Meselson. Nature (1961) An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis.
• Crick, Barnett, Brenner, Watts-tobin. Nature (1961) General nature of the genetic code for proteins.… ファージを用いた実験によって、塩基が欠質するごとにフレームシフトが起きることを示し、また3塩基の欠質によって復活する部分があることを示した。これによりコドンの3塩基性(もしくは3の倍数)、コドンがオーバラップしていない、カンマになるような部分はない(comma-free model)、一つのアミノ酸が複数のコドンによってコードされる、ことが示された(示唆された)。
• Nirenberg and Matthaei. PNAS (1961) The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides. … ニーレンバーグとマッシー(マタエイのほうが一般的？)によって、UUUがフェニルアラニンをコードしていることを示した論文。ニーレンバーグはRNAネクタイクラブのメンバーではなかったが、コドンとアミノ酸の対応を最初に解明し、最終的に64個のコドンのうち50以上のコドンは彼のグループによって解明された。
• Crick, Brenner, Klug, Pieczenik. Origns of Life (1976) A speculation on the origin of protein synthesis.

Ep2: An emerging technology is always not perfect … CRISPR説明回

• Cong et al., Science (2012) Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems.
• Mali et al., Science (2012) RNA-Guided Human Genome Engineering via Cas9.
• Slaymaker et al., Science (2016) Rationally engineered Cas9 nucleases with improved specificity.
• Kleinstiver et al., Science (2016) High-fidelity CRISPR-Cas9 nucleases with no detectable genome-wide off-target effects.
• Shipman et al., Nature (2017) CRISPR-Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria.
• Pawluk et al., Cell (2016) Naturally Occurring Off-Switches for CRISPR-Cas9.
• 森 秀人, 石黒 宗. 実験医学 (2019) ウェットなデータストレージメディアとしてのDNA.

Ep1: 600 tabs in your browser … 雑談(染色体本数とザリガニ/ロブスターの話)

• Niiyama. Annotationes Zoologicae Japonenses (1962) On the unprecedentedly large number of chromosomes of the crayfish, Astacus trowbridgii Stimpson. … ウチダザリガニの染色体本数(2n=376)を数えた論文。
• Lukhtanov. Comp Cytogenet. (2015) The blue butterfly Polyommatus (Plebicula) atlanticus (Lepidoptera, Lycaenidae) holds the record of the highest number of chromosomes in the non-polyploid eukaryotic organisms. … 蝶の一種であるアトラスブルーは2n=約448-452の染色体を持つ。