九州大学 理学研究院 理学府 理学部

悪性化したがん細胞は非常に高い運動能力を持ち、血管内へと潜り込み、体内の別の組織へと転移します。この時、がん細胞は前方にブレブと呼ばれる大型の突起を活発に形成し、これを足として使うことで、自らの形態を大きく変形させながら狭い隙間を潜り抜けるように移動します。しかし、細胞がどのようにして急激なブレブの拡大を可能にし、自らの形態をダイナミックに変形させているのかは全く明らかになっていませんでした。大阪大学 微生物病研究所の青木 佳南 (研究当時 本学大学院理学研究院 生物科学部門 特任助教) と九州大学 大学院理学研究院 生物科学部門の池ノ内 順一 教授らは、拡大中のがん細胞のブレブ内では、細胞質の流動性が大きく上昇し、柔らかい細胞質領域が形成されていることを見出しました。さらに、拡大中のブレブ内にはカルシウムイオンが大量に流入しており、それにより細胞質の性質の変化が起こることが分かりました。この研究により、細胞は部分的に細胞質の柔らかさを変化させることで、細胞運動時の柔軟な変形を可能にしていることが初めて明らかになりました。

iGEM (The International Genetically Engineered Machine) Competition とは、合成生物学をキーワードとした、大学生が主体となって世の中の問題を解決するためのアイデアを出し合う国際大会です。最近よく耳にする遺伝子組み替えやゲノム編集などの技術の進歩により、生物や細胞に新たな機能を付け加えたり取り除いたりすることが可能になりました。古くから私たちは品種改良によって長い時間をかけて新たな農作物つくり、生活を豊かにしてきましたが、この合成生物学は私たちの生活の豊かさの向上をさらに加速させます。iGEM Competition でアイデアの提案によく利用される生物は、遺伝子操作を行いやすい大腸菌です。これまでの大会で作成された新たな機能をもつ大腸菌は、環境問題の解決から医療に役立つものまで多岐にわたります。昨年 11 月に iGEM Competition の 2020 年大会が行われ、九州大学で初めてメンバーを募ってエントリーし、Silver medal (銀賞) を獲得しました。現在は、2021 年大会に向けて準備を進めています。

「眠りとは何か」。私たちが毎晩経験する眠りの起源は、進化的にどこまで遡るのでしょうか。睡眠は、ヒトをはじめとする哺乳類に限らず、魚や昆虫などの幅広い動物種で観察されます。睡眠は記憶などの脳機能と関連していることから、「睡眠は脳を休息させるための現象である」という考えが一般的です。東京大学大学院 医学系研究科 (研究当時 本学生物学科 4 年生) の金谷 啓之と九州大学 基幹教育院 伊藤 太一 助教らは、Ulsan National Institute of Science and Technology の Chunghun Lim 准教授らと共同で、進化的に脳を獲得していない動物ヒドラにも睡眠が存在すること、さらにはその制御因子が脳を持つ動物と共通していることを発見しました。これは、「睡眠メカニズムの形成が脳の獲得に先立つ」可能性を世界で初めて実験的に証明するものです。

ほぼ全ての生物には体内時計が存在します。ヒトも例外ではありません。夜には眠り、朝には目が覚めてきます。こうした体内の「時間」は、時計遺伝子と呼ばれる遺伝子群によって作り出されると考えられています。しかし、サンゴやクラゲの仲間であるヒドラには、主要な時計遺伝子が存在しないことが分かっていました。そこで本研究では、あえてヒドラの日内変動を調べることで、まったく新しい観点から体内時計の起源に迫りました。ヒドラの行動を詳細に解析したところ、昼夜のサイクルに同調した行動を示しました。また、遺伝子レベルでの日内変動を調べてみると、ヒドラが持つ約 24,000 個の遺伝子のうち 380 個の遺伝子の発現には、約 24 時間の周期性が見られました。ヒドラは時計遺伝子を持たないにも関わらず、周囲の環境変化に応じて 1 日のリズムを作り、生体機能を調節していると考えられます。体内時計の意義を探る上で、ヒドラが大きな可能性を秘めていることが期待されます。

ヒト免疫不全ウイルス（HIV）の遺伝子は驚異的な多様性を示します。この多様性をもたらす原因の1つとして、多重感染が注目されています。多重感染のメカニズムはウイルス感染実験により調べられており、その様相が明らかになりつつありますが、定量的な理解はいまだ確立されていません。数理生物学研究室の伊藤さんらの研究グループは、細胞の感受性が細胞ごとに不均一であることへ着目し、感受性の連続的な分布を取り入れた数理モデルを構築しました。ウイルス感染実験から得られたデータを数理モデルで解析することで、HIV 多重感染数が負の二項分布に従うことを示し、感染細胞集団中での多重感染細胞の割合は最大40%であることを明らかにしました。

サル/ヒト免疫不全ウイルス（SHIV）は後天性免疫不全症候群（AIDS）の病態解明を探索する重要なツールとして利用されています。SHIVには異なる病原性を示す複数の株が存在しますが、それらの定量的な感染動態についてはほとんど研究が進んでいませんでした。数理生物学研究室の岩波翔也さんらの研究グループは、数理モデルを用いて培養細胞から得られたウイルス感染実験データを解析し、感染性のあるウイルスの産生効率の違いが、高病原性と弱病原性を決定付ける要因のひとつであることを明らかにしました。

あらかじめ花粉を摂取することで花粉症発症を予防しようという「アレルゲン免疫療法」が実用化されつつあります。しかし患者さんによっては、長期間治療を続けても効果が出なかったり、治療そのものによってアレルギーを発症してしまったりします。この療法がどのような体質・状態の患者さんに有効なのかを明らかにするため、数理生物学研究室の原さんらは、体内に入ったアレルギー原因物質と免疫機構が引き起こす生命現象を数式によって表現した数理モデルをつくりました。モデルを用いたシミュレーションによって、治療成功に必要な条件（Treg細胞が蓄積しやすい体質であること等）や、治療そのものによるアレルギー発症を防ぐ方法（花粉投与量を徐々に増やしていくこと）を明らかにしました。

免疫の過剰な応答は、アレルギーや炎症反応を引き起こします。私たちの体には免疫応答を厳密に制御する機構が備わっています。生体高分子学研究室の槇光輝さんらの研究グループは、ショウジョウバエをモデル生物として、架橋酵素であるトランスグルタミナーゼ（TG）が免疫応答に重要なNF-κB（転写因子）であるレリッシュを架橋し、過剰な免疫応答を抑制する分子機構を明らかにしました。昆虫と哺乳類のNF-κB経路はよく似ているため、今回のショウジョウバエでの発見がヒトの炎症疾患の原因解明や治療につながることが期待されます。

将来の環境変化によって生物に何が起こるかを予測するには、過去の環境変動時に何が起こったかを知ることが重要です。進化遺伝学研究室の池崎由佳さんらの国際研究グループは北米大陸に生息するヌマスギの核DNA翻訳領域の遺伝情報を読み取り、氷河期を包括する長い期間でのヌマスギ分布域の変遷を明らかにし、さらに環境変動後の局所適応にかかわった遺伝子の候補を特定しました。

がんは長年の間、日本人の死因第1位であり、医療費や早期死亡による経済的影響は数兆円（世界では100兆円）にも上ります。がんの対策には早期発見が最も有効であり、手軽に安価に高精度に早期がんを診断できる技術が期待されています。生物科学部門の広津崇亮助教らの研究グループは、線虫が尿によって高精度にがんの有無を識別できることをつきとめました。

脊椎動物の未受精卵は受精を待つために第二減数分裂中期で分裂を一時停止し、受精によって細胞分裂を再開します。脊椎動物受精卵の細胞分裂開始の仕組みを分子レベルで初めて解明しました。不妊の新しい診断や治療法の開発につながるものと期待されます。

人間はどのようにして1万種もの匂いを識別しているのでしょうか？それを知るためには、匂いとそれを受け取る受容体の対応関係を明らかにする必要があります。生体内における匂いと受容体の対応関係を網羅的に解析し、同じ匂いでも濃度によって異なる受容体が働いていることを突きとめました。

CO₂濃度が低くても気孔を開けないシロイヌナズナの変異体（patrol1変異体）を特定しました。この原因遺伝子は気孔開口に重要である事を突き止めました。PATROL1遺伝子の過剰発現体は野生株よりも大きく気孔を開くことができるため、光合成活性が上昇し、大きく成長します。

理学研究院生物科学部門の坪井研究員らによる論文の「2012年度JPR論文賞 Best Paper Award」受賞が決定しました。論文では、光環境変化に迅速に対応するため、葉緑体は細胞膜上ならどちらの方向にも移動できる事を明らかにしています。

植物の葉の色は、光や温度環境、ストレスなど、様々な要因に応じて変化するため、植物の健康状態や環境応答性を反映する指標になります。視認が困難な微小な葉色変化や葉に含まれる植物色素の量や組成を、画像から定量的に解析する技術を開発しました。

理学研究院生物科学部門の和田正三特任教授の「日本植物学会賞（大賞）」受賞が決定しました。この賞は植物科学分野において国際的に高く評価された研究を行った者に授与されるもので、和田特任教授による「葉緑体運動の分子機構」の解明と植物学会への貢献が高く評価されました。

サーカディアンリズムを制御する遺伝子としては、cwo遺伝子が非常に重要であることがすでに分かっています。cwo遺伝子と同じ遺伝子ファミリー“bHLH-ORANGE”に所属する３つの遺伝子が、新たにサーカディアンリズムの制御に関わっている可能性があることを明らかにしました。

脊椎動物未受精卵の分裂停止の仕組みを分子レベルで初めて解明しました。不妊の新しい診断や治療法の開発につながるものと期待されます。

細胞内小器官のペルオキシソームは、ベータ酸化や胆汁酸の生合成など生命活動に重要な役割を担っていますが、その形成の制御機構はいまだによく分かっていません。ペルオキシソームの形成因子であるPex1pとPex6pが、ATPと反応することによってその立体構造が変化し、ペルオキシソームへの正常な輸送が制御されていることを明らかにしました。

約700系統あるシロイヌナズナのエコタイプの中から、二酸化炭素濃度や湿度を変化させても気孔が閉じない系統を発見しました。気孔開閉のメカニズムを知る手がかりとして注目されます。

オスだけが角や大顎を持つ動物では、角が大きくなるなどのオスの形質の進化は、メスの適応進化には影響しない—この考え方は正しいのでしょうか？実験によって、オスの大顎が大きくなるように進化するとメスの産卵数が減少することを明らかにしました。生物の進化を考える上での、オスとメスの進化的な対立の重要性を示す実例として注目されます。

ミトコンドリアが関与する細胞内抗ウイルス免疫ではミトコンドリアの重要な生理機能である内膜電位が重要な働きをしていることを発見し、このこととミトコンドリアの融合とが密接に関係していることを明らかにしました。この発見は、細胞内でのミトコンドリア動態が免疫反応と関わっている可能性を明らかにし、その成果は Science Signalingの表紙 を飾りました。

このたび、理学研究院生物科学部門の島崎研一郎教授が「日本植物学会賞（学術賞）」を受賞しました。この賞は植物科学の分野において国際的に高く評価された研究を行った者に授与されるもので、島崎教授は「青色光による気孔開口の分子機構」を解明したことにより本賞を受賞しました。

世界90カ所から2819種のデータを収集し、植物の葉の強度を地球規模で解析したところ、種による強度の違いが500倍以上もあり、その傾向は「熱帯ほど葉が丈夫である」という従来の仮説とは異なることを明らかにした。葉の丈夫さの多様性パターンを地球規模で解明した研究は世界初という。

系統の離れた海藻の3グループそれぞれで2種類の生活環が進化したのは、環境によって最適な生活環が異なることが原因である可能性が理論的に示された。季節変動の大きさや死亡率が、環境によって変化するためと考えられる。

ブナなどの樹木が数年に一度、一斉に種子生産を行う豊凶と呼ばれる繁殖様式の進化には、種子が発芽してすぐの実生が林床で長く生存することが重要であることを明らかにした。

光合成能が低く未成熟な状態ととらえられてきた発生初期の葉の葉緑体において他組織から供給される栄養分の代謝機能がすでに発達していることが示された。葉緑体分化が損なわれた突然変異株と正常株の間で、葉の炭素・窒素含量が変わらないことから明らかになった。

DNAの損傷を探知し修復するためには、損傷を探知するタンパク質をリン酸化し、その情報を細胞へ伝える別のタンパク質と結合しなければならない。このリン酸化と結合を仲介する酵素がカゼインキナーゼ2であることを明らかにし、DNA損傷情報の伝達の仕組みを再現することに成功した。

これまでカリリティス属に分類されてきた虫こぶ形成昆虫のハコネナラタマバチが、実はアンドリクス属であることが分かった。ハコネナラタマバチの形態と虫こぶの特徴を再調査した結果、明らかとなった。

海–陸という極端に異なる二つの環境が交わる場所に位置する海浜林は、海風をはじめとする海洋環境の影響を直接受ける。海浜林の林縁からの距離に応じて樹木の形態が変化することを確認した。

高等植物の葉緑体は、葉が発生して成長するのにともない原色素体という未分化の細胞から分化する。その分化過程のうち、進行が速すぎてこれまでよく観察できなかった葉緑体分化の初期段階を、イネの幼苗をもちいることで段階的に観察することに成功した。

脊椎骨などに分化する体節が、発生の過程において一定の時間間隔で形成されるには、細胞間で「体節時計」の同調が必要である。この体節時計の同調は、細胞のランダムな移動によって促進されることが分かった。

花粉を運んでもらう動物の活動する時間帯に合わせて花を開く植物では、花を開く時間帯はごく少数の主要な遺伝子で制御されていることが明らかとなった。

私たちの体を病原体から守っている免疫系は、実は自分自身の体を攻撃する可能性も持っている。システム生命学府の佐伯さんは、自分の免疫系から自分の体を守る働きをする「制御性T細胞」の最適な数とその分布を明らかにした。

生物は、たとえ同じ種だとしても、みんな少しずつ形や成長の仕方がちがう。この成長の違いが食べるものと食べられるものの共存をもたらすことを示した。