流れに曝された内皮細胞内部の変形の様子を世界で初めて可視化
—細胞の“力”への応答メカニズムの解明へ.. | 受賞・成果等 | 東北大学 -TOHOKU UNIVERSITY-.

東北大学大学院医工学研究科の佐藤正明 教授，工学研究科 坂元尚哉 助教、工学研究科大学院生で日本学術振興会 植木洋輔 特別研究員らの研究グループは，血流を模擬した流れの中に曝された内皮細胞の断面像をリアルタイムに可視化し，変形挙動を観察することに世界で初めて成功したと発表した。

細胞の「力」に対する応答メカニズムを明らかにし，血管病理の解明や再生医学の発展に貢献することが期待されるという。アメリカ速報誌「Biochemical and Biophysical Research Communications」誌オンライン版で公開された。

血管の最も内側の面（内腔面）は，内皮細胞と呼ばれる細胞の層によって覆われている。この細胞は，血液と組織中の物質透過性の制御や、管径の調節など重要な機能を多数持っている。また動脈硬化症や動脈瘤といった血管疾病の発生にも関わっている。

内皮細胞は血液に直接接触するために，血液の流れによって生じる「せん断応力」という力学的な刺激に絶えず曝されている。

これまでの研究で、せん断応力が内皮細胞の様々な機能や遺伝子発現に影響を与え，血管疾病の発生にも密接に関わっていることが明らかになりつつあった。細胞が力を感知する上で「メカノトランスダクション」と呼ばれる力学的な刺激から生化学的な反応への変換過程が近年注目を集めており、いくつかのタンパ
ク質分子などが、メカノトランスダクションを担うセンサーとして機能していることが分かっている。

しかし、せん断応力を負荷された内皮細胞においては，細胞のどの位置に存在するどの種類のセンサーに、どのぐらいの大きさの力が負荷されているのかという情報が不足していた。

今回の研究では、機械工学的な見地から「せん断応力を負荷された内皮細胞はどのように変形しているのか」という基本的なポイントに着目した。

生きた培養内皮細胞にせん断応力を負荷しながら共焦点レーザ走査型顕微鏡を用いた断層観察を行って、細胞の変形挙動をリアルタイムに観察した結果、細胞全体だけでなく、細胞核もせん断変形挙動を示していることが分かった。このことから、従来は一般的に細胞核は細胞質よりも硬いと信じられていたが、実際には周囲の細胞質と同程度の軟らかさであり、細胞表面または細胞底面と細胞核の間には、機械的な接続が存在することが示唆された。

また、細胞核の変形や細胞核への伝わる力が遺伝子発現に影響を及ぼすことが考えられていることから，細胞核自身が流れ刺激に対するセンサーとして機能している可能性も示唆される。

さらに，この断層像から画像相関法や有限要素法を用いて，細胞内の変形量を定量的に解析した結果、従来の試験方法で得られた細胞の硬さから推定するよりも，実際には細胞がより大きく（最大で10倍ほど）変形することが明らかになった。今回のこの結果は、これまでにない力学的かつ定量的情報であり，今後の内皮細胞のせん断応力に対する応答メカニズム解明を大きく前進させることが期待されるという。

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photo credit: bluesmoon

引用元: ビールの華やかな香りをつくるホップの遺伝子の発見 — 京都大学.

京都大学の矢崎一史 生存圏研究所教授らは、キリンホールディングス株式会社フロンティア技術研究所との共同研究で、ビールの重要な香りを決めるホップの遺伝子を発見することに成功した。日本農芸化学会2010年度大会のトピックス賞を受賞した。

ビール醸造では、まずオオムギから作る麦芽で麦汁を作り、でんぷんから麦芽糖を作る糖化工程を経て、最後に麦汁を煮沸する段階などでホップを投入する。これにより、苦味成分と香り成分が付与される。その後に酵母を加えアルコール発酵することでビールができ上がる。

ホップの香りの中で最も重要なものは、リナロールというテルペン類である。このリナロールは、ホップという植物体全体の中でも毬花に特異的に蓄積する。

リナロールはテルペン類の中でもモノテルペン類と呼ばれる炭素数10個のグループに属し、揮発性があり特徴的な「華やかな」香りをもつ。花の香りとしても良く知られ、代表的なものにスズラン、ラベンダー、アロマ精油としては柑橘のベルガモット（紅茶のアールグレイに添加）などがある。

古くからホップには、華やかな香り成分であるリナロールがあることは知られていたが、この香りがホップ雌花（毬花）の中でどのようにして作られるのか、その分子機構は未解明だった。今回、矢崎一史教授らの研究グループは、毬花で発現している「遺伝子をカタログ化する」研究アプローチにより、リナロールを合成する遺伝子を同定し、その機能の証明を行った。

矢崎一史教授らはキリンと共同でリナロールをたくさんつくる「国産ホップ」の毬花を岩手県遠野市で採取し、さまざまな生育ステージで発現している遺伝子の網羅的カタログ化を行ない（遺伝子ライブラリー作成）、遺伝子配列の解析を行った。これらの遺伝子の１つに今まで知られていない、テルペンをつくる可能性のある遺伝子が見つかった。これを、キリンで開発した、テルペン類の原料物質を細胞内で大量に供給できる特殊な大腸菌に発現させたところ、その大腸菌はリナロールを、また同時にセスキテルペン類（炭素数15個）のネロリドールをつくることが証明された。

ひとつの遺伝子がリナロールとネロリドールという2つの異なった物質をつくることに関しては、ゲノムから遺伝子が読まれる長さによって、できる遺伝子産物（酵素）の構造が異なり、酵素が働く細胞内の別々の場所に運び分けられることによってリナロールとネロリドールをつくり分けている可能性が示された。

ビールの中にあるホップ由来の香りは他にもさまざまなものが知られており、ビールによって、使用するホップの品種を換える、配合を変える、ホップの利用方法を代える、麦汁への投入方法を変えるなど様々なことを行っている。

今回、リナロールをつくる遺伝子を明らかにできたことで、新しい品種育成や選抜、利用法の見直し、新商品開発（例えば、華やかな香りのビール）などに利用可能だという。

また今回作成した遺伝子ライブラリーから、同じように香りの成分、苦味の成分に関わる遺伝子を同定していき、ホップの毬花がもっている可能性を明らかにしていきたいと考えているとしている。

これらの研究は、近年の急速に進歩している植物の分子生物研究を実用植物に応用したもので、実用植物でも遺伝子レベルでの解析が可能となる流れの一環であり、ビール関連産業のみならず、食品産業全般においても大きなインパクトを与えるものだと述べている。

ビールの原料であるホップは、生体への機能性成分を含む。今後は、同じような手法を使い、ホップの成分や遺伝子を明らかにしていくことで、いままで知られていなかったホップの持っている潜在能力を明らかにすることができる可能性があるという。

また、農業分野で見ると、植物のテルペン類は、病害虫に対して抵抗性の天然物質であることが多い。この研究は、ホップのみならず植物一般の病害や害虫害に強い作物の育種にもつながる可能性があるという。

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論文名：「Abundance of ribosomal RNA gene copies maintains genome integrity」（リボソームRNA遺伝子のコピー数はゲノムの安定性維持に重要である）　著者名：Ide, S., Miyazaki, T., Maki, H., and Kobayashi, T.

国立遺伝学研究所細胞遺伝研究部門、井手聖研究員、小林武彦教授らのグループは真核細胞のモデル生物である出芽酵母を用いて、「リボソームRNA遺伝子」の半数以上が転写されていないにも関わらず存在する謎を解明した。それらはDNAの傷を修復するタンパク質が結合する足場となっており、ゲノム全体の安定性維持に寄与しているという。Science （2月5日号） に掲載された。

ほとんどの遺伝子は１細胞あたり１コピーのみ存在する。だが中にはコピーを増やし転写産物量を増大させている遺伝子もある。それらは「増幅遺伝子」と呼ばれ、同一遺伝子が染色体上あるいは染色体外に多数並んで存在する。

増幅遺伝子の代表格に「リボソームRNA遺伝子」というリボソーム中に存在するRNAをコードする遺伝子がある。真核細胞では数百〜数千コピーが巨大な反復遺伝子群を染色体上に形成している。リボソームは細胞の全タンパク質の約８０%を占めており、その骨格を作るリボソームRNAの遺伝子も１つでは足らず多数必要となる。しかし、半数以上は転写されていない。なぜこのような「働かない」余分なコピーが存在するのか長年の謎とされていた。

増幅遺伝子はコピー間での相同組換えにより、コピー数が徐々に脱落し減少していく運命にある。しかしリボソームRNA遺伝子は減少分を常に補い、ほぼ一定のコピー数を維持している。これまでこの遺伝子増幅機構について研究してきた研究グループは、「Fob1」というDNA結合タンパク質が、リボソームRNA遺伝子内で増幅に必要な組換えを誘導していることを解明した。そして、この「Fob1」による増幅機構を操作し、酵母のリボソームRNA遺伝子のコピー数を自由に改変することに成功した。

出芽酵母リボソームRNA遺伝子を、野生株（約１５０コピー）の１/７（２０コピー）まで減少させても菌は正常に生育した。この株では、もはや転写されていない余分なコピーはなく、すべてのコピーが転写されていた。そこでこのリボソームRNA遺伝子コピー数減少株（低コピー株）の性質を解析したところ、紫外線や発ガン物質などのDNAに傷を付ける薬剤に対して弱くなることが判明した。またこの低コピー株の感受性の変化はリボソームRNA遺伝子の転写を止めると消失した。

次にそのメカニズムについて解析したところ、低コピー株では「コンデンシン」と呼ばれるタンパク質がリボソームRNA遺伝子の領域に結合できなくなっていることが判明した。そのためDNAの傷の修復に必要な姉妹染色分体間の接着が起こらず、リボソームRNA遺伝子が壊れていく。さらにこのリボソームRNA遺伝子の崩壊はゲノム全体の安定性にも影響を与え、細胞の生育を阻害していることが判明した。

以上のことからリボソームRNA遺伝子の転写されていないコピーは、コンデンシンの結合の足場となり、リボソームRNA遺伝子に生じた傷を修復し、ゲノム全体の安定性維持に重要な役割を担っていることが判明した。

リボソームRNA遺伝子は最も数が多く、ゲノムの大きな領域を占める遺伝子である。そのためリボソームRNA遺伝子が不安定化し、そこにDNA修復酵素が集中するとゲノムの他の部分の修復能力が低下すると考えられる。ゲノムの安定性の低下は、高等真核細胞では癌化に繋がる。そのため余分なコピーも含めてリボソームRNA遺伝子のコピー数を高く維持する機構は、癌抑制の観点からも重要な機能であると考えられる。

異常な速度で増殖する癌細胞は多量のリボソームを必要とし、通常転写されていない余分なコピーも働いていると考えられる。こうした癌細胞は、出芽酵母の低コピー株と同じような状態なっていると考えられる。実際に、癌細胞はDNAに損傷を与えて細胞を殺すような抗がん剤に対して弱いことから、リボソームRNA遺伝子が不安定になり、ゲノム全体が崩壊している可能性が考えられる。今回、研究グループが解析した低コピー株を用いることで、リボソームRNA遺伝子を特異的に攻撃する薬剤をスクリーニングすることが可能となり、より副作用が少ない新規の抗がん剤の開発に繋がると期待されるとしている。

分子から細胞にいたる生命の意味

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日本で最も広く分布するヤマトシロアリ（左上）とその共生原生生物群

シロアリ腸内共生系の高効率木質バイオマス糖化酵素を網羅的に解析｜2010年 研究成果｜独立行政法人 理化学研究所.
理研 基幹研究所 守屋バイオスフェア科学創成研究ユニットの守屋繁春ユニットリーダー、同工藤環境分子生物学研究室の戸高眠ジュニア・リサーチ・アソシエイト（現株式会社豊田中央研究所）、井上徹志協力研究員（現 学校法人香川学園 宇部環境技術センター）、斎田佳奈子 研修生（現熊本県産業技術センター）、大熊盛也副主任研究員（現 バイオリソースセンター微生物材料開発室長）、工藤俊章主任研究員（現 国立大学法人 長崎大学教授）、オーストラリア連邦科学産業研究機構のミカエル・レンツ（Michael Lenz）教授、米国ノースカロライナ州立大学のクリスティーヌ・ナレパ（Christine Nalepa）准教授らの研究グループは、シロアリの腸内共生系の高効率木質バイオマス糖化酵素を網羅的に解析して、バクテリアから共生原生生物への遺伝子水平伝播が、高効率糖化システムを実現している仕組みを明らかにした。食糧と競合しない強力なバイオマスリソース利用基盤技術として実用化も期待されるという。アメリカの科学雑誌『PLoS ONE』オンライン版（1月8日付）に掲載された。

シロアリは枯れた植物を食べてセルロースを糖類に分解する昆虫で、非常に効率良く木質バイオマスを分解している。研究グループはシロアリの腸内に生息する共生原生生物が持つセルロースを分解する酵素「セルラーゼ」群の遺伝子をすべての下等シロアリ腸内共生系のメタトランスクリプトーム解析によって網羅的に取得。詳細に解析した。

その結果、シロアリ腸内共生系での高効率なバイオマス糖化システムの実現には、シロアリ腸内微生物複合系（シロアリ腸内共生系）のバクテリアと、共生原生生物間の遺伝子水平伝播が関係していることを明らかになった。特にコア酵素のうちGHF 5は、分子進化学的な解析の結果、バクテリアから水平伝播で共生原生生物へ移ったことが分かったという。つまり、シロアリの持つ高効率のバイオマス糖化システムの確立には、シロアリ腸内の濃密な微生物複合系での遺伝子の生物間移動が重要だったといいうことになる。

この研究で得た酵素遺伝子は、従来型の酵素の5〜10倍もの活性がある。今後、食糧問題と拮抗しないセルロース系バイオマスの利用において、シロアリの持つセルラーゼ群は重要なリソースとなることが期待できるという。