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2026.04.22

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カリウムイオンがイオンチャネルのスイッチに！―細胞外カリウムイオンを感知して開閉するチャネル分子の発見―

概要カリウムはあらゆる細胞・生命にとって不可欠なミネラルです。例えば動物において、カリウムイオン（K⁺）は、神経や心臓の拍動を支え、その濃度異常が、てんかんや不整脈を引き起こします。これらのはたらきは、K⁺がイオンチャネル（注1）を“通って”細胞内外を移動するためであることが広く知られていましたが、イオンチャネルの働きを切り替える“スイッチ”として機能する仕組みは知られていませんでした。今回、生理学研究所の下村拓史助教（研究当時）（現：広島大学大学院医系科学研究科）、久保義弘教授、名古屋市立大学大学院薬学研究科の鈴木力憲講師、東京都医学総合研究所の齋藤実プロジェクトリーダーらのグループは、動物においてはじめて、細胞外のK⁺を“スイッチ”として直接感知するチャネル分子を発見しました。本研究結果は、Nature Communications誌（2026年4月22日18時解禁）に掲載されました。背景カリウムは細胞からなるすべての生命に必須のミネラルです。ヒトを含む動物では、体液中（細胞外）のカリウムイオン（K⁺）濃度の異常はてんかんや不整脈につながるため、その濃度は厳密に制御されています。K⁺の濃度は、細胞膜に存在するイオンチャネルなどの膜タンパク質（注2）を介した、K⁺の細胞内外への移動（透過）を通じて調整されています（図1左）。【図1】Alkaは細胞外のK⁺を“スイッチ”として結合する（左）これまで、K⁺の恒常性に関わる膜タンパク質は、K⁺自体を細胞膜を超えて透過させる機能を持つことが知られていました。（右）今回、塩化物イオン（Cl̠⁻）チャネルであるAlkaは、細胞外のK⁺を結合する領域を持ち、その結合に応じて、K⁺とは異なる出力であるCl⁻の細胞膜透過を制御することが明らかになりました。イオンチャネルが開閉し、イオンを通すかどうかを決める“スイッチ”には様々なものがありますが、重要な“スイッチ”の一つが、特定の分子（リガンド）がチャネルに結合することです。この結合が“スイッチ”となりチャネル開閉の変化を引き起こし、電流の変化などを生み出します。これまで、K⁺は、単にイオンチャネルを透過する対象であるだけで、チャネルにとって“スイッチ”としての役割は無いと考えられており、実際、動物や植物において、K⁺がスイッチとして働く明確なものは、イオンチャネルのみならず膜タンパク質一般で今まで見つかっていませんでした。本研究による発見本研究において、ショウジョウバエの脳に存在するAlkaと呼ばれるイオンチャネルが、細胞外K⁺をスイッチとして認識する受容体であることを発見しました（図1右）。研究内容研究グループは、まずAlkaを発現させた細胞の電気活動を記録し、同時に細胞外のK⁺濃度を変化させたところ、K⁺濃度によってチャネル電流が変化することを明らかにしました（図2）。この結果は、細胞外K⁺がリガンドとしてAlkaに結合し、Alkaの開閉を変化させ、電流の変化を引き起こしたことを示唆しています。【図2】細胞外K⁺によるAlkaチャネル電流の変化細胞外K⁺濃度を上昇させると、Alkaを流れる電流量は減少しました（A）。これは、K⁺が結合すると、Cl⁻電流が流れなくなるような状態にAlkaチャネルの状態が変化することを示しています（B）。そこで次に、Alkaのどの部分に、細胞外K⁺が結合するのかを検討するため、近年急速に発展した生成AI技術を用いたタンパク質立体構造予測プログラム（注3）と電気生理学的解析を組み合わせて調べました。その結果、AlkaのK⁺結合領域は、K⁺が水溶液中で安定的に存在している状態と極めて似た環境を原子レベルで作りだすことで、K⁺を結合できるようにしていることがわかりました（図3）。これは、2003年のノーベル化学賞受賞理由ともなったK⁺チャネルのK⁺選択性・透過性のメカニズムとよく類似しています。このように、細胞外K⁺を結合し、異なる出力（チャネル電流）を生じることが明確に確認された膜タンパク質は、動物も含め真核生物では初めての例です。【図3】AlkaがK⁺を認識する原子レベルでのメカニズム (A) Alkaの予測立体構造モデル。Alkaに相当する部分はリボンで、結合したK⁺は紫色の球であらわしています。 (B) Alka予測構造におけるK⁺結合領域と、他の環境でのK⁺との比較。赤い棒は酸素原子。K⁺は水溶液中では水分子に包まれ、エネルギー的に安定な距離・配置で酸素原子と結合します（右下）。AlkaとK⁺チャネルは、この水溶液中の環境を再現するような立体構造を持つことで、K⁺を結合できるようにしていることが明らかになりました。では、ヒトの体の中でもK⁺が同様の働きをする可能性はあるのでしょうか？この疑問に答えるため、さらに研究グループは、ヒトの脳に存在し、Alkaとよく似たイオンチャネルであるグリシン受容体が、細胞外K⁺により制御されるかどうかを調べました。一般的なタイプのグリシン受容体はK⁺濃度の変化に影響されることはありませんでしたが、興味深いことに、RNA編集（注4）により性質が変化したタイプでは、K⁺の濃度によってチャネル電流が変化することがわかりました（図4）。このことは、K⁺が“スイッチ”として働くしくみが、ハエから進化的に遠く離れたヒトでもある程度残存していることを示します。下村講師は「本研究によって、細胞外K⁺濃度を感知する分子メカニズムとして、“透過”タイプだけではなく、“スイッチ”タイプが存在することが明らかになりました。これをきっかけに、新たな細胞外K⁺恒常性メカニズムが発見され、てんかんなど病気との関連や、これらK⁺依存性チャネルを標的とした治療薬の開発などにつながるかもしれません。」と話しています。【図4】RNA編集型のヒトグリシン受容体はK+による制御を受ける（左）ヒトの脳内に存在するグリシン受容体は、通常のタイプと、RNA編集を受けたタイプが存在します。（右）通常タイプはK⁺によって影響を受けない一方で、RNA編集を受けたタイプは、細胞外K⁺濃度に応じてCl-電流が変化することが明らかになりました。 ※ 図は一部Biorender.comを利用して作成しました。用語説明注1）イオンチャネル：細胞膜に存在するタンパク質の一種で、特定のイオンを選択的に通すことができる。これにより、神経や筋肉のはたらきの基盤となる、細胞内外の電気的なバランスが作られる。注2）膜タンパク質：細胞の内外を区切る膜に埋め込まれて存在するタンパク質。細胞の内外をつなぐ“通路”や“センサー”として働き、物質の出入りや情報のやり取りを担う。注3）タンパク質立体構造予測プログラム：タンパク質の機能を理解するために重要な立体構造を計算機により予測する手法。近年、機械学習や生成AIの発展により予測精度が大きく向上し、実験結果と遜色のない高精度な予測が可能となった。これが評価され、2024年のノーベル化学賞の受賞理由の一つとなった。注4）RNA編集：遺伝子DNAをもとに作られたRNAの情報を書き換える細胞の仕組み。これにより、同じ遺伝子から異なる性質をもつタンパク質が作られることがある。【助成金等の情報】本研究は文部科学省科学研究費補助金、住友財団、豊秋奨学会、上原記念生命科学財団の補助を受けて行われました。＜今回の発見＞動物において、細胞外K⁺で開閉するイオンチャネル分子を初めて発見し、そのK⁺結合メカニズムを解明ヒトのイオンチャネルでも、同様のメカニズムが残存していることを発見細胞外K⁺が細胞機能を調節する新しいシグナルとして働く可能性を示唆＜この研究の社会的意義＞体液中のK⁺濃度は極めて厳密な濃度（3-5 mM以内）に制御される必要がありますが、てんかんでは、K⁺濃度が異常なレベルに高くなることがあります。本研究で見いだされたK⁺をスイッチとして認識するタイプのグリシン受容体は、側頭葉てんかん患者の脳では多く存在していることから、こうしたグリシン受容体タイプの変化は、病的なK⁺濃度の変化に対処するメカニズムなのかもしれません（図4）。本研究をもとに、こうした細胞外K⁺に応答する新しいメカニズムや病気との関連が明らかになり、これらを標的とした治療薬の開発につながることも期待されます。発表論文掲載誌：Nature Communications. （日本時間2026年4月22日18時解禁） DOI: 10.1038/s41467-026-71629-z 論文タイトル：Extracellular K⁺ modulates the pore conformations of Cys-loop receptor anion channels. 著者名：Takushi Shimomura, Yoshihiro Kubo, Minoru Saitoe & Yoshinori Suzuki*. *：責任著者報道発表資料（716.97 KB）研究者ガイドブック(下村拓史講師) 【お問い合わせ先】＜研究について＞自然科学研究機構生理学研究所神経機能素子研究部門（兼任）国立大学法人広島大学大学院医系科学研究科生理学及び生物物理学教室講師下村拓史（シモムラタクシ）＜広報に関すること＞自然科学研究機構生理学研究所研究力強化戦略室 E-mail: pub-adm＊nips.ac.jp 広島大学財務・総務室総務・広報部広報グループ E-mail: koho＊office.hiroshima-u.ac.jp 名古屋市立大学総務部広報課 E-mail: ncu_public＊sec.nagoya-cu.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

2025.11.20

ウニ幼生に光で行動を調節する脳のような神経細胞群が存在することを発見

脳を持たないとされてきたウニ幼生に、光で行動を調節する「脳のような」の神経細胞群（中枢）を見いだしました。この神経細胞群は、脊椎動物の脳と一部共通する特徴が確認され、後口動物の共通祖先までさかのぼる脳機能の起源に関する新たな示唆を提供する結果となりました。本研究は、ウニ幼生の前端部神経外胚葉に、非視覚性光感受性ニューロン（「見る」ためではなく、光を感じて応答する神経）の細胞群を同定しました。これにより、脊椎動物の脳に相当する「中枢」が、脳を持たないとされてきた棘皮動物（ウニ）にも存在する可能性が示唆されました。これらの神経細胞群は、光を感知するタンパク質である非視覚オプシン（Opn5L）や、脊椎動物間脳の形成を担うrx、otx、six3、lhx6などの制御遺伝子を発現します。また、この細胞領域を統合的に解析したところ、Opn5Lの機能低下で光依存的な遊泳行動が損なわれることが分かりました。こういった分子特徴は脊椎動物の脳領域のそれと一部重なることから、ウニ幼生に存在する非視覚性の光受容中枢は、後口動物の共通祖先に由来する脳機能の素地を残している可能性を示します。非視覚オプシンを発現する神経とその周辺領域の発生過程を厳密かつ系統横断的に比較することは、脊椎動物の脳を含む中枢神経の進化や多様化の過程を解く上で、新たな理論や見解を提供すると期待されます。【研究代表者】筑波大学生命環境系谷口俊介准教授千葉大学大学院医学研究院露崎弘毅特任講師京都大学大学院理学研究科山下高廣講師広島大学ゲノム編集イノベーションセンター山本卓教授【研究の背景】進化の過程における中枢神経（脳）の獲得は、ヒトを含む脊索動物の多様化を支えた重要な出来事です。しかし、神経や脳が動物進化のどの段階で生まれ、どの系統でどのように複雑化したのかは、よく分かっていません。脳・中枢神経の主要な役割は外界情報を統合して適応的な運動へ変換することであり、その起源の解明は生物学の根本課題です。一方、後口動物注１）では、前方神経外胚葉に由来する脳領域（前脳など）が光情報処理の中核を担うと考えられ、表層には、視覚オプシン、深部には非視覚オプシン（いずれも光を感知するタンパク質）が配置されるという脊椎動物との共通性が示唆されています。しかしながら、脊椎動物と最も近縁の棘皮動物門（ウニなど）注2）には集中して存在する「脳領域」が見えにくく、前後軸の明瞭な指標も乏しいため、脊椎動物型の脳がいつ、どのように現れたかをたどることは容易ではありません。それでも近年、前後軸が明確な成長段階であるウニ幼生で、前脳様の遺伝子発現やそれを結ぶ制御ネットワーク、さらに光などの環境情報を行動へ統合する神経回路が明らかになりつつあります。非視覚オプシン様の受容体も複数同定され、光による遊泳や消化活動の調節に関与する例が報告されています。こうした知見を踏まえ、本研究では、ウニ幼生において非視覚的な光受容を担う「脳様」領域を、遺伝子発現と機能の両面から定義し、脊椎動物の脳に通じる組織化が棘皮動物との共通祖先にさかのぼる可能性を示しました。【研究内容と成果】本研究では、バフンウニ（Hemicentrotsu pulcherrimus）幼生の前端部神経外胚葉に存在する「非視覚的な光受容を担う脳様領域（神経細胞群）」を単一細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）注３）とin situ ハイブリダイゼーション注４）にて特定し、行動解析によってその機能を統合的に定義しました。幼生期の神経細胞は稀少で検出が難しいため、Delta–Notch による側方抑制注5）を阻害する薬剤を用いて神経細胞数を一時的に増やし、神経集団の解像度を高めました。その結果、これまで一様とみなされがちだったセロトニン注6）作動性ニューロンが、前方群と背側群という二つの集団に分かれており、背側群は非視覚オプシン（Opn5L）を発現していることを見いだしました（図１）。遺伝子発現の空間解析では、背側群と前方群とでは、形態と配置のいずれもが異なること、さらに特定の転写因子セットが背側群に偏って現れることを明らかにしました。背側群の一部細胞は上皮層から脱落して移動し、前方群の近傍に合流する過程がライブイメージング注7）で観察され、移動性ニューロンとしての性質を持つことが示唆されました。これは、後口動物のうち脊索動物に特有と考えられてきた神経移動が、ウニ幼生にも備わっている可能性を示す重要な知見です。機能面では、Opn5L の機能低下により、連続照明下で沈降（浮遊喪失）行動が有意に抑えられ、光入力が遊泳・浮沈の制御に直接関与することを実証しました。加えて、セロトニン合成関連の制御因子や領域指定因子の発現解析から、当該領域が脊椎動物の終脳／間脳と似た分子設計原理を持つことが示されました（図２）。以上より、ウニ幼生には非視覚光受容を核とする脳様中枢が存在し、環境光情報を行動へ統合する回路の一部が保存されている可能性が高いことが明らかになりました。これは、後口動物共通祖先にさかのぼる脳機能の起点を、具体的な細胞群と遺伝子プログラムとして提示する成果です。【今後の展開】今後は、光→行動の回路に関するより詳細な解析や、比較発生・比較ゲノミクスによる系統横断検証（棘皮・半索・脊索動物での保存／分岐の同定）を進め、非視覚オプシン中枢の普遍性と系統特異性の理解を深めます。最終的には、脳の「はじまり」の設計図を、細胞系譜、遺伝子ネットワーク、行動出力の三層で統合し、脊椎動物脳の起源と多様化に対する新しい指標の提示を目指します。参考図図１（左）ウニ幼生を背側から見た模式図。前端部（水色）領域は前端部神経外胚葉、つまり脊索動物でいうところの脳領域に類似する。しかし、発生初期にここに存在するセロトニン神経は単一のタイプとされ、それほど複雑さはないとみなされていた。（右）この脳領域に対してscRNA-seqを行ったところ、セロトニン神経が２集団から構成され、それぞれ異なる遺伝子発現をしていることが明らかになった。特に体の後方背側に位置する集団は非視覚オプシンとともに、脊索動物では間脳形成に関与している遺伝子群が発現していることが明らかになった。図２前後方向に区画分けされたウニ幼生（左図）の脳様領域と、脊椎動物であるマウスの脳（右図）の比較。発現遺伝子プロファイルの比較で、前後軸に沿った類似性が見られた。用語解説注１）後口動物系統進化上、左右相称動物を大きく二つに分けた時の分類群の一つ。原腸陥入（消化管の元となる原腸が形成される過程）の際の原口（入口部分）が肛門になり、原腸の前端部が体表と接する部分に新たに口ができるグループ。脊索動物と棘皮動物、半索動物を含む。注２）棘皮動物門分類学上の階級（界・門・綱・目・科・属・種）の中で、門で分類した場合のグループの一つ。ウニ、ナマコ、ヒトデ、クモヒトデ、ウミユリの仲間を含む。注３）単一細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）多細胞生物の体を構成する細胞それぞれに発現しているmRNAを細胞ごと網羅的に解析する手法。どの細胞にどのような遺伝子が発現しているのかを知ることができる。注４） in situハイブリダイゼーション細胞内において特定のmRNAの分布を検出する手法。特定の配列を持つmRNAにラベルをつけ、細胞内のターゲットとなるmRNAと結合（ハイブリダイゼーション）させてラベルを検出する。注５） Delta-Notchによる側方抑制隣接する細胞が相互作用することで互いに異なる運命をもたらすメカニズムで、多くの動物の神経細胞分化の過程で見られる現象。DeltaとNotchはいずれも細胞膜上の膜タンパク質で、隣接する一方の細胞のDeltaがもう一方の細胞のNotchと結合することで、この細胞でのDeltaの発現を抑制し、役割の異なる細胞を分化させる。注６）セロトニン神経伝達物質の一つ。ヒトの脳にも存在しており、精神安定など、さまざまな機能を果たしている。ウニでは、脳を構成する神経の中で最も早く形成される。注７）ライブイメージング光学顕微鏡を用いて生きたままの生き物の動きや細胞の変化を直接観察する手法。今回はウニ胚の細胞膜と核を蛍光タンパク質によって標識し、それをレーザー光で光らせたものを観察した。研究資金本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業さきがけ「多細胞システムにおける細胞間相互作用とそのダイナミクス」研究領域（JPMJPR194C, JPMJPR1945；2019-2022年度）、科学技術振興機構（JST）研究成果展開事業が助成するA-STEP（JPMJTR204E; 2019-2024年度）、日本学術振興会が助成する科学研究費基盤研究（B）（23K23933; 2022-2025年度）、（C）（23K11312；2023-2027年度）、（若手）（19K20406: 2019-2022 年度）日本医療研究開発機構（AMED）革新的先端研究開発支援事業 CREST「マルチセンシングネットワークの統合的理解と制御機構の解明による革新的医療技術開発」研究領域（22gm1510007; 2022-2027年度）、東レ科学振興会が助成する東レ科学技術研究助成（2018-2020年度）、武田科学振興財団が助成するライフサイエンス研究奨励（2015年度）による助成によって実施されました。掲載論文【題名】 Non-Visual Photoreceptive Brain Specification in Sea Urchin Larvae （ウニ幼生における非視覚光受容に関与する脳領域の形成）【著者名】 #Junko Yaguchi, *#Koki Tsuyuzaki, Ikutaro Sawada, Atsushi Horiuchi, Naoaki Sakamoto, Takashi Yamamoto, Takahiro Yamashita, *Shunsuke Yaguchi (*責任著者、#equal contribution) 【掲載誌】 Nature Communications 【掲載日】 2025年11月19日【DOI】 10.1038/s41467-025-65628-9 【プレスリリース】ウニ幼生に光で行動を調節する脳のような神経細胞群が存在することを発見.pdf（1.42 MB）掲載誌：Nature Communications 研究者ガイドブック(山本卓教授) 【問い合わせ先】【研究に関すること】谷口俊介（やぐちしゅんすけ）筑波大学生命環境系／下田臨海実験センター准教授 TEL: 0558-22-1317 E-mail: yag@shimoda.tsukuba.ac.jp URL: https://sites.google.com/site/yaguchisea/home X@urchin_lab 【取材・報道に関すること】筑波大学広報室 TEL: 029-853-2040 E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp 千葉大学広報室 TEL: 043-290-2018 E-mail: koho-press@chiba-u.jp 京都大学広報室国際広報班 TEL: 075-753-5729 E-mail: comms@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp 広島大学広報室 TEL: 082-424-4518 E-mail: koho@office.hiroshima-u.ac.jp

2026.04.23

局所進行肺がんに新たな治療戦略新規PAI-1阻害剤の医師主導治験を開始

広島大学病院では、遠隔転移を認めない局所進行非小細胞肺がんのうち、根治手術が困難な患者を対象に、新規PAI-1阻害剤TM5614を用いた新たながん治療法の医師主導第Ⅱ相治験を開始します。本治験のポイント令和8年度AMED（国立研究開発法人日本医療研究開発機構）の臨床研究・治験推進研究事業に採択され、局所進行非小細胞肺がんに対する新たな治療法の医師主導治験を開始新規低分子医薬「TM5614」により抗腫瘍効果の増強と治療関連肺障害の抑制を同時に目指す広島大学を中心に中国・四国・関西・東北地方の13病院が連携して実施本研究の一部は、日本学術振興会J-PEAKSの支援を受けており、広島大学では今後も本支援により創薬研究を推進していきます。背景・治験内容局所進行非小細胞肺がんに対する現在の標準治療は、化学放射線療法に続いて免疫チェックポイント阻害薬による地固め療法を行いますが、この治療によって肺がんが根治する患者は約25％にとどまっており、より有効な治療方法の開発が必要です。また、治療関連の肺障害による生活の質（QOL）の低下も課題となっています。 TM5614は、PAI-1（Plasminogen activator inhibitor-1）の働きを抑えることで、抗腫瘍効果の増強と治療関連肺障害の抑制という二つの作用を併せ持つ可能性が示されています。本研究では、広島大学を中心に中国・四国・関西・東北地方の13病院が連携し、標準治療である化学放射線療法および免疫チェックポイント阻害薬による治療にTM5614を併用する医師主導医師主導第Ⅱ相治験を実施し、有効性と安全性を検討します。用語解説局所進行非小細胞肺がん: 肺にできたがんが周囲の組織やリンパ節に広がっているものの、遠くの臓器には転移していない状態の肺がん PAI-1: 血液の線溶系を調節するタンパク質であり、がんの進展や治療に対する耐性に関与することが報告されています TM5614：東北大学との共同研究により、非臨床、臨床試験により化学放射線療法、免疫療法の抗腫瘍効果の増強と肺障害の抑制効果という2つの作用を併せ持つ可能性が示されています免疫チェックポイント阻害薬：がん細胞が免疫細胞による攻撃を逃れるしくみに働きかけ、免疫細胞の力を回復させる治療薬治療関連肺障害: 肺に炎症やダメージが生じ、呼吸機能が低下する状態 J-PEAKS（地域中核・特色ある研究大学強化促進事業）：地域の中核大学や研究の特定分野に強みを持つ大学が、その強みや特色のある研究力を核とした戦略的経営の下、他大学と連携等を図りつつ、研究活動の国際展開や社会実装の加速等により研究力強化を図る環境整備を支援することにより、我が国全体の研究力の発展を牽引する研究大学群の形成を推進することを目的としています。報道発表資料（289.03 KB）研究者ガイドブック（益田武特定准教授）【お問い合わせ先】広島大学病院呼吸器内科特定准教授益田武（ますだたけし） Tel：082-257-5196E-mail：ta-masuda＊hiroshima-u.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

2025.11.14

植物の形態にひそむ周期性を変調させる仕組みを発見　　魅力的な花き類の創出に期待

概要奈良先端科学技術大学院大学（学長：塩﨑一裕) 先端科学技術研究科バイオサイエンス領域の池内桃子特任准教授と京都府立大学の爲重才覚講師（研究当時：名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所、横浜市立大学、奈良先端大を含む）、奈良先端大の土田岳志（研究当時：博士前期課程）らは、広島大学大学院統合生命科学研究科の藤本仰一教授、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所/テキサス大学の鳥居啓子教授、名古屋大学遺伝子実験施設の打田直行教授、東京農工大学の笠原博幸教授、熊本大学の相田光宏教授らの研究グループと共同で、植物の形態形成の周期性を変調させる仕組みを発見しました。形態形成を司る植物ホルモンのオーキシン（注1）の空間的なパターンは、オーキシンの輸送によって創出されるという説が長年受け入れられてきましたが、パターンの周期性を決める仕組みはこれまで明らかになっていませんでした。今回の研究はEPFL2（EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE 2）（注2）というペプチドホルモンとの相互抑制的な関係性が、オーキシンの周期的な空間パターンを変調させることを新たに見出しました。これは、従来モデルを20年ぶりに書き換える重大な発見であるといえます。本研究の成果は、花卉（かき）類や園芸植物の形を操作する技術の創出につながることが期待できます。この研究成果は、イギリスの学術誌「Nature Communications」オンライン版に2025年11月13日（木）午後7時（日本時間）に掲載されます（DOI：10.1038/s41467-025-65792-y）。背景と目的ヒマワリやマツボックリなどのフィボナッチらせん（注3）に代表される植物の周期的な構造は、葉や花などの器官を一定間隔で繰り返し生み出すことで形作られています。また、ひとつひとつの器官の形状に着目すると、葉の縁には鋸歯（きょし）と呼ばれるギザギザ構造が一定の間隔で形成されていることがわかります（図1）。こうした器官や鋸歯等の突起構造は、植物ホルモンであるオーキシンが局所的に蓄積することによって形成されます。オーキシンの輸送体がオーキシン濃度の高い細胞の方へ流す働きがあることで自発的に周期的なパターンが生み出されることが、実験およびコンピュータシミュレーションの結果に基づいて20年ほど前から提唱されていました1,2,3,4。この説によると、オーキシンの輸送と拡散の関係によって周期性が決まると想定されます。しかし、実際の植物において周期性が変わる観察例はなく、周期性が決まる仕組みは未解明でした。研究手法と成果周期性を制御する仕組みを理解する手がかりは、EPFL2と呼ばれるペプチドホルモンを作れない変異体の解析から得られました。鋸歯形成に先立って葉の縁に形成されるオーキシン蓄積部位を観察すると、EPFL2の機能が損なわれたepfl2 変異体ではその形成間隔が短くなっていることを発見しました（図2）。以前の研究によって、EPFL2とオーキシンの間に相互に抑制し合う制御関係があることがわかっていました5。そこで研究グループは、従来モデルのオーキシンと輸送体の制御関係にオーキシンとEPFL2の相互抑制関係を組み込んだ新しいモデルを構築しました。葉を模した多細胞列をコンピュータ上で再現しEPFL2がオーキシン蓄積部位の周期性に与える影響を調べた結果、EPFL2の量が少なければ形成間隔が短くなるという観察結果を再現しました。さらに、EPFL2の量を通常条件よりも増やせば間隔がもっと長くなり、一方でEPFL2の量を極端に減らすとひとつひとつの蓄積部位が明瞭に形成されなくなるというシュミュレーションの結果が得られました。研究グループは実験的にEPFL2の量を改変した植物体を作り出し、これらのシミュレーション結果を裏付けることに成功しました。また、EPFL2が規則的な器官配置パターンの形成に必要であることも見出し、EPFL2は植物の形作りを一般的に制御する重要な因子であることを証明しました（図3）。こうして、実験とシミュレーションの両面のアプローチに基づき、EPFL2とオーキシンの相互抑制的関係が繰り返し起こる形態形成イベントの周期性を変調させる仕組みを提案しました（図4）。今後の展開輸送体によってオーキシン蓄積部位が周期的に生み出される仕組みは、チューリングパターン（注4）と呼ばれる一般的な規則正しいパターン形成と類似した仕組みと考えられています6。今回の研究は、相互抑制関係とチューリングパターンを組み合わせることで周期性を変調させるという、新しいパターン形成の仕組みを提案しています。植物の形態形成の制御に留まらず、自然界に見られる様々な周期的パターン形成においても同様の仕組みが働いている可能性が考えられます。また、サニーレタスのように複雑に入り組んだ葉の構造やカーネーションなど花弁の辺縁構造も鋸歯と共通した仕組みで作られるため、鑑賞用の花卉類や園芸植物の形質を改変して魅力的な形の植物を生み出す技術の開発に利用できる可能性があります。謝辞本研究は、科学技術振興機構（JST）創発的研究支援事業（JPMJFR214H）、日本学術振興会（JSPS）新学術領域研究「植物の周期と変調」（20H05431, 22H04713）・新学術領域研究「植物多能性幹細胞」（JP17H06476）・基盤研究B （JP26291057）・若手研究（20K15807）などの支援を受けて行われました。用語解説注1 オーキシン：植物の成長を調節する代表的な植物ホルモンの一つ。茎の伸長や根の形成、葉や花の配置など、体の各部の形づくり全般に深く関わっており、農業や研究目的で人為的に投与することも多い。注2 EPFL2：EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKEsを含む一群のペプチド(EPF/EPFLs)のうちの一種。EPF/EPFLsは植物が体の各部の形成を調節するホルモン様のペプチド分子で、多くの植物が持っている。EPFL2は特に葉の形態、胚珠(種子になる器官)の形成、分裂組織のサイズなどに関わることが知られている。注3 フィボナッチらせん：らせんの列の数がフィボナッチ数列（前の2つの数を足した数が次の数になるという規則性を持つ数列）に従う規則的な配置。注4 チューリングパターン：物質の反応と拡散の仕組みによって自然に生じる模様、およびその理論。イギリスの数学者で暗号解読の功績やコンピュータ科学の創始者としても知られるアラン・チューリングが提唱した。動物の斑点や縞模様、植物の模様や形態などを説明する理論として知られる。引用文献 1. Jönsson H, Heisler MG, Shapiro BE, Meyerowitz EM & Mjolsness E. An auxin-driven polarized transport model for phyllotaxis. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 1633-1638 (2006). 2. de Reuille, P. B. et al. Computer simulations reveal properties of the cell–cell signaling network at the shoot apex in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 1627-1632. (2006). 3. Smith, R. S. et al. A plausible model of phyllotaxis. Proc. Natl. Acad. Sci.USA 103, 1301-1306. (2006). 4. Bilsborough GD et al. Model for the regulation of Arabidopsis thaliana leaf margin development. Proc Natl Acad Sci U S A. 108, 3424-9 (2011). 5. Tameshige T et al. A secreted peptide and its receptors shape the auxin response pattern and leaf margin morphogenesis. Curr Biol. 26, 2478-2485 (2016). 6. Sahlin P., Söderberg B. & Jönsson H. Regulated transport as a mechanism for pattern generation: capabilities for phyllotaxis and beyond. J. Theor Biol. 258, 60-70 (2009). 掲載論文タイトル：Mutual inhibition between EPFL2 and auxin extends the intervals of periodic leaf morphogenesis（EPFL2とオーキシンの相互抑制が葉の周期的な形態形成の間隔を伸ばしている）著者：Toshiaki Tameshige#, Takeshi Tsuchida#, Yuuki Matsushita, Yuki Doll, Kaisei Maruyama, Takemoto Agui, Mitsuhiro Aida, Hiroyuki Kasahara, Keiko U Torii, Naoyuki Uchida, Koichi Fujimoto, Momoko Ikeuchi* #共筆頭著者 *責任著者掲載誌：Nature Communications DOI：10.1038/s41467-025-65792-y 報道発表資料.pdf（1.59 MB）掲載雑誌：Nature Communications 研究者ガイドブック(藤本仰一教授) 【お問い合わせ先】＜研究に関すること＞奈良先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科バイオサイエンス領域植物再生学研究室特任准教授池内桃子 TEL：0743-72-5520E-mail：momoko.ikeuchi@bs.naist.jp 研究室紹介ホームページ：https://bsw3.naist.jp/ikeuchi/ 京都府立大学大学院生命環境科学研究科講師爲重才覚 TEL：075-703-5444E-mail：t-tamesige@kpu.ac.jp 研究室紹介ホームページ：https://sites.google.com/view/tameshigelab/ 広島大学大学院統合生命科学研究科教授藤本仰一 TEL：082-424-7346E-mail：kfjmt@hiroshima-u.ac.jp ＜JST事業に関すること＞科学技術振興機構創発的研究推進部東出学信 TEL：03-5214-7276E-mail：souhatsu-inquiry@jst.go.jp ＜報道に関すること＞奈良先端科学技術大学院大学企画総務課渉外企画係 TEL：0743-72-5063/5112FAX：0743-72-5011E-mail：s-kikaku@ad.naist.jp 科学技術振興機構広報課 TEL：03-5214-8404FAX：03-5214-8432E-mail：jstkoho@jst.go.jp 京都府立大学企画・地域連携課企画・地域連携係 TEL：075-703-5147FAX：075-703-4979E-mail：kikaku@kpu.ac.jp 名古屋大学総務部広報課 TEL：052-558-9735FAX：052-788-6272E-mail：nu_research@t.mail.nagoya-u.ac.jp 広島大学広報室 E-mail：koho@office.hiroshima-u.ac.jp

2026.05.01

がんを抑制するはずのシステムががんの発生を誘導する！ ―細胞間コミュニケーションの新たな仕組みを解明し、がん治療戦略の提案に貢献―

【本研究成果のポイント】ショウジョウバエ上皮組織において、腫瘍(*1)抑制経路として知られるHippo経路が腫瘍の形成を誘導することを発見しました。本研究によって、Hippo経路による腫瘍形成を誘導するメカニズムの一端が明らかとなったことで、新たながん治療戦略の提案に貢献できます。【概要】Hippo経路は腫瘍抑制経路として知られ、この経路を標的としたがん治療戦略が開発されてきました。一方で、いくつかのがんではHippo経路が腫瘍形成を促進することが報告されており、Hippo経路の腫瘍形成における役割は大きな議論を呼んでいます。広島大学大学院統合生命科学研究科の本田大智研究員、奥村美紗子准教授（現東北大学教授）、千原崇裕教授、広島大学大学院医系科学研究科の安藤俊範教授、理化学研究所の大井綾乃基礎科学特別研究員、佐久間知佐子理研ECL研究チームリーダー、小幡史明チームディレクター、基礎生物学研究所の三浦正幸所長らの研究グループは、ショウジョウバエ上皮組織においてHippo経路が腫瘍形成を誘導することを発見しました。この腫瘍形成モデルを用いて、これまで未解明だったHippo経路による腫瘍誘導効果についてそのメカニズムを解明することを目指しました。Hippo経路による腫瘍形成には細胞間コミュニケーションが使われており、Hippo経路が活性化した細胞が増殖因子(*2)(WinglessとSpitz)の分泌やアミノ酸輸送を介して、周辺細胞の腫瘍化を引き起こすことを明らかにしました。本研究は、Hippo経路による腫瘍誘導効果の分子メカニズムの一端を明らかにするものであり、Hippo経路を標的とした新たながん治療戦略の提案に繋がるものです。また、本研究は、国際学術雑誌EMBO Reportsに2026年5月1日にオンライン公開されます。さらに本研究内容は注目すべき論文としてEMBO Reports内での説明記事”News & Views”にも取り上げられています。【背景】Hippo経路は細胞増殖やアポトーシス(*3)を制御することで、組織・臓器の過剰な増殖を抑制する腫瘍“抑制”経路として知られています(図１左)。一方で、近年の研究で、いくつかのがんでは、Hippo経路が腫瘍形成を“促進”することが報告されています(図１右)。こうしたHippo経路の持つ腫瘍形成への２面性(抑制と促進効果)は、Hippo経路を標的としたがん治療戦略において大きな問題となっています。しかしながら、Hippo経路がどのように腫瘍形成を“促進”するのか、その分子メカニズムはほとんど分かっていません(図１右)。そこで、本研究では、ショウジョウバエ上皮組織を使い、Hippo経路による腫瘍誘導効果について解析しました。【研究成果の内容】遺伝学的解析に優れたショウジョウバエを用いて、Hippo経路が活性化した細胞(Hippo活性化細胞)を作製しました。そして、このHippo活性化細胞を誘導した組織で腫瘍形成が起きるかを観察しました。その結果、Hippo活性化細胞の周りの細胞で腫瘍形成が起こることが確認されました(図2)。これは、Hippo活性化細胞が腫瘍誘導センターとして機能し、細胞間コミュニケーションを介した腫瘍形成を引き起こすことを示しています(図2)。この細胞間コミュニケーションがどのように行われているかを調べるために、遺伝学的スクリーニングを行いました。その結果、Hippo活性化細胞による２種類の細胞間コミュニケーションを見つけました。１つ目はHippo活性化細胞がアポトーシス制御因子を介して、増殖因子(WinglessとSpitz)を発現・分泌することで周辺細胞の腫瘍形成を誘導する経路です(図3)。もう１つは、Hippo活性化細胞がアミノ酸トランスポーター(*4)(Sat1とSat2)を介して、周辺細胞でのアミノ酸の取り込みを促進し、腫瘍形成を誘導する経路です(図3)。そして、これら２つの経路が相乗的に作用することで周辺細胞の腫瘍形成が強く誘導されることを発見しました(図3)。【今後の展開】Hippo経路は多くの研究で腫瘍形成を“抑制”すると報告されており、これまでHippo経路を標的としたがん治療法が開発されてきました。しかし、近年の研究で、Hippo経路に腫瘍形成を“促進”する作用があることが報告され、大きな問題となっています。この腫瘍形成への２面性、特にHippo経路による腫瘍“促進”効果についてはほとんど分かっていません。本研究は、これまで謎の多かった腫瘍“促進”効果のメカニズムの一端を明らかにしたものであり、Hippo経路を標的とした新たながん治療戦略の提案に繋がるものです。【論文情報】掲載雑誌名：EMBO Reports 掲載日：2026年5月1日タイトル：The Hippo tumor suppressor pathway triggers non-cell autonomous tumorigenesis in Drosophila 著者：本田大智、奥村美紗子、大井綾乃、佐久間知佐子、小幡史明、安藤俊範、三浦正幸、千原崇裕 DOI：https://doi.org/10.1038/s44319-026-00778-5 参考：本論文の解説記事掲載雑誌名：EMBO Reports（in “News & Views”）掲載日：2026年5月1日タイトル：The Hippo paradox: how growth suppression drives tumor growth 著者：Pooja Rai, Andreas Bergmann（共にUMass Medical School） DOI：https://doi.org/10.1038/s44319-026-00777-6 【参考資料】◆用語解説 (*1) 腫瘍: 細胞が異常に増殖して形成された細胞塊 (*2) 増殖因子: 細胞の増殖・分化を促進するタンパク質 (*3) アポトーシス: 遺伝子プログラムによって制御された能動的な細胞死 (*4) アミノ酸トランスポーター: アミノ酸を細胞内外へ輸送する輸送タンパク質図１Hippo経路による腫瘍形成への２つの作用古典的モデル(左): Hippo経路による腫瘍“抑制”効果。矛盾的な機能(右): Hippo経路による腫瘍“促進”効果。Hippo経路は腫瘍形成を“抑制”すると考えられてきたが、いくつかのがんでは腫瘍形成を“促進”する。この促進効果についてはほとんど理解されていない。図2Hippo活性化細胞による細胞間コミュニケーションを介した腫瘍誘導 Hippo活性化細胞をマゼンタ色で、腫瘍を緑色で表示。Hippo活性化細胞それ自体が腫瘍化するのではなく、周辺細胞が腫瘍化した。図3Hippo活性化細胞が増殖因子とアミノ酸輸送を介して腫瘍形成を誘導する Hippo活性化細胞がアポトーシス制御因子を介して、増殖因子を発現・分泌することで周辺細胞に作用する。また、Hippo活性化細胞はアミノ酸トランスポーターSat1/2を介して、周辺細胞のアミノ酸の取り込みを促進する。増殖因子とアミノ酸の両方が相乗的に周辺細胞へ作用することで腫瘍形成を引き起こす。報道発表資料（424 KB）論文掲載ページ (EMBO Reportsに移動します) 広島大学研究者ガイドブック (千原崇裕教授) 【お問い合わせ先】大学院統合生命科学研究科千原崇裕 Tel：082-424-7443 E-mail：tchihara@hiroshima-u.ac.jp ■報道に関するお問い合わせ先広島大学広報室 TEL：082-424-4518FAX：082-424-6040 E-mail：koho@hiroshima-u.ac.jp 理化学研究所広報部報道担当 Tel：050-3495-0247 E-mail： ex-press@ml.riken.jp 基礎生物学研究所 Tel：0564-55-7628 E-mail：press@nibb.ac.jp

2025.12.12

外来遺伝子を残さない安全なゲノム編集を藻類で実現！ ―藻類バイオ燃料の実用化に向け、新しい遺伝子編集方法を開発―

本研究成果のポイントバイオディーゼルなどの燃料生産が期待される微細藻類“ナンノクロロプシス*1”において、遺伝子を安全に改変できるよう「塩基編集＊2システム」を搭載した脱落可能なDNAベクターを開発しました。この塩基編集システムは、DNA二本鎖切断(DNA Double-strand Breaks, DSBs)＊3を導入しない安全な遺伝子改変システムであるため、外来遺伝子を残さず（外来遺伝子フリー＊4）、必要な変異だけを導入できる安全な方法です。この技術を使うことで、遺伝子改変後も外来遺伝子を含まないナンノクロロプシスを構築することが可能になりました。脱落可能なベクターにより樹立できる外来遺伝子の残らないゲノム編集生物はカルタヘナ法＊5の定める遺伝子組換え生物には該当しないため、屋外培養などの幅広い用途への応用が期待できます。概要広島大学ゲノム編集イノベーションセンターの諸井桂之研究員、山本卓教授および栗田朋和特任准教授は、非常に多くの油脂を蓄積する微細藻類、ナンノクロロプシスにおいて脱落可能な塩基編集ベクターを開発しました。この技術により変異導入時にDSBsを介さずに外来遺伝子を含まないナンノクロロプシスのゲノム編集株を樹立する手法を確立しました。本研究成果は令和7年11月27日に英国Nature research社の科学雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。論文情報掲載雑誌：Scientific Reports 論文題目：“Double-strand break-free and transgene-free genome editing in the microalga Nannochloropsis oceanica using removable vectors containing the CRISPR base editing system” 著者： Keishi Moroi, Yamamoto, Tomokazu Kurita* 広島大学ゲノム編集イノベーションセンター *：責任著者 DOI: 10.1038/s41598-025-26657-y 背景微細藻類は細胞内に多量の油脂や有用物質を蓄積させるため、バイオディーゼルなどの生産が期待されていますが、生産コストなどの面で課題があるため、多くの研究者が微細藻類の分子育種を進めています。現在までに非常に効率の良いゲノム編集ツールが微細藻類で使用されて多くのゲノム編集藻類が構築されましたが、それらはDNA二本鎖切断(DSBs)を導入してから藻類細胞のDSB修復機構依存的に変異を導入していました。一方でこのようなDNAの二本鎖切断が稀に大規模なゲノムDNAの削除や染色体間での組換えなど宿主細胞に有毒で不都合な改変も起こっていました。研究成果の内容本研究ではナンノクロロプシスにおいてCEN/ARS＊6を含む脱落可能ベクターに塩基編集用の発現カセットを搭載して、図のように塩基置換後に脱落可能なベクターを構築しました。この塩基編集ベクターによりナンノクロロプシスの内在性の5種の遺伝子における6つの標的サイトにおいて塩基置換の導入に成功しました。塩基置換効率は29.2%から47.6%で、塩基置換後のベクターの脱落にも成功しました。今後の展開本研究により確立したDSBフリー且つ、外来遺伝子が残らないゲノム編集法を用いて屋外培養可能、かつ油脂蓄積効率の高い“高機能藻類”の樹立が期待されます。DSBフリーのゲノム編集システムは複数箇所同時改変でも標的サイト間での大規模な遺伝子の脱落や染色体間での組換えといった不都合な改変が起こり難く、また脱落可能ベクターはマーカーの再利用が可能になるため、本システムは、細胞内の多数の遺伝子を改変する際に非常に有効であると考えられます。本研究で確立した外来遺伝子フリー塩基編集システムは藻類バイオディーゼル＊7の実用化に必須の基盤技術と考えられます。用語解説＊1ナンノクロロプシス直径 2〜5μmほどの小さな海の植物プランクトンです。培養環境に応じてバイオディーゼルに変換できる油脂を大量に蓄積すること、オメガ３脂肪酸のEPA（エイコサペンタエン酸）を豊富に含有することなど多くの特長を持つことから、さまざまな分野で活用されています。＊2塩基編集 Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)–CRISPR-associated protein 9 (Cas9)には2つのヌクレアーゼドメインがあり、標的部位にDNA二本鎖切断を導入します。このヌクレアーゼの片方を失活したnCas9はDNAの2本鎖の片方のみを切断する酵素でCas9ニッカーゼと言います。このnCas9に塩基の脱アミノ化を行うデアミナーゼを融合して、標的部位の塩基を別の塩基に置換するのが塩基編集です。本研究では、nCas9にヤツメウナギのデアミナーゼであるPmCDA1とウラシルDNAグリコシレーション阻害タンパク質を結合した融合タンパク質を使用しています。PmCDA1は標的配列のシトシンのアミノ基を脱離させてウラシルに置換します。ウラシルはチミンと同様にアデニンと塩基対を形成するため、最終的にシトシンをチミンに変換できます。このような塩基編集システムをシトシンベースエディター(cytosine base editors, CBE)と言います。ウラシルDNAグリコシレーション阻害タンパク質はPmCDA1により変換されたウラシルが細胞内の塩基除去修復機構により取り除かれ、別の塩基に変換されるのを防ぐ役割があります。＊3DNA二本鎖切断(DNA Double-strand Breaks, DSBs) 生命の設計図であるゲノムDNAは二本のDNA鎖が二重螺旋構造を形成していますが、この二本の鎖の両方を切断するのがDSBsです。DSBsが導入されると細胞内のDSB修復系が機能し基本的には元通り修復されます。しかし一定の割合で修復システムのエラーによりゲノムDNAに変異が導入されます。この現象を利用してDSBsを介したゲノム編集ツールは特定部位に結合してDSBsを導入、標的遺伝子に変異を導入しますが、この時に稀に標的以外の遺伝子を含む大規模な遺伝子の削除や、染色体間での置換など、宿主細胞にとって有害で不都合な反応が起こることがあります。このような反応は特に特にゲノムDNAの複数の場所でDSBsを同時に導入した場合に起こることがあるため、複数の遺伝子を同時に改変する場合には特にDSBフリーのシステムが重要になります。＊4外来遺伝子フリーシステム異種生物由来や合成された配列など、外来のDNA配列を含む生物を遺伝子組換え生物(Gene Modified Organisms, GMOs)と言います。GMOsはカルタヘナ法に基づく生物学的封じ込めの規定があるため、屋外培養などには非常に強い使用制限があります。CEN/ARSを持つベクターは細胞内でゲノムDNAの外で維持されるエピソーマルベクターとして振舞い、抗生物質による選択圧が無い培養条件では自然に脱落します。このように最終的に外来遺伝子が残らないシステムを外来遺伝子フリーシステムと言います。＊5カルタヘナ法遺伝子組換え生物等の使用等の規制による生物の多様性の確保に関する法律。日本国内において、遺伝子組換え生物の使用等について規制をし、生物多様性条約カルタヘナ議定書を適切に運用するための法律で、遺伝子組換え生物が生物多様性へ影響を及ぼさないかどうか事前に審査することや、適切な使用方法について定められています。＊6CEN/ARS 出芽酵母の染色体の安定性に関わる配列であり、CEN/ARSはCentromere and autonomous replication sequenceの略で、出芽酵母の汎用low copyベクターに使用されています。最近このCEN/ARSを持つベクターが珪藻やナンノクロロプシスにおいても細胞内でゲノムDNAの外でエピソーマルベクターとして安定に維持されることが報告されていました。＊7藻類バイオディーゼル微細藻類は環境ストレスなどに応じて細胞内に多量の油脂を蓄積します。この油脂に含まれる脂肪酸を脂肪酸メチルエステルに変換して使用する燃料です。藻類による油脂の生産は光合成によりCO2を吸収するため、大気中のCO2を増加させない次世代の再生可能エネルギーとして期待されています。報道発表資料（733.68 KB）掲載ジャーナル：Scientific Reports 研究者ガイドブック(栗田朋和特任准教授) 【お問い合わせ先】広島大学ゲノム編集イノベーションセンター特任准教授栗田朋和 Tel：082-424-4008 E-mail：kuri616＊hiroshima-u.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

2026.05.05

ゼニゴケのクローン繁殖を誘導する遺伝子を発見 ―農作物種を含むさまざまな植物への応用に期待―

【本研究成果のポイント】ゼニゴケのクローン繁殖体形成に必須の新規遺伝子を発見しました。この遺伝子を活性化させることで、クローン繁殖体の形成を誘導することに成功しました。本研究の成果は、植物がクローンで増えるメカニズムの解明やその人為的制御手法の開発に貢献するとともに、農作物種を含むさまざまな植物への応用が期待されます。【概要】広島大学大学院統合生命科学研究科の平川有宇樹教授と髙橋剛研究員の研究グループは、学習院大学理学部生命科学科／大学院自然科学研究科清末知宏教授、山屋沙織大学院生（研究当時）、英国Cambridge大学 Jim Haseloff 教授、Facundo Romani 博士、神戸大学大学院理学研究科石崎公庸教授、広島大学大学院統合生命科学研究科嶋村正樹教授らと共同で、コケ植物の一種であるゼニゴケがクローン繁殖体を発生させる引き金となる遺伝子を発見しました。ゼニゴケは無性芽と呼ばれる小さなクローン繁殖体を自身の体から生み出し、雨水などによって散布されることで個体数を増やすことができます。本研究で発見した遺伝子「GEMMIFER（ジェミファー）」は無性芽の形成に必須の遺伝子であり、さらに、この遺伝子を活性化させると無性芽形成を人為的に誘導できることが分かりました。本研究の成果は、植物がクローン繁殖を行うメカニズムの解明やその人為的制御方法の開発に重要な知見をもたらすと考えられます。本研究は、国際学術誌Current Biologyのオンライン版で2026年5月5日午前0時（日本時間）に掲載されます。 1. 雑誌名：Current Biology タイトル： Initiation of asexual reproduction by the AP2/ERF gene GEMMIFER in Marchantia polymorpha 著者：Go Takahashi（髙橋剛）, Saori Yamaya（山屋沙織）, Facundo Romani, Ignacy Bonter, Kimitsune Ishizaki（石崎公庸）, Masaki Shimamura（嶋村正樹）, Tomohiro Kiyosue（清末知宏）, Jim Haseloff, Yuki Hirakawa*（平川有宇樹） DOI： 10.1016/j.cub.2026.03.083 論文URL：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(26)00431-8 (open access) 【背景】植物は、雄（花粉）と雌（雌しべ）の受粉によって種子をつくるといった有性生殖の他に、無性生殖によっても繁殖します。無性生殖では、不定芽、塊茎、塊根などのさまざまな栄養器官において、配偶子（精子や卵）の形成を経ずにクローン体が生じます。短期間に多くの個体を生産できる繁殖の速さや、雌雄の出会いを必要としない生殖効率の高さから、無性生殖は植物の繁栄を支える重要な仕組みの一つとなっています。また、生殖において遺伝子の混合を伴わないことから、農作物の品質のばらつきを抑える上で有用な仕組みでもあります。しかしながら、植物の無性生殖が起こる発生学的なメカニズムに関する知見は少なく、不明な点が多く残っています。近年、分子遺伝学的解析の可能なモデル生物として、コケ植物タイ類のゼニゴケが注目されています。ゼニゴケは、胞子を介した有性生殖の他に、無性芽と呼ばれるクローン繁殖体をつくり、この無性芽が雨水などによって外部に散布されることでも繁殖します。これまでに無性芽の発生に関する遺伝子の研究が進められてきましたが、無性芽の発生を開始させる引き金となる遺伝子は分かっていませんでした。【研究成果の内容】本研究では、無性芽の発生を開始させる遺伝子「GEMMIFER（ジェミファー、短縮表記GMFR）」を発見しました（図1：研究成果の概要）。 ■ １｜ゼニゴケの無性芽形成に必須の遺伝子GMFRを発見研究チームは、先行研究において、CLEペプチドと呼ばれるホルモンの一種がゼニゴケの成長や無性生殖を調節することを見出していました。特に、CLEペプチドの過剰産生株では、無性芽をつくるための器となる構造である「杯状体」が少ないことが分かっていました。この株を用いたトランスクリプト―ム解析によって、発現量の変動する遺伝子群を見つけており、この中には無性芽や杯状体の形成に関与する遺伝子が含まれるのではないか、と考えていました。本研究では、このうちの一つの遺伝子の働きを抑える実験を行いました。CRISPR-Cas9によるゲノム編集技術と人工miRNAによるノックダウン技術によって遺伝子を不活性化させると、ゼニゴケは無性芽と杯状体をつくれなくなりました（図2）。そのため、この遺伝子は無性芽形成に必須の遺伝子であることが分かりました（「無性芽（GEMMA）をつくる」遺伝子としてGEMMIFER/GMFRと命名）。さらに、ゼニゴケの中でGMFR遺伝子が発現している部位を調べるため、蛍光タンパク質を利用したプロモーター活性解析を行いました。その結果、無性芽が生じる起点となる「杯状体底部細胞」や「発生初期段階の無性芽細胞（幹細胞）」において、GMFR遺伝子の発現を示す蛍光タンパク質のシグナルが検出されました（図3）。このことから、GMFR遺伝子は無性芽発生のごく初期の段階で働いていると考えられました。 ■ ２｜GMFR遺伝子の働きを活性化すると無性芽を誘導できる次に、本遺伝子の機能を詳細に解析するため、薬剤投与によって対象遺伝子を強制的に働かせる（過剰発現）ことができる組換え系統を作出しました。このゼニゴケ株では、薬剤のデキサメタゾンを与えることでGMFR遺伝子の働きを一時的に活性化することができます。デキサメタゾン処理を行ったところ、２日後には無性芽発生の起点となる幹細胞ができることが分かりました（図4）。さらに、デキサメタゾンを除いて育成を続けると、１週間ほどで多数の無性芽が生じました。この無性芽を新しい培地に植え替えると新たな個体として成長することも確認しました。この結果から、GMFR遺伝子を活性化することによって無性芽の起点となる幹細胞がつくられ、無性芽の発生を誘導できることが分かりました。 ■ ３｜GMFR遺伝子は他の必須遺伝子の発現を高めることで機能する先行研究において、GMFR遺伝子と同じように無性芽形成に必須の遺伝子が複数報告されていました。ただし、これらの遺伝子を活性化しても無性芽が生じることはありません。GMFR遺伝子とこれらの必須遺伝子との関係を調べるため、定量PCRによる発現解析や二重形質転換株の作出による機能解析を行いました。その結果、GMFR遺伝子は他の必須遺伝子の発現量に影響を与えていることが分かりました。既知の遺伝子の中で特に重要な役割を持つと考えられていたのがGCAM1遺伝子ですが、本研究の結果、GMFR遺伝子はGCAM1遺伝子の発現量を高める働きを持ち、このことが無性芽や杯状体の形成に重要であることが分かりました。【今後の展開】本研究により、GMFRという単一の遺伝子が指令を出すことで、無性芽の起点となる幹細胞が生まれ、無性生殖が開始することが分かってきました（図1）。しかし、GMFR遺伝子によって駆動される細胞運命制御のメカニズムの詳細は不明であり、今後解明していく必要があります。GMFR遺伝子はゼニゴケに特有の遺伝子ではなく、無性生殖を行わない種を含む多くの陸上植物が持つことも分かっています。今後の研究においてGMFRの作用機序の詳細が解明できれば、農作物種を含むさまざまな植物のクローン繁殖制御に応用できるかもしれません。また、ゼニゴケの体の中ではGMFR遺伝子が働く時期や強度を調節することで、無性生殖の時期や部位を制御していると考えられます。活性のオン・オフを制御する仕組みの解明も、今後の研究対象として重要です。【謝辞】本研究は以下の支援を受けて実施しました。（順不同）日本学術振興会科研費（JP22H02676）科学技術振興機構革新的GX技術創出事業（JPMJGX23B0）日本学術振興会地域中核・特色ある研究大学強化促進事業英国バイオテクノロジー・生物科学研究会議（BBSRC）公益財団法人武田科学振興財団公益財団法人木下記念事業団公益財団法人内藤記念科学振興財団公益財団法人住友財団広島大学APC助成【参考資料】図１．研究成果の概要ゼニゴケは、無性芽と呼ばれる小さな繁殖体をつくってクローンで繁殖することができます。本研究ではこの無性芽の発生を開始する際に働く遺伝子を発見しました。図2．GMFR遺伝子の機能欠損による無性芽・杯状体の形成不全ゲノム編集技術によりGMFR遺伝子の機能を欠損させたゼニゴケ（右）では、野生株（左）とは異なり無性芽と杯状体がまったく形成されない。やじり（ピンク）は無性芽を含む杯状体を示す。図3．GMFR遺伝子は無性芽発生のごく初期で発現する蛍光タンパク質を利用したGMFR遺伝子のプロモーター活性解析。図中、緑色で示す蛍光タンパク質のシグナルが、杯状体底部細胞（矢印）および発生初期の無性芽（アスタリスク）で検出された。図4．GMFR遺伝子の活性化により誘導される無性芽の発生（左）薬剤誘導後、無性芽の起点となる細胞（アスタリスク）が生じる。（右）誘導４日後に薬剤を除去し、さらに１週間育てると多数の無性芽が生じる。報道発表資料（577.18 KB）論文掲載ページ (Current Biologyに移動します) 広島大学研究者ガイドブック (平川有宇樹教授) 【お問い合わせ先】 ■研究に関するお問い合わせ先広島大学大学院統合生命科学研究科基礎生物学プログラム教授平川有宇樹 TEL：082-424-7455 E-mail：yuki-hirakawa@hiroshima-u.ac.jp 学習院大学理学部生命科学科／大学院自然科学研究科教授清末知宏 E-mail：tomohiro.kiyosue@gakushuin.ac.jp 神戸大学大学院理学研究科教授石崎公庸 E-mail：kimi@emerald.kobe-u.ac.jp ■報道に関するお問い合わせ先広島大学広報室 TEL：082-424-4518FAX：082-424-6040 E-mail：koho@hiroshima-u.ac.jp 学習院大学学長室広報センター TEL：03-5992-1008FAX：03-5992-9246 E-mail：koho-off@gakushuin.ac.jp 神戸大学企画部広報課 TEL：078-803-5106FAX：078-803-5088 E-mail：ppr-kouhoushitsu@office.kobe-u.ac.jp

2025.12.22

遺伝子編集の精度を高める新しい仕組みを開発～安全で確実性の高い遺伝子治療や精密さが求められる基礎研究に貢献～

本研究成果のポイントヒト細胞内で、遺伝子編集を行う際、オフターゲット作用（不要な場所のDNA切断）が起こらずに、目的の遺伝子修復（HDR）が成功した細胞だけを選別する独自スクリーニングシステムを開発しました。本システムを用いて、標的 DNA を改変する新規のゲノム編集技術Cas9変異体「HSS Cas9」を獲得しました。HSS Cas9は野生型Cas9よりも特定の標的配列において高いHDR効率を示します。 HSS Cas9とHDRが活発になる細胞周期制御技術（AcrIIA4-Cdt1）を組み合わせることで、不要な変異（インデル）の発生を大幅に抑制し、遺伝子編集の「正確性（HDR/インデル比）」を最大約30倍以上に向上させることに成功しました。遺伝子編集の精度向上によって、安全で確実性の高い遺伝子治療法の開発や、精密な遺伝子改変が求められる基礎研究分野での活用が期待されます。概要広島大学大学院医系科学研究科の松本大亮助教（現東京都医学総合研究所主任研究員）、野村渉教授、山口大学大学研究推進機構中高温微生物研究センターの佐藤悠助教、東京都医学総合研究所宮岡佑一郎再生医療プロジェクトリーダーらのグループはヒト細胞においてHDRが成功するとジフテリア毒素への耐性を獲得する仕組みと緑色蛍光の消光によりオフターゲット作用を検出する仕組みを利用した、独自のスクリーニングシステムを構築しました。このシステムを用いてCas9変異体ライブラリを探索した結果、2つの新規アミノ酸変異（I795V/K918E）を持つ「HSS Cas9」を同定しました。HSS Cas9は、野生型Cas9と比較して、特定の遺伝子標的（EMX1, VEGFAなど）において高いHDR効率を示しました。さらに、HSS Cas9と細胞周期依存的にCas9を活性化させる技術（AcrIIA4-Cdt1）を組み合わせることで、インデルの発生を強く抑制し、遺伝子編集の正確性（HDR/インデル比）を飛躍的に向上させることに成功しました。本成果は、より安全で高精度な遺伝子治療技術の開発に貢献するものです。本研究成果は、「Journal of Biomedical Science」（IF=12.1）に令和7年12月3日付でオンライン掲載されました。＜発表論文＞論文タイトル Screening Strategy to Identify Cas9 Variants with Higher HDR Activity Based on Diphtheria Toxin 著者松本大亮1,2,3,＊、久保田小茉利1、佐藤悠4、加藤-乾朋子3、濁川清美1,2、宮岡佑一郎3、野村渉1,2,＊１．広島大学薬学部２．広島大学大学院医系科学研究科３．東京都医学総合研究所４．山口大学大学研究推進機構中高温微生物研究センター＊責任著者掲載雑誌 Journal of Biomedical Science (IF=12.1) DOI番号 DOI: 10.1186/s12929-025-01197-9 研究助成この研究成果は、科研費、JSPS 地域中核・特色ある研究大学強化促進事業（J-PEAKS）JPJS004 20230011、HIRAKU-Global、武田科学振興財団、内藤記念科学振興財団、上原記念生命科学財団、持田記念医学薬学振興財団、鈴木謙三記念医科学応用研究財団の支援を受けて研究を行い、得られたものです。背景ゲノム編集技術は、遺伝性疾患やがんの治療法として期待されています。ゲノム編集技術では、標的とする遺伝子を切断することが必要となります。これまでにジンクフィンガーヌクレアーゼ（ZFN）やTALEN（例：Platinum TALEN）などが開発されてきており、現在では目的に沿った使い分けが可能な状況となっています。そのなかでもCRISPR-Cas9は標的配列を自在に特異的に標的化できるという点から、主要なゲノム編集ツールとして汎用されています。これらのツールはいずれも標的とする遺伝子配列を切断する機能を持っています。しかし、DNAを切断した後、あらかじめ用意した正しい遺伝子配列（テンプレートDNA）を使って正確に修復する「HDR（相同組換え修復）」の効率が低いことが大きな課題でした。ゲノム編集では、多くの場合に標的配列がエラーを伴いやすい「NHEJ（非相同末端結合）」によって修復されてしまい、意図しない変異（インデル）が生じてしまうためです。精度の高いゲノム編集によってより安全性の高い遺伝子治療が可能となりますが、この実現には、HDR効率を向上させることが不可欠です。しかし、これまでに決定的な解決策は示されていません。研究成果の内容研究グループはまず、ヒト細胞内でHDRによる修復に成功した細胞だけが生き残り、緑色蛍光タンパク質の消光によってゲノム編集操作における副作用であるオフターゲット作用を検出する、スクリーニングシステムを開発しました（図1）。このシステムを用いて、Cas9のDNA切断に関わるドメインにランダムな変異を導入したライブラリを探索した結果、これまでに報告のなかった2つのアミノ酸変異（I795V/K918E）を持つ変異体「HSS Cas9（HDR-Screening-Selected Cas9）」を発見しました（図2）。このHSS Cas9は、野生型のCas9と比較して、特定の遺伝子標的において高いHDR効率を示しました。さらに、研究グループはHSS Cas9と、HDRが活発になる細胞周期（S/G2期）でのみCas9を活性化させる既存の技術（AcrIIA4-Cdt1）を組み合わせました。その結果、望まない変異（インデル）の発生を劇的に抑制しつつ、高いHDR効率を維持することに成功。編集の「正確性（HDR/インデル比）」を、標的遺伝子によっては野生型Cas9と比べて最大約30倍以上に向上させることを実証しました（図3）。今後の展開 Cas9によるヒト細胞のゲノム編集が報告されてから10年以上が過ぎ、基本特許の有効期間も折り返しの10年間を迎えています。今回開発されたスクリーニングシステムは、ランダムなCas9変異体の中からヒト細胞内での高精度な修復を起こしやすい変異体を選抜することができます。今後、このスクリーニングシステムに改良を加えながら、より大規模なスクリーニングを実施することで、新たなバージョンのHSS Cas9の獲得に展開していきます。これによって、より安全で確実性の高い遺伝子治療法の開発や、精密な遺伝子改変が求められる基礎研究分野での活用が期待されます。参考資料図１.スクリーニングシステムの概略図図２.獲得した変異体の活性確認（#27がHSS Cas9）図3.HSS Cas9の細胞周期依存的な活性化（WT: 野生型Cas9, HSS: HSS Cas9, A4C: AcrIIA4-Cdt1, PO: ホスフォジエステル結合の一本鎖オリゴの鋳型, PS: ホスフォロチオエート結合（末端3塩基）の一本鎖オリゴの鋳型）【プレスリリース】遺伝子編集の精度を高める新しい仕組みを開発～安全で確実性の高い遺伝子治療や精密さが求められる基礎研究に貢献～.pdf（398.74 KB）掲載雑誌：Journal of Biomedical Science 研究者ガイドブック(野村渉教授) 【お問い合わせ先】＜研究に関すること＞東京都医学総合研究所主任研究員松本大亮 Tel：03-5316-3129 E-mail：matsumoto-ds＊igakuken.or.jp 広島大学大学院医系科学研究科教授野村渉 Tel：082-257-5308 E-mail：wnomura＊hiroshima-u.ac.jp 山口大学大学研究推進機構中高温微生物研究センター助教佐藤悠 Tel：083-933-5841 E-mail： yusato＊yamaguchi-u.ac.jp ＜報道に関すること＞広島大学広報室 Tel：082-424-4518 FAX 082-424-6040 E-mail：koho＊office.hiroshima-u.ac.jp 公益財団法人東京都医学総合研究所事務局研究推進課乙竹・伊藤 Tel：03-5316-3109 山口大学総務企画部総務課広報室 Tel：083-933-5007 E-mail：sh011＊yamaguchi-u.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

2026.05.08

広島大学の丸山史人教授が、米国エネルギー省JGI 2026 年度Community Science Program大型研究支援に世界でわずか14 件の採択プロジェクトの一つに日本から唯一採択～未解明の地下水微生物研究で国際競争を勝ち抜く快挙～

ポイント米国エネルギー省(Department Of Energy; DOE) Joint Genome Institute (JGI)の2026年度Community Science Program (CSP)大型研究支援公募において、世界でわずか14件の採択プロジェクトの一つに広島大学・丸山史人（まるやまふみと）教授の提案が選出されました。日本からの採択は丸山教授の1件のみです。過去の採択実績では、プリンストン大学やマサチューセッツ工科大学（MIT）、スタンフォード大学、カリフォルニア大学バークレー校など海外トップクラスの研究機関の教授が多く、今回はプリンストン大学、シカゴ大学、デューク大学、米国やフランスの国立研究所などの研究者が参画しており、国際的にも極めて競争率が高く名誉ある成果です。 DOE-JGIのCSPプログラムでは、数十万～数百万ドル相当の大規模ゲノム解析、ハイスループットDNAシーケンス、計算資源などの支援が採択課題に無償提供されます。 CSP採択プロジェクトの多くは研究成果をNatureやScienceといった世界最高峰の学術誌に発表しており(https://jgi.doe.gov/user-science/publications)、質の高い国際共同研究が推進されています（※例：JGIによるソルガム（バイオエネルギー作物）ゲノム解析研究が2009年にNature掲載）。丸山教授の採択課題は、未培養で未知の地下水生微生物Patescibacteria門を対象に、その共生的な生態をゲノム解析によって解明し、地下環境での物質循環の役割に迫る革新的研究です。環境中の膨大な未解明微生物の機能解明を通じ、物質循環・環境微生物学に新たな展開が期待されます。日本からCSP大型枠に採択される例は極めて稀であり、広島大学からの採択は国際舞台における国内研究者の存在感を示す画期的な成果と言えます。概要広島大学IDEC国際連携機構の丸山史人教授の研究プロジェクトが、米国エネルギー省（DOE）の合同ゲノム研究所(Joint Genome Institute, JGI)による2026年度コミュニティ・サイエンス・プログラム（CSP）大型研究支援公募において、世界14件の採択プロジェクトの一つに選ばれました。日本からの採択は本件のみで、他の採択者には、プリンストン大学、シカゴ大学、デューク大学、米国やフランスの国立研究所など世界的トップクラスの研究機関の教授らが名を連ねています。また、過去の採択者にも日本国内の研究者がプロジェクトの代表となっている例は確認されていません。CSP大型公募は、エネルギーの持続可能性、気候変動への対応、水・環境資源の保全といった地球規模課題の解決（DOEミッションの内容を反映）に資する大規模ゲノム科学プロジェクトを世界中から募るもので、その採択は極めて狭き門を突破したことを意味します。本採択により、丸山教授のチームはDOE-JGIから大規模なゲノム解析支援を無償提供され、最先端の環境ゲノム研究を推進します。背景DOE-JGIはカリフォルニア州ローレンスバークレー国立研究所に拠点を置く、米国エネルギー省の合同ゲノム研究施設です。CSP（コミュニティ・サイエンス・プログラム）はDOE-JGIの主要なユーザープログラムであり、世界中の研究者が提案する斬新なゲノム科学プロジェクトに対し、シーケンス解析やデータ解析といったサービスを無償提供するものです。特に「大型（Large-Scale）」枠の公募では、数年スケールで大量のゲノムデータを生成する野心的な提案が求められます。このCSPは、毎年公募、採択される年1回の大型公募であり、2026年度においては世界中から応募が寄せられ、その中から厳正な国際ピアレビューを経て14件のみが採択されました。また、CSP採択プロジェクトは過去に数多く画期的な成果を生み出しており、その成果論文がNature、Scienceといった著名科学誌に掲載される例も少なくありません。こうした背景から、本プログラムへの採択は研究資源の獲得だけでなく、研究の国際的な評価・発信につながる名誉ある業績と位置付けられています。日本からDOE-JGI CSPに採択される事例はきわめて少なく、本件は数年ぶりの快挙となりました。広島大学の丸山教授の採択は、日本の環境ゲノム・微生物研究が国際舞台で高く評価された証と言えます。研究内容今回採択された丸山教授の研究課題は、「未培養Patescibacteria門微生物の地下水における物質循環機能の解明：共生的相互作用の解析を通じて」（原題：Uncovering the roles of uncultivated Patescibacteriota in groundwater biogeochemical cycling through the analysis of symbiotic interactions）です。Patescibacteria門（分類学上はPatescibacteriotaとも呼称）は、近年存在が明らかになった超小型細菌群で、培養が困難な「未培養微生物」の一大系統です。これらの細菌はゲノムサイズがわずか0.5～1.0百万塩基対程度（100-300nm）と極端に小さく、他の生物に普通存在する必須遺伝子の多くを欠失しており、その大半が他の微生物に寄生・共生する形で生存していると考えられています。しかし、こうした極小細胞の微生物が地下水環境でどのような役割を果たし、他の微生物とどのように関わっているのかは未解明のままでした。丸山教授らのプロジェクトでは、JGIの支援する大規模ゲノム解析技術を駆使し、地下水中のPatescibacteria門細菌およびその共生相手となる微生物群集のDNAを包括的に解析します。具体的には、地下水試料からメタゲノム解析を行い高品質なゲノム配列を再構築することで、Patescibacteria門に属する複数種のゲノム情報を取得し、そこに潜む代謝経路や相互作用遺伝子を明らかにします。また、得られたゲノムから推定される機能に基づき、Patescibacteriaが共生相手からどのような栄養素や代謝産物をやりとりしているのか、逆に地下水中の炭素・窒素など物質循環プロセスに与える影響を解明することを目指します。さらに、必要に応じて単一細胞ゲノム解析や分子生態学的手法も組み合わせ、Patescibacteria門細菌と他の微生物との共生関係の実態に迫ります。本研究により、地下深部の環境で長らくブラックボックスとされてきた微生物生態系の一端が解明され、新規微生物の機能や進化の謎に光を当てることが期待されます。今後の展開丸山教授のプロジェクトは、2026年度からDOE-JGIの支援のもと本格始動します。今後数年間でテラバイト級のDNAシーケンスデータが産出され、人工知能（AI）も活用した大規模データ解析により、地下水中微生物の未知の生態が次第に明らかになっていく見込みです。得られた知見は、地下環境における炭素循環や養分循環モデルの高度化、さらには環境浄化や資源エネルギー分野への応用に貢献することが期待されます。また、本採択を契機に広島大学はDOE-JGIや海外トップ研究者との連携を一層深め、国際共同研究の展開や本課題の共同受賞者であるスマートソサイエティ実践科学研究科博士課程2年の福士宗幸氏を含めて、人材交流を促進していきます。将来的には、本プロジェクトの成果論文を国際学術誌へ発表し、広島大学発の環境ゲノム研究として世界に発信する予定です。丸山教授は「本研究により、地下に広がる未知の微生物世界の解明が進み、環境微生物学のフロンティアを切り拓きたい」と抱負を述べています。本学は引き続き最先端研究を通じて地球規模課題の解決に貢献していきます。＜Joint Genome Institute（JGI）の公式発表ページはこちら＞ https://jgi.doe.gov/user-science/science-stories/jgi-announces-fy26-large-scale-portfolio-our-community-science-program 報道発表資料（240.68 KB）研究者ガイドブック（丸山史人教授）【お問い合わせ先】広島大学 IDEC国際連携機構環境遺伝生態学研究分野教授丸山史人（まるやまふみと） E-mail：fumito＊hiroshima-u.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

2025.12.22

富山および横浜における大気中粗大粒子・微小粒子の化学組成と細菌群集への影響を解明

本研究成果のポイント富山（郊外）と横浜（都市）で、大気中の粗大粒子および微小粒子を比較しました。両地点とも、生態系への潜在的リスクが「重大なレベル」であることが分かり、特にアンチモン（Sb）が大きな要因でした。横浜のPM2.5では、より複雑な「微生物と化学成分の関係」が観察されました。各地域で、土地利用の違いに応じた「微生物群集を左右する主要な化学成分」を特定しました。概要富山大学大学院理工学研究科（博士後期課程）の劉娟氏と学術研究部理学系田中大祐教授らの研究グループは、広島大学IDEC国際連携機構の藤吉奏特任准教授（兼富山県立大学准教授）と丸山史人教授、立命館大学の遠里由佳子教授らと共同で、日本の富山と横浜における大気粒子の化学成分の違いと、それが細菌群集に与える影響を明らかにしました。この研究は「土地利用の違いが、大気中の微生物群集の組成をどのように左右するか」を示しています。本研究成果は、「Journal of Hazardous Materials」に2025年12月1日（月）（日本時間）に掲載されました。研究の背景大気中の粒子（PM）は、大気の質や生態系、人体の健康に影響を与える重要な存在です。これらには、無機イオンや炭素成分、重金属、さらには微生物や花粉などが含まれます。粒径によって「粗大粒子（2.5〜10 μm）」と「微小粒子（2.5 μm以下）」に分けられます。粗大粒子は土壌や海塩、花粉など自然由来が多く、微小粒子は交通や工業活動に由来し、肺の奥まで到達しやすい特徴があります。粒径の違いは、発生源や化学組成だけでなく、付着する微生物群集の特徴にも大きな影響を与えます。これまでの研究では特定の地域や成分に焦点を当てることが多く、地域差・粒径差・化学的要因を総合的に評価した例は限られていました。富山市と横浜市は、地理や気候、都市化の度合いが大きく異なるため、大気粒子と微生物群集の関係を調べる上で有用な比較対象です。研究の内容・成果本研究では、富山（郊外）と横浜（都市）の2地点において、粗大粒子（SPM-PM2.5※１））と微小粒子（PM2.5※１））を同時に採取し、その化学成分と細菌群集を包括的に解析しました。分析の結果、横浜における粒子状物質の質量濃度は富山と比較して全体的に高く、粗大粒子および微小粒子の濃度はそれぞれ横浜で5.6 μg/m³と11.8 μg/m³、富山で3.8 μg/m³と9.4 μg/m³でした（図1a）。いずれも日本の現行大気環境基準値を下回っていましたが、主要成分として水溶性無機イオン（WSII）と炭素成分（CS）が確認され、両者の合計は総質量の約65.6〜72.4％に達しました（図1b、 1c）。さらに、Hakansonの手法に基づく重金属の潜在的生態リスク評価を行ったところ、両地点の総合潜在生態リスク指数（RI）※2）はいずれも「深刻なリスク」レベルに分類されました（図2）。特にアンチモン（Sb）が最大のリスク寄与元素であり、富山と横浜でそれぞれ701.1と832.7という高い値を示しました。この結果は、粒子濃度が規制値内であっても、粒子状物質に含まれる有毒金属が生態系に長期的な負荷を与える可能性を示唆しています。微生物群集の解析では、両地点の粒子中細菌群集が明瞭な地域特性を示しました。富山ではMethylobacterium（18.9％）やSphingomonas（7.8％）など植生関連の細菌属が優占し、郊外環境における植生や土壌の寄与が大きいことが示されました。一方、横浜ではCorynebacterium（9.5％）やStreptococcus（6.4％）などヒトや都市環境由来の細菌属が多く検出され、都市での活動の影響を強く反映していました（図3）。さらに、細菌と化学成分の関連性を調べるために共起ネットワーク解析を行ったところ、横浜のPM2.5における細菌-化学成分ネットワークのモジュラリティ※３）は富山の約2.8倍であり、群集構造がより複雑であることが分かりました（図4）。横浜ではヒ素（As）、鉛（Pb）など燃焼・工業起源元素や元素状炭素（EC）が主要な影響因子である一方、富山では鉄（Fe）、カリウム（K）、ルビジウム（Rb）など海塩・地殻起源元素の寄与が大きいことが冗長性分析（RDA）によって確認されました（図5）。これらの結果から、土地利用形態や汚染源特性といった環境背景が、大気粒子の化学組成とそれに付着する細菌群集の特徴を大きく規定していることが明らかになりました。本研究は、都市と郊外における大気環境の違いを理解し、生態リスクや健康影響の評価に新たな科学的根拠を提供するものです。今後の展開本研究チームは、大気中の微生物がもたらす健康リスクの全容解明に向けて研究のさらなる発展を目指しています。そのために観測地域や期間を拡大し、日本各地で大気粒子とバイオエアロゾルの継続的なモニタリング網を構築します。さらに、健康影響の詳細な評価を目的に、対象を細菌に加えて真菌にも拡張し、より包括的な微生物群集動態の解明に取り組みます。将来的には、大気環境の早期警戒や健康リスクを事前に予測・警告できる科学基盤を確立し、より安全で持続可能な社会の実現に貢献することを目指します。図1. 富山および横浜におけるSPM-PM2.5とPM2.5の比較：（a）質量濃度（p < 0.05*），（b）化学成分の質量比（%），（c）化学成分濃度の変動（μg/m3）。WSII：水溶性無機イオン（Water-Soluble Inorganic Ions），CS：炭素成分（Carbonaceous Species），SCE：海塩・地殻起源元素（Sea Salt and Crustal Source Elements），CSE：燃焼・工業起源元素（Combustion and Industrial Source Elements）。図2. 富山および横浜におけるSPM-PM2.5およびPM2.5中の重金属の潜在的生態リスクの比較（p < 0.05*）。図3. 富山および横浜で採取したSPM-PM2.5およびPM2.5中において、相対存在量が1％を超えて優占する細菌属の相対存在量。図4. 化学成分と微生物とのネットワーク解析。（a）富山SPM-PM2.5，（b）富山PM2.5，（c）横浜SPM-PM2.5，（d）横浜PM2.5。ノード（点）の大きさは，各細菌属または化学成分ノードが持つエッジ（線）の数である次数を示し，エッジの太さはネットワークにおける結合の重みを示す。ノード同士はエッジで結ばれており，各エッジはSpearmanの順位相関係数に基づく有意な相関（r > 0.8, p < 0.05）を表す。図5. 化学成分と微生物との冗長性解析。（a）富山，（b）横浜。用語解説 ※１）PM2.5 / SPM-PM2.5 PM2.5は粒径2.5 μm以下の微小粒子で，肺の奥深くまで到達しやすいことから健康影響が懸念されている。SPM-PM2.5は「浮遊粒子状物質（SPM, Suspended Particulate Matter）からPM2.5を差し引いた分画」を指し，粒径2.5〜10 μmの粗大粒子に相当する。 ※２）潜在生態リスク指数（RI）粒子中に含まれる複数の重金属について，毒性の強さと環境中の背景濃度を考慮して算出される指標。値が大きいほど生態系への潜在的なリスクが高いと判断され，「軽度」「中程度」「深刻」などの区分で評価される。 ※３）モジュラリティモジュラリティ（modularity）とは，ネットワークがどれだけ明確な複数のモジュール（群）に分かれているかを示す指標で，値が高いほど構造が複雑で集団のまとまりが強いことを意味する。論文情報論文名： Suburban-urban differences in coarse and fine atmospheric particulate matter with key chemical compositions influencing bacterial communities in Toyama and Yokohama, Japan 著者： Juan Liu, So Fujiyoshi, Fumito Maruyama, Yukako Tohsato, Shinichi Koyama, Xavier Rodó, Takamune Shimada, Makoto Seki, Akihiro Sakatoku, Shogo Nakamura, Daisuke Tanaka 劉娟，藤吉奏，丸山史人，遠里由佳子，小山慎一，Xavier Rodó，嶋田崇志，関誠，酒徳昭宏，中村省吾，田中大祐掲載誌： Journal of Hazardous Materials DOI： https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140678 報道発表資料（1.47 MB）掲載雑誌：Journal of Hazardous Materials 研究者ガイドブック(藤吉奏特任准教授) 【お問い合わせ先】＜研究に関すること＞富山大学学術研究部理学系教授田中大祐 TEL：076-445-6673 Email：tanakada＊sci.u-toyama.ac.jp ＜報道に関すること＞国立大学法人富山大学総務部総務課広報・基金室 TEL：076-445-6028 Email：kouhou＊u-toyama.ac.jp 広島大学財務・総務室総務・広報部広報グループ TEL：082-424-3749 Email：koho＊office.hiroshima-u.ac.jp 立命館大学広報課 TEL：075-813-8300 Email：r-koho＊st.ritsumei.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

2004.04.01

生物発光を用いた迅速かつ高感度バイオアッセイ法を確立

アピールポイントルシフェリン派生体を使うことで、種々のバイオアッセイを高感度で実施可能成功例として、リムルス反応と高輝度ルシフェラーゼの組み合わせでエンドトキシンを計測した（生物発光ET）生物発光ETの特徴は迅速性（0.001 EU/mLを10分で測定）、透析液のエンドトキシン検査で保険適応研究者のねらいルシフェリン派生体を使うことで、種々のバイオアッセイを高感度で実施可能になる。成功例として、リムルス試薬の発光基質と高輝度ルシフェラーゼを組み合わせたエンドトキシン検出法は、従来の濁度や発色による検査に比べ、シグナルノイズ比が高く、高感度である。東亜DKKと共同で、本反応の自動化に成功し、安定した検査が可能。研究内容例えば、ルシフェリンに付加するペプチドを変えれば、プロテアーゼの高感度検査になる。また、ルシフェリンに糖鎖を付加すれば、糖鎖分解酵素の検査ができる（例えば、シアル酸を付加すれば、タミフルのターゲットであるインフルエンザのノイラミニダーゼが高感度に検出できる。タミフル耐性かどうかの検査も迅速にできる特許を有する）。備考特許第5403516号特許第5813723号研究者黒田章夫（Kuroda Akio）広島大学大学院統合生命科学研究科教授

2026.02.25

鎖骨頭蓋異形成症の新たな病態モデルを確立〜Runx2のミスセンス変異が骨と歯の形成に与える影響〜

本研究成果のポイント鎖骨等の未発達や無形性により発症する鎖骨頭蓋異形成症(※１)の患者さんと同じタイプのRunx2(※２)ミスセンス変異(※３)を持つマウスモデルの系統を確立しました。このマウスを用いて、骨や歯の根が分かれる過程にも異常が生じることを明らかにしました。概要広島大学大学院医系科学研究科の小川咲希大学院生、樋口真之輔助教(研究当時)、吉本由紀特任助教/日本学術振興会特別研究員(研究当時)、宿南知佐教授の研究グループは、同研究科の星野麻里大学院生(研究当時)、濱田充子助教、内部健太准教授、岡本哲治教授(研究当時)、谷本幸太郎教授、広島大学大学院統合生命科学研究科の山本卓教授、京都大学大学院農学研究科の佐久間哲史特定教授、京都大学医生物学研究所の渡邊仁美助教、近藤玄教授、長崎大学大学院医歯薬学総合研究科の小守壽文教授らの研究グループとの共同研究で、生まれつき骨や歯の発達に異常が起こる「鎖骨頭蓋異形成症」の原因を詳しく調べるため、骨形成の鍵となる遺伝子Runx2に、患者さんと同じタイプの変化を導入した新しいモデルマウスを作製しました。このマウスでは、人の患者さんと同様に、鎖骨の発達不全や頭の骨のつなぎ目が閉じないといった特徴が確認されました。また、歯の形成を詳しく調べたところ、上あごの一番目の永久歯で、歯の根が分かれる過程に異常が生じ、本来はできない「根のような小さな突起」ができることを発見しました。これらの結果から、Runx2の働きが弱くなることで、骨だけでなく歯の根が分岐する過程にも影響が及ぶことが明らかになりました。本研究で作製したモデルマウスは、鎖骨頭蓋異形成症の病態解明や、将来の治療法開発に役立つと期待されます。本研究成果は、2025年12月27日付けで、「Journal of Bone and Mineral Research」に掲載されました。＜発表論文＞論文タイトル Functional impact of pathogenic mutations in the Runt homology domain of mouse Runx2 on skeletal and dental phenotypes in cleidocranial dysplasia 著者小川咲希1, 2、樋口真之輔1、吉本由紀1、星野麻里1, 3、三浦重徳1、濱田充子3、渡邊仁美4、佐久間哲史5、Hu Kadi1、緒方駿1, 2、内部健太6、藤本勝巳1、山本卓7、岡本哲治3、國松亮2、外丸祐介8、谷本幸太郎2、近藤玄4、小守壽文9、Denitsa Docheva10、宿南知佐1 1. 広島大学･大学院医系科学研究科･生体分子機能学 2. 広島大学･大学院医系科学研究科･歯科矯正学 3. 広島大学･大学院医系科学研究科･口腔腫瘍制御学 4. 京都大学･医生物学研究所･再生組織構築研究部門･統合生体プロセス分野 5. 京都大学･大学院農学研究科･ゲノム編集育種講座（産学共同） 6. 広島大学･大学院医系科学研究科･顎顔面解剖学 7. 広島大学･大学院統合生命科学研究科･分子遺伝学 8. 広島大学･自然科学研究支援開発センター 9. 長崎大学･大学院医歯薬学総合研究科･分子腫瘍生物学 10. Dept. of Musculoskeletal Tissue Regeneration, König-Ludwig-Haus & University of Wuerzburg 掲載雑誌 Journal of Bone and Mineral Research DOI番号 10.1093/fjbmr/zjaf201. 背景鎖骨頭蓋異形成症は、生まれつき骨や歯の発達に異常が起こる疾患です。鎖骨が十分に発達しなかったり、頭の骨のつなぎ目が閉じにくかったり、永久歯への生え替わりが遅れるほかに、余分な歯が多く出来るなどの問題を伴うことも少なくありません。この疾患の主な原因は、骨が出来る過程や軟骨が成長して成熟していく過程を調節する鍵となる「RUNX2」という分子の働きが不十分になるために起こります。特に、この分子の中でも重要な部分である「Runtホモロジードメイン」(※4)に異常が発生するケースが多く報告されています。しかし、これまで、患者さんで見られる「Runtホモロジードメイン」の異常や変異を忠実に再現した動物モデルが存在せず、どのように骨や歯に異常が生じるのかは、十分にわかっていませんでした。そのため、患者さんで見出されたものと同様の変異を遺伝子に導入した新しい疾患モデルマウスの開発が求められてきました。研究成果の内容本研究では、ゲノム編集技術を用いて、Runx2の機能に必須であるRuntホモロジードメインの232番目のアルギニンがグルタミンに置換されたミスセンス変異を有する新規の鎖骨頭蓋異形成症モデルマウスを作製しました（図1）。ヘテロ接合体(※5)では、ヒトの鎖骨頭蓋異形成症に特徴的な鎖骨の低形成および大泉門の開存が観察されました。ホモ接合体(※6)では、1997年にCell誌で初めて報告されたRunx2欠失マウスと同様に、膜性骨化(※7)が観察されず（図2）、ミスセンス変異蛋白質の転写活性化能が消失し、発現量も著しく低下していることが明らかになりました。また、ミスセンス変異と欠失変異(※8)のいずれでも、ヘテロ接合体では、上顎第一大臼歯の歯根が分かれる過程の異常により、本来なら平らになるべき髄床底(※9)に小さな根様の突起が生じることが見出されました（図3）。本研究により、ミスセンス変異によって、骨形成の鍵となる転写因子Runx2の機能が失われ、ハプロ不全(※10)によって、上顎第一大臼歯の歯根分岐過程に異常が起こることが明らかになりました。今後の展開これらの成果は、鎖骨頭蓋異形成症で起こる骨や歯の異常を理解する手がかりとなり、歯の再生医療や将来の治療法開発につながることが期待されます。参考資料図 1〜3は、Journal of Bone and Mineral Research誌に掲載された図を引用・改変したものです (doi.org/10.1093/jbmr/zjaf201)。用語解説 (※１)鎖骨頭蓋異形成症骨や歯の形成に異常を生じる遺伝性の疾患です。鎖骨が短いあるいは欠失している、頭蓋骨の縫合が閉じないあるいは閉じるのが遅い、といった症状が主に見られますが、特に患者さんにとって問題となるのが、乳歯が抜けず永久歯が生えてこないことや余分な歯ができてしまうことです。 (※２)Runx２骨を形成する骨芽細胞の分化に必須の遺伝子です。ヒトでは第６染色体、マウスでは第１７染色体に位置し、いずれも8つのエクソンから構成されています。骨芽細胞の形成に重要な遺伝子の発現を制御する転写因子として働きます。 (※３)ミスセンス変異蛋白質を構成するアミノ酸の1つが、塩基配列の変化により他のアミノ酸に置換されることで異常な蛋白質が生じる変異です。 (※4)Runtホモロジードメイン Runx2とそのファミリー遺伝子の蛋白質に存在する、DNA結合に必須の機能を持つ構造（ドメイン）です。約128アミノ酸で構成されており、異なる生物間でも高度に保存されています。 (※4)ヘテロ接合体父親と母親から1つずつ受け継いだ一対の遺伝子（対立遺伝子）が異なっている状態を示します。どちらか片方の形質が現れる場合や、２つの中間の形質が現れる場合があります。 (※6)ホモ接合体父親と母親から1つずつ受け継いだ対立遺伝子の両方に野生型とは異なる変異が生じている状態を示します。 (※7)膜性骨化脊椎動物の骨の形成過程の種類の一つです。膜性骨化は、結合組織の未分化な間葉系細胞から直接骨芽細胞が分化し骨が形成される様式で、はじめに軟骨が形成されてから骨が形成される内軟骨性骨化とは異なります。膜性骨化は、鎖骨や頭蓋骨、下顎骨の一部などで主にみられます。 (※8)欠失変異遺伝子の塩基配列の中で塩基がいくつか欠失することにより、欠失部位以降のアミノ酸が変化し、本来よりも早い段階で蛋白質の生成が止まってしまう変異です。 (※9)髄床底大臼歯のような複数の歯根を持つ歯では、歯根間に平坦な構造が形成されます。髄床底は、歯の神経（歯髄）を支えるために重要な部位です。 (※10)ハプロ不全対立遺伝子のうち片方が機能不全の場合に、正常な遺伝子の量が不足することによって疾患が発症する現象です。報道発表資料（828.06 KB）掲載ジャーナル：Journal of Bone and Mineral Research 研究者ガイドブック（宿南知佐教授）＜研究に関すること＞広島大学大学院医系科学研究科医歯薬学専攻生体分子機能学教授宿南知佐 TEL：082-257-5628FAX：082-257-5629 E-mail：shukunam@hiroshima-u.ac.jp URL：http://tnmd.hiroshima-u.ac.jp/j_html/j_index.html ＜報道（広報）に関すること＞広島大学広報室 TEL：082-424-4383Fax：082-424-6040 E-mail：koho@office.hiroshima-u.ac.jp

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