Exploratory Research Center on Life and Living Systems

PIONEERS OF LIFE

Exploratory Research Center on Life and Living Systems

PIONEERS OF LIFE

大学共同利用機関法人 自然科学研究機構

生命創成探究センター〒 444-8787 愛知県岡崎市明大寺町字東山 5-1
TEL 0564-59-5201 ／ FAX 0564-59-5202
E-mail : info@excells.orion.ac.jp

自然科学研究機構
www.excells.orion.ac.jp/

2020.4

生命創成探究センター

Exploratory Research Center on Life and Living Systems

PIONEERS OF LIFE

Message from the Director

What is Life?
生命創成探究センター (Exploratory Research Center

創成研究領域
創成研究領域は「みる・よむ・つくる」の３つのアプローチ法を開拓するとともに、それらを
1 つの流れとして捉え、生命のダイナミズムの本質に迫る研究を展開しています。

on Life and Living Systems = ExCELLS) は自然科学研
究機構の更なる機能強化を目指すために、2018 年 4月に設置された機構直轄の組織です。ExCELLS では「生きているとは何か ?」という人類の根源的な問いの解明に向けて、生命の仕組みを観察する新たな技術を開発するとともに、蓄積されていく多様な情報の中に隠生命創成探究センター
センター長

加藤 晃一

されている意味を読み解き、さらに合成・構成的アプ
ローチを通じて生命の基本情報の重要性を検証する活動を行っています。こうした「みる・よむ・つくる」のアプローチを基軸に、極限環境生命の研究者とも協力しながら異分野融合型の研究を進め、生命の設計原理を探究しています。この目的のもとに、国内外の大学・研究機関の連携によりコミュニティ横断型の共同
利用・共同研究を推進しています。

Observe

Read

Create

革新的な計測手法を開発し、複雑な生命システム全体の中

計測・観測を通じて蓄積されていく多様な生命情報の中に生命システムを実験的に構成すること、あるいは計算機上における各構成要素のダイナ
ミックな振る舞いをありのま
まに観測します。さらに、その背景にある物理化学的諸量の変化の可視化を行います。

隠されている意味を解読し、理論体系化し、予測します。
そのための 情 報 科 学・理 論
科学・計算科学的アプローチを発展させます。

で構築することを通じて、外部環境の変動の中で秩序創発していくロバストな生命の本質を統合的に理解することを目指します。

みる

よむ

つくる

ExCELLS で は、 異 分 野 融 合 研 究 を 推 進 す る た めの セ ミ ナ ー や 研 究 会 も 活 発 に 行 っ て い ま す。 特 に
海 外 の 研 究 者 と の 学 際 的 交 流 を 企 図 し た Frontier
Bioorganization Forum、若手の主体的な企画・運営による研究集会やプロジェクト提案の支援などにも力を注いでいます。おかげさまで、研究成果の発信も順調で、「生きているとは何か ?」という問いに向き合った
取り組みが着実に進展しています。
ExCELLS は、国際的にも開かれた共同研究を推進す
る生命科学研究拠点としての役割を果たすべく努めてまいります。引き続き、皆様方のご理解とご支援を賜

極限環境探査室
深海、地下、極地、大気圏外などにおける生命体の活動を探査・解析することを目指して生命の始原形態と環境適応戦
略を理 解する研究を実施しています。

ⓒ JAMSTEC

りますよう、お願い申し上げます。
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創成研究領域

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PIONEERS OF LIFE

DEPARTMENT OF CREATIVE RESEARCH

生物画像情報解析グループ

青木 一洋（併任）加藤 輝

生命分子動秩序創発研究グループ

近年の顕微観察技術の発展は、多次元化や自動化に伴い多量の画像データを生成する

生命現象の特質は、システムを構成する多数の分子素子がダイナミックな離合集散をようになりました。また、生物を対象とした顕微観察画像は形状が不定かつ時間的に通じて秩序構造を形成し、外的環境との相互作用を行いつつ、自律的に時間発展して安定した性状を示すことがなく、定量的な分析をいくことにあります。従来の要素還元的アプローチは生命体を構成する分子素子に関す実施するのは困難です。そのため、私たちは生物る情報の網羅的な集積を実現しました。しかしながら、それらの生命素子が自律的に学的に意味のある画像特徴を抽出するためのアル

柔軟かつロバストな高次秩序を形成するメカ

ゴリズム開発ならびに機械学習基盤の導入などを

ニズムを理解することが、「生きているとは何実施し、生物画像の定量的な分析を行っています。

か？」を考えるうえで本質的に重要です。私

また、開発した技法を画像処理・解析パイプライ

達は、分野横断的なアプローチにより、内的ン化することで、大規模な画像データ解析基盤を

複雑性を秘めた生命分子素子が動的な秩序構築し、効率的な生物画像データ解析を実践してを形成して高次機能を創発する仕組みを解きいます。

明かすことを目指しています。

参考文献 ：■ Furutani M, Hirano Y, Nishimura T, Nakamura M, Taniguchi M, Suzuki K, Oshida R, Kondo C, Sun S, Kato K, Fukao Y,
Hakoshima T, Morita MT, Polar recruitment of RLD by LAZY1-like protein during gravity signaling in root branchangle control, Nat Commun., 11, 76（2020）.
■ Fujita I, Shitamukai A, Kusumoto F, Mase S, Suetsugu T, Omori A, Kato K, Abe T, Shioi G, Konno D, Matsuzaki F,
Endfoot regeneration restricts radial glial state and prevents translocation into the outer subventricular zone inearly mammalian brain development, Nat Cell Biol., 22, 26-37（2020）.
■ Nishimura R, Kato K, Fujiwara S, Ohashi K, Mizuno K, Solo and Keratin Filaments Regulate Epithelial Tubule
Morphology, Cell Struct. Funct., 43, 95-105（2018）.
■ Kato K, Dong B, Wada H, Tanaka-Matakatsu M, Yagi Y, Hayashi S, Microtubule-dependent balanced cell contraction
and luminal-matrix modification accelerate epithelial tube fusion, Nature Commun., 7, 11141（2016）.

参考文献 ：■ Yagi H, Yagi-Utsumi M, Honda R, Ohta Y, Saito T, Nishio M, Ninagawa S, Suzuki K, Anzai T, Kamiya Y, Aoki K,
Nakanishi M, Satoh T, Kato, K Improved secretion of glycoproteins using an N-glycan-restricted passport sequence
tag recognized by cargo receptor, Nature Commun., 11, 1368（2020）.
■ Yanaka S, Yogo R, Watanabe H, Taniguchi Y, Satoh T, Komura N, Ando H, Yagi H, Yuki N, Uchihashi T, Kato K, Onmembrane dynamic interplay between anti-GM1 IgG antibodies and complement component C1q, Int. J. Mol.
Sci., 21. E147（2019）.
■ Yunoki Y, Ishii K, Yagi-Utsumi M, Murakami R, Uchiyama S, Yagi H, Kato K, ATP hydrolysis by KaiC promotes its KaiA
binding in the cyanobacterial circadian clock system, Life Sci. Alliance, 2, e201900368（2019）.

加藤 晃一

太田 裕作

生命分子動態シミュレーション研究グループ

バイオフォトニクス研究グループ

タンパク質やペプチドのような生体分子は自由エネルギー極小状態を持つため、通常の分子動力学（MD）シミュレーションではこれらの極小状態に引っかかってしまいます。
この問題を解決するためこれまでにレプリカ置換法などの新しい拡張アンサンブル法を提案してきました。この方法を使っていくつかのタンパク質やペプチドの折り畳み過程を明らかにしました。さらに、タンパク質が凝集しオリゴマーやアミロイド繊維を形成することによってひき起こされる神経変性疾患への応用にも関心を持っています。レプリカ
奥村 久士

置換 MD シミュレーションによりタンパク質

根本 知己

凝集体形成メカニズムの解明に取り組んで先端的な光レーザー技術を駆使した独自の非線形多光子イメージング法を開発し、非います。

侵襲的な長期・超深部・超解像イメージングを用いて、脳・神経回路や生体リズムなどの生理機能の創発原理と分子基盤の理解を目指します。
アミロイドβペプチドのアミロイド繊維

参考文献 ：■ Itoh SG, Yagi-Utsumi M, Kato K, Okumura H, Effects of a hydrophilic/hydrophobic interface on amyloid- β
peptides studied by molecular dynamics simulations and NMR experiments, J. Phys. Chem. B., 123,160-169（2019）.
■ Okumura H, Itoh SG, Amyloid ﬁbril disruption by ultrasonic cavitation: Nonequilibrium molecular dynamics
simulations, J. Am. Chem. Soc., 136, 10549-10552（2014）.
■ Itoh SG, Okumura H, Replica-permutation method with the Suwa-Todo algorithm beyond the replica-exchange
method, J. Chem. Theory Comput., 9, 570-581（2013）.

4

参考文献 ：■ Inoue M, Takeuchi A, Manita S, Horigane SI, Sakamoto M, Kawakami R, Yamaguchi K, Otomo K, Yokoyama H, Kim
R, Yokoyama T, Takemoto-Kimura S, Abe M, Okamura M, Kondo Y, Quirin S, Ramakrishnan C, Imamura T, Sakimura
K, Nemoto T, Kano M, Fujii H, Deisseroth K, Kitamura K, Bito H, Rational engineering of XCaMPs, a multicolor GECI
suite for in vivo imaging of complex brain circuit dynamics, Cell, 177, 1346-1360（2019）.
■ Ishii H, Otomo K, Hung JH, Tsutsumi M, Yokoyama H, Nemoto T, Two-photon STED nanoscopy realizing 100-nm
spatial resolution utilizing high-peak-power sub-nanosecond 655-nm pulses, Biomed. Opt. Express, 10, 31043113（2019）.
■ Wu YE, Enoki R, Oda Y, Huang ZL, Honma KI, Honma S, Ultradian calcium rhythms in the paraventricular nucleus
and subparaventricular zone in the hypothalamus, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 115, E9469-E9478（2018）.

榎木 亮介

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創成研究領域

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DEPARTMENT OF CREATIVE RESEARCH

心循環ダイナミズム創発研究グループ

西田 基宏

発生シグナル創発研究グループ

生体の心循環システムは、心筋、血管平滑筋、骨格筋といった様々な筋細胞組織によっ

動物組織のパターン形成を説明する最も一般的なモて精密に制御されています。我々はタンパク

デルは、モルフォゲン説です。モルフォゲン説では、

質間相互作用を介するミトコンドリア品質管

モルフォゲン分子の勾配と閾値により細胞の運命が理の筋細胞に共通する制御機構を明らかに決定され、組織のパターンが形成されると考えられてし、これを基に健康長寿社会の実現に資すいます。これまでの蓄積されてきた遺伝学的な研究

る革新的な医療戦略を構築することを目指

成果により、Wnt、FGF、BMP、Hh などの分泌シグしています。その一例として、我々は様々なナルタンパク質がモルフォゲン分子として機能するこ

環境条件下でのミトコンドリアの形態構造とが示されています。しかしながら、モルフォゲン輸

変化と膜電位の ‘ 揺らぎ（mitoflash）’、を
理制御と筋細胞の可塑性との因果関係を明らかにするための生理学的研究を進めてい低酸素ストレス（右）による心筋ミトコンドリア
分裂誘導（上）と膜電位変化（脱分極 : 下）

参考文献 ：■ Nishimura A, Shimoda K, Tanaka T, Toyama T, Nishiyama K, Shinkai Y, Numaga-Tomita T, Yamazaki D, Kanda
Y, Akaike T, Kumagai Y, Nishida M, Depolysulfidation of Drp1 induced by low-dose methylmercury exposure
increases cardiac vulnerability to hemodynamic overload, Sci. Signal, 12, eaaw1920（2019）.
■ Nishimura A, Shimauchi T, Tanaka T, Shimoda K, Toyama T, Kitajima N, Ishikawa T, Shindo N, Numaga-Tomita T,
Yasuda S, Sato Y, Kuwahara K, Kumagai Y, Akaike T, Ide T, Ojida A, Mori Y, Nishida M, Hypoxia-induced interactionof ﬁlamin with Drp1 causes mitochondrial hyper ﬁssion-associated myocardial senescence, Sci. Signal, 11,
eaat5185（2018）.

認知ゲノム研究グループ

郷 康広

A : Wnt3a の可視化により、Wnt 発現細胞自体がマウス脊髄の発生過程の中で変形することが明らかになりました（左：胎は解明されていません。 私たちの主な目標の1つは、
生10.5 日胚、
右：胎生13.5 日胚の横断面）。
モルフォゲン分子であるWnt の動態を明らかにし、分 B : 分泌された Wnt タンパク質の 3D 構
泌と細胞外輸送を含むモルフォゲン勾配の形成の根 造：電子顕微鏡像を基にした単粒子解析
により、Wnt3a がホモ三量体を形成する
底にある分子メカニズムを理解することです。
ことが明らかになりました（左：上面像、右：側面像）。
参考文献 ：■ Shinozuka T, Takada R, Yoshida S, Yonemura S, Takada S, Wnt produced by stretched roof-plate cells is required forthe promotion of cell proliferation around the central canal of the spinal cord, Development, 146. dev159343（2019）.
■ Takada R, Mii Y, Krayukhina E, Maruyama Y, Mio K, Sasaki Y, Shinkawa T, Pack CG, Sako Y, Sato C, Uchiyama S, Takada
S, Assembly of protein complexes restricts diffusion of Wnt3a proteins, Commun. Biol., 1, 165（2018）.
■ Mii Y, Yamamoto T, Takada R, Mizumoto S, Matsuyama M, Yamada S, Roles of two types of heparan sulfate clusters
in Wnt distribution and signaling in Xenopus, Nature Commun., 8, 1973（2017）.

適切な時空間的遺伝子発現調節は、個体・組織・細胞の各レベルの適切な構造の構築

神経樹状突起への特定の mRNA の輸送と局所的翻訳制御は、神経突起が互いにどのと機能の遂行に必須です。疾患動物モデルおける遺伝子発現動態（トランスクリプトーム）

シナプスで接続して神経ネットワークを形成するかを制御する重要な遺伝子発現システに関する包括的な解析は、さまざまなヒト疾患の分子的因果関係の理解につながります。

ムです。「RNA 顆粒」はこの遺伝子発現システムを担っています。私たちの研究グルー

現在、我々は霊長類疾患モデルの脳を用いて、時空間的に特異的な調節遺伝子をマクロ

プは、mRNA 輸送と局所的翻訳を制御する RNA 顆粒因子、その標的 mRNA、RNA

スケール（脳機能領域）から単一細胞レ

顆粒の液 - 液相分離・凝縮といった物理的特性、局所的タンパク質合成メカニズムをマベルにわたり解析しています。加えて、精ウスを用いて研究しています。 それらがシナプス・神経ネットワークの形成、記憶・学習、

神神経関連遺伝子に自然発症的機能喪および行動に果たす役割の理解を目指します。

失変異を有する個体の同定も行っています。これらの研究を通じて、ヒト疾患、特ルの作製を行い、病態の理解と解明に向けた研究を推進しています。

高田 慎治

神経分子動態生物学研究グループに精神神経疾患のための霊長類疾患モデ
マーモセット前頭葉におけるシングル核トランスクリ
プトーム解析。多種多様な細胞種が認められる。

参考文献 ：■ Xu C, Li Q, Efimova O, He L, Tatsumoto S, Stepanova V, Oishi T, Udono T, Yamaguchi K, Shigenobu S, Kakita A, Nawa
H, Khaitovich P, Go Y, Human-specific features of spatial gene expression and regulation in eight brain regions,
Genome Res., 28, 1097-1110（2018）.
■ Tatsumoto S, Go Y, Fukuta K, Noguchi H, Hayakawa T, Tomonaga M, Hirai H, Matsuzawa T, Agata K, Fujiyama A,
Direct estimation of de novo mutation rates in a chimpanzee parent-offspring trio by ultra-deep whole genome
sequencing. Sci. Rep., 7, 13561（2017）.
■ Yoshida K, Go Y, Kushima I, Toyoda A, Fujiyama A, Imai H, Saito N, Iriki A, Ozaki N, Isoda M, Single-neuron andgenetic correlates of autistic behavior in macaque, Sci. Adv., 2, e1600558（2016）.

6

B

送のメカニズム、およびモルフォゲン分子自体の特性同時計測することで、ミトコンドリア品質管ます。

A（ 左 ）RNG105 の 欠 損 は、
暗箱における恐怖体験の長期記憶を顕著に損なう。
（右）RNA 顆粒は液体の性質（RNG105）と個体の性質（FUS）を持ったサブ構
造から構成される。

椎名 伸之

参考文献 ：■ Shiina N, Liquid- and solid-like RNA granules form through specific scaffold proteins and combine into biphasic
granules, J. Biol. Chem., 294, 3532-3548（2019）.
■ Nakayama K, Ohashi R, Shinoda Y, Yamazaki M, Abe M, Fujikawa A, Shigenobu S, Futatsugi A, Noda M, Mikoshiba
K, Furuichi T, Sakimura K, Shiina N, RNG105/caprin1, an RNA granule protein for dendritic mRNA localization, isessential for long-term memory formation, eLife 6, e29677（2017）.
■ Ohashi R, Takao K, Miyakawa T, Shiina N, Comprehensive behavioral analysis of RNG105（Caprin1）heterozygous
mice: Reduced social interaction and attenuated response to novelty, Sci. Rep., 6, 20775（2016）.

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金属生命科学研究グループ

生命分子創成研究グループ
私達のグループはタンパク質分子を「つくる」ことにより生命の構築原理に迫ることを目指します。タンパク質は、アミノ酸配列に従ってほどけた紐のような状態から特異的な 3 次
元立体構造を形成し、その 3 次元立体構造に基づき機能を発現することで、様々な生命現象を生み出しています。現在私達が見ている自然界のタンパク質の姿は、自然が何十億年という時間をかけて精巧に創り上げた、いわば “ 完成品 ” であり、それらを解析するのみではタンパク質の動作メカニズムの本質を明らか

青野 重利

金属タンパク質や金属イオンは、生物のエネルギー代謝、物質代謝、情報伝達などにおいて重要な役割を担っています。これら金属タンパク質の構造機能相関の解明は、金属タ
ンパク質や金属イオンが様々な生理機能を如何にして制御しているかを理解する上で必要不可欠なものです。我々の研究グループでは、生化学、分子生物学、構造生物学、無機
化学、物理化学といった様々な研究分野の研究手法を駆使することにより、これら金属タ
ンパク質、なかでも金属含有転写調節因子、ヘム含有ガスセンサータンパク質、金属タン
パク質生合成システム、遷移金属イオン／遷移金属錯体輸送システムなどを中心に、これ
らの構造機能相関の解明を目指して研究を行っています。
参考文献 ：■ Muraki N, Kitatsuji C, Okamaoto Y, Uchida T, Ishimori K, Aono S, Structural basis for the heme transfer reaction inheme uptake machinery from Corynebacteria, Chem. Commun., 55, 13864-13867（2019）.
■ Muraki N, Ishii K, Uchiyama S, Itoh SG, Okumura H, Aono S, Structural characterization of HypX responsible for CO
biosynthesis in the maturation of NiFe-hydrogenase, Commun. Biol., 2, 385（2019）.

神経ネットワーク創発研究グループ

東島 眞一

形成や機能発現に関する様々な仮説を立て、それ古賀 信康

らを基にタンパク質を計算機上でデザインし、そのデザインしたタンパク質が実際にどのように振る舞うのかを生化学実験によって調べるというアプローチで研究を行っています。
参考文献 ：■ Basak S, Nobrega RP, Tavella D, Deveau LM, Koga N, Tatsumi-Koga R, Baker D, Massi F, Matthews CR, Networks ofelectrostatic and hydrophobic interactions modulate the complex folding free energy surface of a designed βα
protein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116, 6806‒6811（2019）.
■ Lin YR, Koga N, Vorobiev SM, Baker D, Cyclic oligomer design with de novo αβ -proteins, Protein Sci., 26, 2187‒2194（2017）.
■ Lin YR, Koga N, Tatsumi-Koga R, Liu G, Clouser AF, Montelione GT, Baker D, Control over overall shape and size inde novo designed proteins, Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 112, E5478‒E5485（2015）.
■ Koga N, Tatsumi-Koga R, Liu G, Xiao R, Acton TB, Montelione GT, Baker D, Principles for designing ideal protein
structures, Nature, 491, 222‒227（2012）.

定量生物学研究グループ

我々のグループは、ゼブラフィッシュを用い、転写因子の発現で規定されるさまざまなタイ細胞は周囲の環境から様々な入力刺激を受け取り、その情報を細胞内で処理して、環境

プの神経細胞の形態と機能を調べています。我々のアプローチでキーとなるテクニックは、の変化に適応するにように細胞機能を発揮します。すなわち細胞は入出力デバイスのよう

トランスジェニックゼブラフィッシュを作製することによって、特定のクラスの神経細胞を生にふるまっていると言えます。私達の研究グループでは、きたまま可視化することです。それにより、当該神経細胞の発生過程をダイレクトにトレー

細胞の入出力応答を制御するシステムである細胞内シグスすることが可能になり、また、当該神経細胞にターゲットして電気生理学的解析を行うこナル伝達系に興味をもっており、細胞の運命決定機構とが可能となります。我々はまた、を定量的に理解し制御することを目指しています。現在

チャネルロドプシンやハロロドプ

は細胞の増殖や分化、細胞死に関連する細胞内シグナ

シンといった光遺伝学ツールを

ル伝達系を対象に、生細胞イメージングを用いた細胞

用い、特定のクラスの神経細胞

内シグナル伝達系の可視化と定量化、さらには光遺伝の活動を光により電気的にコント

学や化学遺伝学を用いた制御ツールの開発を行っていロールすることにより、それらのます。これらの定量的な結果から、細胞内シグナル伝機能の解析を行っています。

達系の予測可能なコンピューターシミュレーションモデ （上段）分子内 FRET バイオセンサーのトランスジェニックフィッシュを用いることにより、特定のクラスの神経細胞を生きたまま容易に同定可能である。
参考文献 ：■ Kimura Y, Higashijima S, Regulation of locomotor speed and selection of active sets of neurons by V1 neurons,
Nature Commun., 10, 2268（2019）.
■ Shimazaki T, Tanimoto M, Oda Y, Higashijima S, Behavioral role of the reciprocal inhibition between a pair ofMauthner cells during fast escapes in zebrafish, J. Neurosci., 39, 1182-1194（2019）.

8にすることは困難です。そこで私達は、立体構造

ルを構築したいと考えています。

青木 一洋

構造
（下段）FRET によるパルス様の ERK 活
性化の可視化

参考文献 ：■ Miura H, Kondo Y, Matsuda M, Aoki K, Cell-to-cell heterogeneity in p38-mediated cross-inhibition of JNK causes
stochastic cell death, Cell Rep., 24, 2658-2668（2018）.
■ Aoki K, Kondo Y, Naoki H, Hiratsuka T, Itoh RE, Matsuda M, Propagating Wave of ERK Activation Orients Collective
Cell Migration, Dev. Cell, 43, 305‒317（2017）.
■ Uda Y, Goto Y, Oda S, Kohchi T, Matsuda M, Aoki K, E ﬃ cient synthesis of phycocyanobilin in mammalian cells for
optogenetic control of cell signaling, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 114, 11962-11967（2017）.

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PIONEERS OF LIFE

DEPARTMENT OF CREATIVE RESEARCH

生命時空間制御研究グループ

野中 茂紀

生体分子相互作用計測グループ

私達が最も興味を持っているのは、発生における左右

私たちのグループでは、解離会合を伴うタンパク質間相互作用について、ネイティブ質量

非対称がどのように決められるのか、ということです。

分析法（Native MS）を使って解析を進めています。 Native MS は非共有結合性の相互哺乳類胚では原腸陥入期の腹側表面に「ノード」と呼作用により形成された複合体の質量を決定可能な手法で、タンパク質複合体のみならず、ばれる小さな窪みが現れ、その表面にある一次繊毛（１核酸複合体や合成超分子の正確な質量を測定可能で、相互作用の化学量論や解離定数細胞に 1 本生えている小さな毛）が時計回りに運動しに関する情報が得られます。

て左向きの水流を作ります。この水流の向きが将来のNative MS を使った研究は機左右非対称な遺伝子発現、非対称な内臓配置を決め

器利用研究として当センターていることがわかっています。しかしこの水流は具体的にて実施可能ですので、お気に何をしているのか、物質の不均等な分布を引き起こ

軽にお問い合わせ下さい。

内山 進すという説と機械的刺激が重要だという説があって論争になっています。私達はそれらおよび他の可能性について、全胚培養やライトシート顕微鏡での高速イメージ
ングを使って調べています。また市販・自作のライトシー
ト顕微鏡を用いた共同研究も行っています。

（上段）ノードにおける左右非対称なカ
ルシウム上昇（下段）自作の高速なライトシート顕微
鏡 ezDSLM

参考文献 ：■ Ishii K, Zhou M, Uchiyama S, Native mass spectrometry for understanding dynamic protein complex, BBA
General subjects, 1862, 275-286（2018）.
■ Uchihashi T, Watanabe YH, Nakazaki Y, Yamasaki T, Watanabe T, Maruno T, Ishii K, Uchiyama S, Song C, Murata K,
Iino R, Ando T, Dynamic structural states of ClpB involved in its disaggregation function, Nature Commun., 9,2147（2018）.
■ Zhan Y, Ogata K, Kojima T, Koide T, Ishii K, Mashiko T, Tachikawa M, Uchiyama S, Hiraoka S, Hyperthermostable
Cube-shaped Assembly in Water, Commun. Chem., 1, 14（2018）.
■ 石井健太郎、 内山 進 , タンパク質のネイティブ質量分析—動的なタンパク質複合体形成の解明に向けて— ぶんせき , 10, 472475（2017）.

参考文献 ：■ Ichikawa T, Nakazato K, Keller PJ, Kajiura-Kobayashi H, Stelzer EH, Mochizuki A, Nonaka S, Live imaging andquantitative analysis of gastrulation in mouse embryos using light-sheet microscopy and 3D tracking tools,
Nature Protoc., 9, 575-585（2014）.
■ Takao D, Nemoto T, Abe T, Kiyonari H, Kajiura-Kobayashi H, Shiratori H, Nonaka S, Asymmetric distribution of
dynamic calcium signals in the node of mouse embryo during left-right axis formation, Dev. Biol., 376, 23-30（2013）.

温度生物学研究グループ
私たちは昆虫から哺乳類まで温度 TRP チャネルに焦点をあてて温度受容の分子メカニズ
ムとその生理学的意義の解明を目指して研究を進めています。私たちはまた、TRPV1と
TRPA1 に絞って末梢神経終末での侵害刺激受容の分子メカニズムを明らかにしようとしています。また、私たちは温度感受性 TRP チャネルの欠損マウスを使った行動解析をしてい■ 共同利用研究・共同利用機器
ExCELLS では、「生きているとは何か？」という人類の根源的な問い

えて客員グループを設置し、ExCELLS のメンバーと協力して研究者ネット

計原理を統合的に理解することを目指しています。コミュニティ横断型の研究」は、機構外の研究者が提案するプロジェクトについて ExCELLS

大規模な生命情報の解読および構成的アプローチを取り入れて生命の設

ワークを基盤とした共同利用研究を展開します。また、「ExCELLS 課題

異分野融合研究を展開し、様々な大学・研究機関等の研究者との共同の複数のグループが一丸となって分野融合研究に取り組むものです。

研究を活性化して、新たな生命科学研究を推進していきます。

ます。さらに、様々な動物種の温度感受性 TRP チャネル遺伝子のクローニングを進めており、それは進化における温度受容メカニズムの変化の理解に役立つと考えています。加

1

えて、私たちはショウジョウバエをモデルとして、特に脂質に焦点をあてて温度嗜好性や温
富永 真琴

例えば、
「ExCELLS 連携研究」では、機構外の研究者を PI として迎に答えることを目指し、生命構成因子の解析に加え、新しい観点による

1 探針走査型高速原子間力顕微鏡 /蛍光顕微鏡複合装置
高速原子間力顕微鏡 (AFM) と蛍光顕微鏡が一体化した装度適応のメカニズムを解析しています。

置です。タンパク質から細菌、生細胞等に至るまで、様々な生体試料のダイナミクス現象をリアルタイムに可視化できます。高速 AFM による動画と蛍光イメージング像の同時取得
2も可能です。

2 超分子質量分析装置

曽我部 隆彰10

参考文献 ：■ Derouiche S, Takayama Y, Murakami M, Tominaga M, TRPV4 heats ups ANO1-dependent exocrine gland fluid
secretion, FASEB J., 32, 1841-1854（2018）.
■ Maruyama K, Takayama Y, Sugisawa E, Yamanoi Y, Yokawa T, Kondo T, Ishibashi KI, Sahoo BR, Takemura N, MoriY, Kanemaru H, Kumagai Y, Martino MM, Yoshioka Y, Nishijo H, Tanaka H, Sasaki A, Ohno N, Iwakura Y, Moriyama
Y, Nomura M, Akira S, Tominaga M, The ATP transporter VNUT mediates induction of Dectin-1-triggered Candida
nociception, iScience, 6, 306-318（2018）.
■ Sokabe T, Chen HC, Luo J, Montell C, A switch in thermal preference in Drosophila larvae depends on multiple
rhodopsins, Cell Rep., 17, 336-344（2016）.

本装置は ESI-Q-TOF型質量分析計です。エレクトロスプレー
イオン化法と段階的に真空度を上げることによる穏やかな
脱溶媒和を組み合わせることでネイティブ質量分析が可能で3す。非共有結合性の弱い結びつきにより形成された生体高分子複合体をその構造を維持したまま測定し、質量決定することができます。

3 多機能超解像顕微鏡
超解像観察・蛍光寿命測定・蛍光相関分光の機能を備えた共焦点顕微鏡です。
① 超解像（STED、Lightning）
STED（誘導放出抑制）法により、50 nm を下回る分解能での観察が可能です。また、通常の共焦点と同じように気軽に使える、
デコンボリューションによる超解像（Lightning、分解能 120nm）も備えています。
②蛍光寿命測定（FLIM）
従来のシステムに較べはるかに高速に蛍光寿命を測定できます。分子センサーによる微小環境変化の検出や、蛍光寿命の違いによる複数蛍光色素の分離が可能です。
③蛍光相関分光（FCS）
蛍光強度のゆらぎ情報をもとに、分子の濃度や拡散係数など、定量的な物理情報を得ることができます。

このほかにも多様な装置があります。装置の利用を希望する研究者の方は、研究連携推進室（collabo@excells.orion.ac.jp）
までお問い合わせください。
11

創成研究領域

連携研究グループ

DEPARTMENT OF CREATIVE RESEARCH

深海 ・ 地下生命研究グループ

タンパク質や核酸などの生体高分子は、構造変換や自己集合、さらには周囲の分子との結深海や地下深部といった太陽光の届かない地球の暗黒環境における生命圏はゲノム情報以合・解離といった様々な動的現象を介して独自の生理機能を発揮しています。生体分子の外何ら知見のない未知の微生物が 99％以上を占め、光合成によって駆動される光の生命

機能発現機構を理解するためには、個々の分子の動態を解析することが極めて重要です。

圏と大きく異なる環境条件に適応した独特の機能を有していることが分かってきました。こ

溶液中にある生体分子を高い時空間分解能で可視化できる高速原子間力顕微鏡（AFM）のような暗黒の生態系における未知の微生物や生理機能は、宇宙におけるダークマターや技術をベースに、光学顕微鏡一分子計測手法とダークエネルギーになぞらえて、ダークマター生命やダークエネルギー代謝と呼ばれます。

の複合化により、動態と機能が密接に関連した

これら生物学におけるダークマターを理解し、人類が利用することができるようにするため様々なタンパク質の機能発現機構の理解を目指しには、自然環境中や実験室内で、また微生物群集レベルや細胞・分子レベルで、その生ます。また高速 AFM によってタンパク質や生細命機能を「みる・よむ・つくる」ことが必要です。

胞の構造と同時に力学特性のダイナミクスを可視「しんかい 6500」や「ちきゅう」といった海洋化できる新規技術の開発にも取り組んでいます。

研究開発機構の持つ世界最先端の探査プラット

参考文献 ：■ Cho C, Jang J, Kang Y, Watanabe H, Uchihashi T, Kim SJ, Kato K, Lee JY, Song JJ, Structural basis of nucleosome
assembly by the Abo1 AAA+ATPase histone chaperone, Nature Commun., 10, 5764（2019）.
■ Yogo R, Yamaguchi Y, Watanabe H, Yagi H, Satoh T, Nakanishi M, Onitsuka M, Omasa T, Shimada M, Maruno T, Torisu T,
Watanabe S, Higo D, Uchihashi T, Yanaka S, Uchiyama S, Kato K, The Fab portion of immunoglobulin G contributes
to its binding to Fc γ receptor III, Sci. Rep., 9, 11957（2019）.
■ Shihoya W, Inoue K, Singh M, Konno M, Hososhima S, Yamashita K, Ikeda K, Higuchi A, Izume T, Okazaki S,
Hashimoto M, Mizutori R, Tomida S, Yamauchi Y, Abe-Yoshizumi R, Katayama K, Tsunoda SP, Shibata M, Furutani Y,
Pushkarev A, Béjà O, Uchihashi T, Kandori H, Nureki O, Crystal structure of heliorhodopsin, Nature, 574, 132（2019）.
■ Sumino A, Sumikama T, Uchihashi T, Oiki S, High-speed AFM reveals accelerated binding of Agitoxin-2 to K+
channel by induced-fit, Sci. Adv., 5, eaax0495（2019）.
■ Ganser C, Uchihashi T, Microtubule self-healing and defect creation investigated by in-line force measurements
during high-speed atomic force microscopy, Nanoscale, 11, 125（2019）.

フォームを活用して、暗黒の生態系におけるダー理論生物学研究グループ

本田 直樹

Exploratory Research Center on Life and Living Systems

PIONEERS OF LIFE

SECTION FOR EXPLORATION OF LIFE IN EXTREME ENVIRONMENTS

生命分子動態計測グループ

内橋 貴之

極限環境生命探査室

高井 研

クマター生命やダークエネルギー代謝を探査し、その多様性や機能の体系的理解を目指します。
参考文献 ：■ Takai K, Limits of terrestrial life and biosphere, In: Yamagishi A., Kakegawa T., Usui T.（eds） Astrobiology.
Springer, Singapore, p. 323-344（2019）.
■ Okada S, Chen C, Watsuji TO, Nishizawa M, Suzuki Y, Sano Y, Bissessur D, Deguchi S, Takai K, The making of naturaliron sulfide nanoparticles in a hot vent snail, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116, 20376-20381（2019）.
■ Nunoura T, Chikaraishi Y, Izaki R, Suwa T, Sato T, Harada T, Mori K, Kato Y, Miyazaki M, Shimamura S, Yanagawa K,
Shuto A, Ohkouchi N, Fujita N, Takaki Y, Atomi H, Takai K, A primordial and reversible TCA cycle in a facultatively
chemolithoautotrophic thermophile, Science, 359, 559-563（2018）.

極限環境生命分子研究グループ

近年、蛍光顕微鏡や次世代シーケンサを代表とする計測技術が発展し、生体組織におけ深海などの極限環境で活動

る分子活性や遺伝子発現量がハイスループットに計測され、膨大なデータが得られる時する生命体は、生態環境に代になっています。生命科学は今まさに計測データと解読技術の融合を必要としており、適合するための独自の分子データの裏に潜む規則性やメカニズムを抽出する解読技術は、次世代の生命科学における機構を備えているものと考え

基盤技術となることが期待されています。本研究室では、様々な階層（細胞・多細胞組織・られます。一方、私達の身近

免疫・神経回路・神経活動・行動）でな環境においても、外的条計測されるデータを対象に、これまで未件の極端な変動に適応する知であった生物学的メカニズムをデータために、乾眠にみられるよう駆動的に明らかにし、生命をシステム的なユニークな適応戦略を備えた生命体が存在しています。私達は生命活動を司る分子集に理解するための新しい理論体系を打団の構造・動態・機能の解析を通じて生命の環境適応の仕組みを理解することを目指してち出すことを目指します。

います。さらに、宇宙の微小重力条件を利用して、アミロイド形成プロセスを制御すること

加藤 晃一（併任）などを試みています。こうして得られた知見に基づいて、新たな機能の創成に向けた生物工学的な応用研究の展開も目指しています。
参考文献 ：■ Yamaguchi S, Honda N, Ikeda M, Tsukada Y, Nakano S, Mori I, Ishii S, Identification of animal behavioral strategies
by inverse reinforcement learning, PLoS Comput. Biol., 14, e1006122（2018）.
■ Honda N, Revisiting chemoaffinity theory: Chemotactic implementation of topographic axonal projection, PLoS
Comput. Biol., 13, e1005702（2017）.
■ Yamao M, Honda N, Kunida K, Aoki K, Matsuda M, Ishii S, Distinct predictive performance of Rac1 and Cdc42 in cell
migration, Sci. Rep., 5, 17527（2015）.

12

参考文献 ：■ Yagi-Utsumi M, Sikdar A, Song C, Park J, Inoue R, Watanabe H, Burton-Smith RN, Kozai T, Suzuki T, Kodama A, Ishii
K, Yagi H, Satoh T, Uchiyama S, Uchihashi T, Joo K, Lee J, Sugiyama M, Murata K, Kato K, Supramolecular tholos-likearchitecture constituted by archaeal proteins without functional annotation, Sci. Rep., 10, 1540（2020）.
■ Yagi-Utsumi M, Sikdar A, Kozai T, Inoue R, Sugiyama M, Uchihashi T, Yagi H, Satoh T, Kato K, Conversion offunctionally undefined homopentameric protein PbaA into a proteasome activator by mutational modification of
its C-terminal segment conformation, Protein Eng. Des. Sel., 31, 29-36（2018）.
■ http://iss.jaxa.jp/en/kiboexp/news/180719_amyloid.html

13極限環境生命探査室

組

SECTION FOR EXPLORATION OF LIFE IN EXTREME ENVIRONMENTS

織

Exploratory Research Center on Life and Living Systems

PIONEERS OF LIFE

ORGANIZATION

極限環境耐性研究グループ
水は全ての生物にとって必須であり、水を失うことは直ちに死を意味しますが、微小動物

生命創成探究センターは、自然科学研究機構の直轄センターです。自然科学研究機構は宇宙、エネ

クマムシは「乾眠」という機構によって完全な脱水時に生命活動を停止し、給水によってルギー、物質、生命など各々違った使命を持つ 5 つの研究所と機構直轄の 4 センターで構成された速やかに活動を再開できます。また、乾眠時のクマムシは超低温・真空・放射線、あるい

国際的・先端的な研究を推進する自然科学分野の国際的研究拠点です。生命創成探究センターは

はその混合である宇宙空間への直接曝露に耐えることができます。これらは水の存在を前2018 年 4 月、コミュニティ横断型の異分野融合研究を展開し、様々な大学・研究機関等の研究者と提とする細胞生理学では直ぐに説明できない現象です。その共同研究を活性化して、新たな生命科学研究を推進するための研究組織として誕生しました。
国立天文台

こで、我々は乾眠の分子機構
荒川 和晴

をマルチオミクス解析並びに最先端の分子生物学を駆使して明らかにし、細胞システム

核融合科学研究所

アストロバイオロジーセンター

から個体レベルにおける極限環境耐性のメカニズムを理解することを目指します。

参考文献 ：■ Yoshida Y, Koutsovoulos G, Laetsch DR, Stevens L, Kumar S, Horikawa DD, Ishino K, Komine S, Kunieda T, Tomita
M, Blaxter M, Arakawa K, Comparative genomics of the tardigrades Hypsibius dujardini and Ramazzottius
varieornatus, PLoS Biol., 15, e2002266（2017）.
■ Arakawa K, No evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade, Proc. Natl.
Acad. Sci. USA, 113, E3057（2016）.

国際連携研究センター

生理学研究所

自然科学
研究機構

基礎生物学研究所

新分野創成センター

分子科学研究所

生命創成探究センター
Exploratory Research Center on Life and Living Systems■ センター事業
ExCELLS では、国内外の研究機関との学術交流、若手研究者の育成、分野を横断した研究者の意見交換を目的と若手啓発活動として、若手が主体的に企画運営する研究集会を開催しています。

したシンポジウムやセミナーなど、さまざまな活動を行っています。

Frontier Bioorganization Forum

年に一度、韓国と台湾の研究者との研究集会を行っています。

研究連携推進室

ExCELLS Retreat for Young Scientists

創成研究領域● 生物画像情報解析グループ● 深海・地下生命研究グループ● 生命分子動秩序創発研究グループ● 極限環境耐性研究グループ● 生命分子動態シミュレーション研究グループ

ExCELLS Symposium

分野横断型の研究集会を年に一度、開催しています。

● バイオフォトニクス研究グループ● 心循環ダイナミズム創発研究グループ● 認知ゲノム研究グループ● 発生シグナル創発研究グループ● 神経分子動態生物学研究グループ● 金属生命科学研究グループ● 神経ネットワーク創発研究グループ

Cooperation Agreement with Keio
University Institute for Advanced Life
Sciences (IAB)

慶應義塾大学先端生命科学研究所と包括連携協定締結式を行いました。

● 生命分子創成研究グループ● 定量生物学研究グループ

ExCELLS Seminar

萌芽的研究を発掘するための研究集会を定期的に開催しています。

● 生命時空間制御研究グループ● 温度生物学研究グループ● 生体分子相互作用計測グループ［ 連携研究グループ ］● 生命分子動態計測グループ● 理論生物学研究グループ

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極限環境生命探査室● 極限環境生命分子研究グループ