第63回 東レ科学振興会科学講演会記録
平成25年9月20日 東京 有楽町朝日ホール

脳活動を観るための革新的技術開発
独立行政法人理化学研究所
脳科学総合研究センター副センター長
細胞機能探索技術開発チーム シニア・チームリーダー
光量子工学研究領域生命光学技術研究チーム チームリーダー

宮脇敦史

理化学研究所の脳科学総合研究センターか

可視光は、虹のようにわれわれが肉眼で観る

らやってまいりました宮脇と申します。そのことのできる光で、その波長はナノメートル

脳科学総合研究センターのセンター長は先ほの単位で言うと300後半から650nmぐらいのど矢内さんのお話にあった利根川進先生で、領域です。可視光は生体組織をなかなか直進

私は副センター長を任されております。実はしません。ですから、体表面から深いところ

私、今日の聴衆は専門的な方々ばかりと思っが観にくいという問題をいつも抱えています。

て、かなり気合いの入った専門的なものを用

さらに、細かく観たいという要求もあります。

意してきていました。そうではないことが先

広く深く細かくというのは空間的な事柄です。

ほどわかり、急いでスライドをわかりやすい

もちろん時間的な要求もあります。もっと速ように変更した次第です。脳研究に関連してく、もっと長い時間にわたって観たいと。そ私が行ってきた技術革新をさまざまな角度か

うしていずれの場合でも、なるべく動物に侵ら紹介したいと思います。

襲を与えないで観ることが求められています。

脳の活動を観る実験の具体例を考えましょこのような多彩な要求に応えていくことが、う。たとえばマウスの脳に青い光を当てて緑

私たちの技術革新のメインストリームとなっの蛍光を検出する実験です。蛍光現象においています。

ては、当てた光、すなわち励起光に比べてよ

脳を観るための技術を革新するには、脳研

り長い波長の光が出てきます。私たちは今、究だけやっていてもだめです。植物や原生生

たとえば、麻酔で眠っているマウスの脳全体

物や細菌なども含めて、生命と光の相互作用の自発的神経活動を１秒間に45枚の画像を取を探究する必要があります。そういうわけで、ることによって解析しています。マウスの脳今日はなるべく幅広く話をしていきたいと考にはあらかじめカルシウムプローブが仕込まえています。

れています。体内に置かれたプローブは、特定の生命現象に応答してシグナルを体外へ送ってくれます。どういうプローブが必要か、どのようにシグナルを検出したらいいのか、
そういうことを私たちはいつも考えています。
脳の内側を観るというときに、さまざまな要求があります（図１）。まず広く観たい。
マウスの場合はこのくらいの小さい脳ですが、ヒトの場合はもっと大きい。それから深く観たい。われわれはたいてい可視光を使います。

図１

1

賞対象となったからです（図２）。1962年のこと、半世紀も昔のことですが、かの下村脩先生が、オワンクラゲの発光器官から緑色の蛍光を発す
るタンパク質、GFPを発見し精製されました。30年後の92年にその遺伝子がクローニン
グされました。クローニングとは、タンパク質をコードする遺伝子を手にすることです。
アメリカのワシントン州の
図２

田舎にフライデーハーバー研究所はあります。下村先生は、桟橋から海面に浮かぶクラゲを た く さ ん 採 集 さ れ ま し た。
当時はすごくたくさんのオワ
ンクラゲがここに棲息していた そ う で す。 島 の 人 た ち が、海面に浮かぶオワンクラゲの上を歩いていけるというくらいに多かったそうです。
2004年、そのフライデーハ
ーバー研究所の100周年のイ
ベントがあり私は参加してきました。下村先生も来られていました。下村先生のコテー

図３ジで撮った写真です（図３）。
このボトルの中には、下村先

これまでに、われわれはたくさんのツール

生が40〜50万匹のオワンクラゲから精製したをつくってきました。ここで、聴衆の方々のGFPが入っています。非常に貴重なサンプル

バックグラウンドを知りたいのでお手伝いいです。そのとき私も数日間滞在してハーバー

ただけませんか。理科系の方、手を挙げてくをうろうろしたのですが、オワンクラゲにはださい。文科系。両方（笑）
。では、理科系

１匹も遭遇できませんでした。

の中でも生物分野の方、手を挙げていただけ

1994年になって、コロンビア大学のマーチ

ますか。物理。化学。化学が多いですね。地ン・シャルフィーが、オワンクラゲ以外の生学。なるほど。では、化学の内容を中心に盛物でGFPの蛍光を光らせることに成功しましり込みながら、なるべく素人の方々にもわかた（図４ ）。これによって、その蛍光には、るように努めます。まず蛍光タンパク質の話

オワンクラゲに由来する分子がGFPのタンパをしましょう。

ク質以外に必要ないということが証明されま

オワンクラゲのGFPは、2008年に一躍有名になりました。その年のノーベル化学賞の受2した。
今日、私はたびたび発色団という言葉を口にします。発色団とは、可視光
領域の光を吸収したり放出する構造単位と定義することにしましょう。
オワンクラゲのGFPは238個のアミノ酸からなるペプチドです。
ここには可視光領域の光を吸収したり放出する構造は全くありません。しかし、このペプチドが折りたたまれるとき、セリン、
チロシン、グリシン、この三つのアミノ酸を材料に環状化、脱水、酸化という３つの反応が起

図４

こり、ここにπ共役系ができあ㻳㻲㻼䛾ⓎⰍᅋ

がります。一重結合と二重結合が交互に現れるこの部分でπ電子が非局在化され、可視光領域<の光との相互作用が可能になり*ます。これが青色の光を吸収し緑の蛍光を放出するGFPの発色

6H団です（図５）。さらに、ペプチ
ド 全 体 から円 柱 状 のβ バレ ル（樽）構造（図６）ができ、その中に発色団が埋もれています。
また、発色団近傍のアミノ酸

図５を変えることによって、すなわ
ちπ電子にちょっかいを出すことによって、もっと明るいGFP
や 色 の 違 う 変 異 体、BFP（ 青 ）、
CFP（ 青 緑 ）、YFP（ 黄 色 ） などを開発したのが、私の留学先の先生、ロジャー・ツェーンです（図７）。
私 自 身 の 昔 話 で す。80年 代、医学部の学生だった当時からタ
ンパクとタンパクの相互作用に興味を持っていました。たとえば、遺伝子転写を行うRNAポリ
メラーゼとその遺伝子上流に結合して転写を制御するタンパク質 が 教 科 書 的 に 知 ら れ て お り、

図６

この二つのタンパク質が直接に3

ギーがアクセプターに移動するという現象です。このエネルギー移動が起こると、ドナーの蛍光は下がります。もしアクセプターが蛍光性なら、アクセプター固有の蛍
光 が 出 て き ま す。 要 す る に、
FRETをうまく使うと、生きた細胞の中でタンパクとタンパクの相
互作用、くっついた離れた、タン
パク質の構造変化、伸びた縮んだというのをリアルタイムに観察することができるのです。
私は青緑色のCFPと黄色のYFP

図７に注目しました。CFPの蛍光のス
相互作用することを証明したいと思いました。

ペクトルとYFPの吸収のスペクトルは重なそのためにFRETという技術に興味を持ちまりがありますから、それぞれ、エネルギー移した（図８）。テオドール・フェルスターが動のドナーアクセプターとして使うことがで

1940年代にFRETを公式化していました。日きます。カルシウムというイオンがわれわれ

本語では蛍光の共鳴のエネルギー移動と呼びの細胞の中で活発に働いていて、カルシウムます。ここにドナーという蛍光分子があって、濃度はふだんは低く保たれているのですが、これに光を当てて励起します。そうすると蛍

いろいろな刺激が来るとバーンと上がります。

光が出てくるのですが、このドナーの近いとそれをモニターするためのカルシウムプロー

ころにアクセプターがあって、そのアクセプ

ブをつくりました（図９）。これにカメレオ

ターの吸収のスペクトルがドナーの蛍光のスンという名前を付けました。

ペクトルに重なる場合、ドナーの励起エネル

今日はたびたびゼブラフィッシュという実

図８

4

図９

験動物を登場させます。ゼブラフィッシュの卵割期の後、胞胚期になると、カルシウム

胚は極めて透明です。ですから胚発生におけ変化は個体の表面に限られて起こります。さる生物現象を詳しく観ることができます。ゼ

らに時間がたち、体節形成期になると、脊索ブラフィッシュに、カメレオンの遺伝子を導と神経管の間に位置するフロアプレートとい入します。受精卵に遺伝子を入れてトランスう器官で起こるカルシウム振動を長時間にわ

ジェニックゼブラフィッシュを作製すれば、たって観察することができます。このカルシすべての細胞でプローブをつくらせることがウム振動の生成のメカニズムや生理的な意義できます。

はまったくわかっておりません。

まず受精卵です。赤いシグナルがカルシウ

このように、オワンクラゲGFPの変異体をム上昇を示します。受精後、２，３回のカル使ったカルシウムイメージングを紹介してきシウム上昇が起こり、しばらく休止した後、ましたが、次に、オワンクラゲ以外の動物に再びカルシウムの波が現れてきます。そうし由来する蛍光タンパクの話をしたいと思いまて卵割期に突入します。皆さん小中学校のとす。下村脩先生は、オワンクラゲの発光器官

きに学ばれたと思いますが、受精卵は分裂をにおいてGFPを発見されましたが、同時にイ

繰り返して細胞の数をどんどん増やしていき

クオリンという発光タンパクを見つけられまます。細胞がくびれるかなり前にカルシウム

した。ところで、同じ刺胞動物の仲間ですが、濃度は上がっていますね。細胞をギュッと絞サンゴやイソギンチャクも蛍光タンパク質をって分けるというのはすごいことなのでしょ

つくります。たとえば、スナギンチャクからう。前もってカルシウムに依存するいろいろ

ロシアのグループが遺伝子クローニングしたな現象が起こらないと分裂は起こらないとい

DsRedという蛍光タンパク質は赤色の蛍光をうことなのでしょう。

発することで注目されました。DsRedでは、

5㉥Ⰽ⺯ග䝍䞁䝟䜽㉁䛾ⓎⰍᅋ

私は98年にアメリカから帰ってきて、99年に理研の脳センターに研究室を立ち上げました。当時から、特に沖縄あ<たりの亜熱帯地方の豊富な生物多様性*に注目していました。日本の生物資源を活用したいと思い採集活動を始めま。いろいろな海洋生物かした（図11 ）4ら新しい蛍光タンパク質の遺伝子をク
ローニングすることをやってきました。
採集サンプルは、まず77Kの液体窒素)の中に放り込んで凍らせます。そして乳鉢で粉々にします。そこからmRNAを精製します。普通のアルコール沈殿を行うと塩がどんどん析出します。何度も塩を洗い流し、最終的に精製した
mRNAをcDNAに変えて、大腸菌に放図10

り込んでライブラリーを作製します。
大腸菌を直径10cmのプレートにまき、例の３つのアミノ酸から環状化、脱水、酸化大腸菌コロニーにいろいろな色の光を当てて反応が起こるとともに、もうひとつ酸化反応

明るくおもしろく光ってくるものが得られれが起こって二重結合が増え、π共役系が拡張

ばクローニング成功ということになります。

。π電されることがわかっています（図10）

私たちは、この10数年の間に、新しい国産の子が動き回れる空間が広ければ広いほど長波

蛍光タンパク質の遺伝子をどんどんクローニ

長になるので赤色の発色団ができます。

ングしてきました。

図116ユサンゴというイシサン
ゴを購入しました。ちょうどヒトの拳ぐらいの大き さ で2,500円 し ま し た。
水槽のタンク越しに撮った 写 真（ 図 13 ） で す が、これを観たとき、このサンゴからは２、３種類の違う蛍光タンパク質の遺伝子が取れるかなと思いました。単純に、非常にカラフルだったからです。
図12

しかし私の予想は間違っていました。
安藤さんというテクニ

蛍光にはどんな物理特性があるかを示すスシャンがそれをすりつぶして遺伝子クローニ。色だけではなく、励起ライドです（図12）

ングしたところ、数種類の蛍光タンパク質が状態の寿命、FRET、anisotropy（偏光）など。

取れました。大腸菌でつくらせたタンパク質

これらを最大限に活用して、新しいバイオイ

サンプルは全部が緑でした。ところがそれをメージングのモダリティを提案するのがわれ

ラボベンチの上に放ったままにして、昼間ず

われの使命だと思っています。

っと、太陽光に曝してしまった。翌日来てみ

フォトコンバージョンという特性についてたら真っ赤なチューブが鎮座していた、でも紹介します。実は、サンゴは都会でも入手で自分はこんな真っ赤なタンパク質を扱った覚

きます。浅草に存在したマリンブルーという、えがないと…そうこうするうちに謎が解けま

いまは閉店しましたが、ペットショップでヒした。太陽の光の中の紫の光が犯人でした。
紫の光が当たると、この蛍光タン
パク質は緑から赤へ蛍光の色が変わります。フォトコンバージョンと呼ばれる現象です。この蛍光タンパク質をカエデと命名しました。
ここに、ラットの海馬に由来する培養神経細胞があります。いず
れもカエデ遺伝子が導入されています。しかしすべてが緑色に標識されて、どの突起がどの細胞体に由来するかが全くわかりません。
このような入り組んだ神経回路網をどうしたら解きほぐすことができるのでしょうか。ここで緑に光っ て い る の は カ エ デ で す か ら、
405nmの紫色半導体レーザーをこ

図13

れら２つの細胞体に0.5秒、0.25秒

7エンスの半分の方々に説明した
い と 思 い ま す。 カ エ デ の 場 合、発色団の材料となる三つのアミノ酸のうち最初のアミノ酸がヒスチジンであることが必須になります。ヒスチジンの側鎖はイミダゾール環です。オワンクラ
ゲGFPと同じように、タンパク全体が折りたたまれると同時に環状化、脱水、酸化反応が起こり、まず緑の発色団ができます。ここにUVや紫の光が当たると、いくつか電荷分布の変化が起こり
図14

ペプチド主鎖が切れます。これはβ脱離反応です。脱離基はカ㻯㼔㼞㼛㼙㼛㼜㼔㼛㼞㼑 㼟㼠㼞㼡㼏㼠㼡㼞㼑㻌㼛㼒㻌㻷㼍㼑㼐㼑

ルボキサミドです。さらに、ここのプロトンが抜かれて二重結合が導入されると、ヒスチ<*

ジンのイミダゾール環がもともとの緑の発色
団にカップルします。π共役系が拡張するの+89LUUDGLDWLRQ)が明らかです。これで赤色発色団の完成です。
（図15）
生化学の分野で、ペプチドの主鎖の切断を議論することがありますが、その場合の切断は必ず加水分解によってペプチド結合で起こります。一方、カエデにおける光による切断
はペプチド結合で起こりません。その隣にあ

図15るCαとimino-nitrogenの間の共有結合が切れてしまうのです。この共有結合は非常に安ポンポンと当ててみます。するとどうでしょ

定で、これを切るためにはすごい活性化エネ

う、赤色とオレンジ色でそれぞれの神経細胞

ルギーが必要です。でも、カエデタンパク質の全体像を浮かび上がらせることができます

全体が触媒機能を発揮することによって、そ。カエデを使う一つの大きなメリッ（図14 ）の活性化エネルギーを減らすように働くのでトです。

す。その触媒はカエデの発色団が紫の光を吸

カエデを全身に発現するトランスジェニッ

収することによってトリガーされるのです。

クゼブラフィッシュです。自分の好きなパタ

実におもしろい分子マシナリーだと思います。

ーンで紫の光を当てて赤色にしておいて、そ

こうした仕組みを応用して、われわれは新し

こでラベルされた細胞が将来、胚のどこに到い光材料の開発を企てています。

達するかを調べる解析ができます。細胞の系

カエデのフォトコンバージョンは不可逆的譜を追うべき発生学や再生医療などで活躍しです。緑から赤になると元に戻ることはできます。

ません。で、今度は可逆的な話です。フォト

ここでは、カエデが緑から赤に色が変わる

クロミズムについて話をします。材料は、沖仕組みを、化学者の方々、おそらくオーディ

縄の阿嘉島で採集したアナキッカサンゴでし8

も大切な教訓を２つ得ることができました。まず Don t judge a coral by its
appearance! 研究材料としてのサンゴは見かけで選んではいけないのですね。
次 に Even if a wild-type fluorescentprotein is dim or boring, don t throw
it away! 野生型の蛍光タンパク質が暗くても面白くなくても捨てないこと。
そこに遺伝子変異−ミューテーションを入れることによって明るく面白く化
けさせることをすればよい。すなわち
長い進化の過程で、サンゴ、イソギン
図16

チャク、クラゲが作りあげてきた産物
以上のモノを、われわれは試験管の中た（図16）。カエデをクローニングした安藤でわずか数日あるいは数時間で作ってしまうさんが、アナキッカサンゴを持ってきたとき、ことができるのです。

私はあまりいい顔をしませんでした。カエデ

カエデやドロンパのように、光を当てるこのヒユサンゴと比べるとあまりにもみすぼらとによって色や明暗をコントロールすることしかったからです。ところが、みすぼらしいができるタンパク質を使って、現在、世界的

アナキッカサンゴから、彼女は非常に明るいに超解像光学顕微鏡が非常にはやっています。

緑の蛍光タンパク質の遺伝子をクローニング

光をレンズで絞っても、光の波動性によってしました。さらに、そこに遺伝子変異を加え点にはなりません。集光はある広がりを持っることによって、フォトクロミズムを示す蛍てしまう。この広がりが空間分解能を決めま

光タンパク質を創り上げました。紫と青色のす。空間分解能というのは、２点を２点とし光を当てることによって明暗をコントロールでき。これをドま す（ 図 17 ）ロ ン パ と 命 名 し ま し た。
ドロンと消えてパッと現れるという理由からです。
大腸菌でつくらせたド
ロンパタンパク質をカバーグラスに塗ると、普通の共焦点レーザー顕微鏡を使って、書き換え可能のメモリー素子をつくることができます。ある情報を書いて、読んで、消して…そしてこの操作を何回も繰り返すことができます。
この研究の過程でとて

図179

て識別できる能力です。いくらどんなにいいの動的構造を観察したいとわれわれは願って対物レンズを使っても、可視光を使う限り、います。

空間分解能は200nmぐらいです。200nmより

これまで、空間的に非常に細かいものを扱も小さいものは分けることができません。そってきました。今度はもっと大きなものを観

ういうときは電子顕微鏡に頼ることになりまていきましょう。個体レベルの話です。

す。電子線は波動性が少ないからです。しか増殖する細胞は細胞周期を回しています。

しながら、電子顕微鏡で生きたサンプルを観

普段はG1期で落ち着いているのですが、分ることは難しいです。ということで、光学顕裂しようと決心すると、S期に突入しDNAを微鏡の分解能をどんどん上げる技術開発を世複製して核DNA量を２倍に増やします。そ

界中の研究者が躍起になってやっているのでしてG2期という間期を経てM期で分裂します。

す。

これを繰り返すことによって、細胞は増え続

例えばドイツのマックス・プランク研究所

けます。G1期からS期への移行が、細胞の分の研究者が開発したSTED顕微鏡は、励起領裂へ向かう意思決定がなされる瞬間に相当し域に誘導放出を起こすレーザービームをドーます。こうした意思決定のタイミングを観た

ナツ状に当てることによって、蛍光の広がり

いとわれわれは考えてきました。

を物理的に小さくし分解能を高めることを達細胞内でタンパク質の分解を見事に制御す成しています。またアメリカで開発された方るメカニズムがあります。その解明でノーベ法でPALM, STORMというものがあります。

ル化学賞が2004年に授賞されています。一例

蛍光分子を明滅させることにより、重なり合ですが、細胞周期の進行と同時に、ある二つう輝点を時間的に分離しています。PALMをのタンパク質が交互に分解されることがわか使って観察したアクチン線維の画像をお見せっています。私たちはこの現象を使って細胞します。アクチン線維は細胞骨格の一種です。

周期を色付けする蛍光プローブを開発しまし

１本１本の線維がきれいに分けて観えるようた。G1期にある細胞の核を赤で、S/G2/M期になってきました。従来は、アクチン線維のにある細胞、すなわち増殖に向かって突進す

束をぼんやりとしか見ることができなかった。
る 細 胞 の 核 を 緑 で ラ ベ ル し ま す（ 図 18 ）のですから、大きな進歩です。

Fucciと名前を付けました。

脳の中にはたくさんの神経があるのですが、神経同士のコネクションはシナプスによって成り立っています。こちらがプレシナプス、
こちらがポストシナプスです。プレシナプスの中には小胞、すなわち小さな袋がいっぱい
あって、この中に神経伝達物質がたまっています。刺激が来ると、小胞がはじけて、シナプスの伝達物質がシナプス間隙へ放出されます。この小胞はどのくらいの大きさかというと、直径が約50nmなのです。シミュレーシ
ョンをしてみますと、普通の光学顕微鏡で蛍光ラベルされた小胞を観るとこんなふうにぼんやりとしてしまいます。われわれは個々の小胞を分けて観たいわけで、例えば20nmの分解能を実現すると何とかそれが実現できる。
光学顕微鏡を使って、こういうシナプス小胞

10

図18

図19

HeLa細胞は、子宮頸癌から樹立された株

細胞をヌードマウスに移植する実験でも簡単です。FucciをHeLa細胞に導入すると、ちょに行うことができます。良性細胞から成る腫

うどG1からS期への移行、細胞が分裂しよう

瘍塊は赤色を呈し、一方悪性細胞から成る腫と意思決定しDNA複製を始めるタイミング。
瘍塊は黄色を呈するのです（図19）を、赤から緑への色変換で知ることができま

またFucciプローブを全身に発現する形質す。子宮頸癌由来ですから、HeLa細胞は悪転換マウスをつくりました。体中の細胞１個性化しています。増殖を抑制するメカニズム

１個について、細胞周期のどこにあるかが色が壊れてしまっています。

。簡単に言うと、緑のでわかります（図20）

一方、良性の細胞株にFucciを導入してみ蛍光を観たら細胞の増殖が盛んだと思っているとどうでしょう。ここに示すのは上皮系の細胞なのですが、培養皿の上で増殖して高密度に達するとG1期で細胞周期の進行を止めてしまいます。そういう増殖抑制の様子が、培養皿全体が真っ赤になることで簡単にわかります。これをG1アレスト状態と呼ぶことがあります。この状態で部分的に細胞を引き剥がすと、その後一部の細胞がG1期からS期に移行し、つまり細胞周期を回して増殖モードに入っていく様子を観ることができます。これは創傷治癒のモデルになっています。
このような良性と悪性との鑑別は、

図20

11

いし、赤の蛍光を観たら増殖が終わっていろ。光のしたマウスが透明になります（図21）

いろな分化状態に向かっている細胞だと思っ

散乱を抑えることによって透明化しているのていいのです。胎生8.5日、9.5日、11.5日のです。光の吸収には影響を与えないので、例

データを見せていますが、発生が進むにつれえば胆汁や眼の色は保存されます。ここではてFucciの蛍光が緑から赤へ色が変わっていマウスの脳を透明化しています。ポインター

くことがわかります。増殖優位から分化優位からの緑色のレーザービームがほとんど直進にシフトしていくわけです。出生後の組織をするのがよくわかります。Sca eA2技術によ

観ると、Fucciの蛍光シグナルはほとんど真って、「森も木も見る」ことができます。こっ赤です。しかし、その中に緑の細胞がぽつれはマウスの海馬です。海馬の約３分の１のりぽつりとあります。そういう細胞は組織幹領域を透明化しています。その領域にある神細胞に相当します。いま再生医療で非常に注経細胞や神経線維から成る回路網をいろいろ目されている細胞です。

な角度から観ることができます。さらに、脳Fucciを全身に発現する形質転換ゼブラフ

表面からとても深いところまでを観ることがィッシュの胚を横から見たムービーです。透できます。作動距離の長い対物レンズを使う

明なので、全身からくまなくFucciのシグナと、脳の皮質から白質、海馬、視床までダイ

ルを取ることができます。やはり、時間ととブするように観察できます。

もに緑から赤に色が変わっていきますが、網先ほど紹介したFucci技術とSca e技術を組膜、脳など増殖の盛んなところはいつまでもみ合わせることによって、発生中の胎児の中緑のシグナルが残ることがわかります。網膜で、分化が盛んな領域と増殖が盛んな領域にをズームインしてみましょう。網膜の神経上関して３次元的な情報を得ることができます。

皮細胞において核が移動するのですが、移動いろいろな意味で、広く深く観るという技術の向きが細部周期によって変化します。このが発達してきました。

現象はエレベーター運動と呼ばれています。

ホルマリン固定した脳組織に関しては透明

ゼブラフィッシュの胚は透明なので、この化ができるのですが、今後は生きた脳でも同ように蛍光のイメージが大変にやりやすいのじようなことができないかと考えています。

ですが、一方、哺乳類の体は不透明です。ど散乱をある程度減らすことによって、脳の表

うして不透明かというと、体の中において光面から皮質の下にある海馬、視床、扁桃体なの散乱が非常に強いからです。われわれが開どの機能を追跡したいと思っています。

発したSca eというテクノロジーは、大きな哺乳類動物個体を丸ごと大規模に、しかも高精細に３次元再構築をすることを可能にする技術です。３次元再構
築をするためにはセクショニング（切片化）という作業が必要ですが、われわれは従来のような機械的に切片をつくる方法ではなく、光学的に切片を作る方法を採用しました。でもそのためには生体組織を透明にすることが必要
で、Sca eA2という水溶性溶液を開発しました。Sca eA2は尿素をベースに非常に単純な組成になっております。
Sca eA2に浸すと、ホルマリン固定

12

図21

生きた状態で大脳皮質の活動を観るというす。ストレス刺激を洗い流すと消えます。酸ことで、一つの実験例を示します。私が冒頭化ストレスは、癌をはじめさまざまな成人病、で紹介したカメレオンの最新バージョンを使

変性疾患の原因として注目されています。一っているのですが、マウスの大脳の興奮性細方で、酸化ストレスはある程度必要で、学習胞に発現させ、頭部に励起光を当てて脳全体や脳の働きに重要であることもわかっていまにわたって発生する神経発火の波を解析してす。

います。いろいろな周波数の波があるのです

先ほどから登場している蛍光タンパクはすが、一番有力なのは1Hzで振動するようです。

べてβ樽構造（図６）を共有しています。ま今後はこういう実験中のマウスにいろいろた自分自身のペプチドから発色団を作り上げな刺激を与えていきたい。次演者の坂野先生

ることができるという特性も共有しています。

からは匂いに関しておもしろい話をいただけ

ところで、最近、新しいタイプの蛍光タン

ますが、匂いを与えるとどういう神経発火のパク質が出現してきました。天然に在る色素波が出現するか。匂い以外にも、ものを見さリガンドを取り込み、それを発色団として使せたり、音を聞かせたりしてみたいと思いまうタンパク質です。その中に、ビリンを取りす。

込むものがあります。ビリンというのは四つ

われわれ動物の知覚はパターン認識によっのピロール環が直線上に連なった化合物です。

ています。すごくたくさんの並列処理を一度

このスライドはヘム代謝を概観していますにやってしまいます。今わたしは、この演台。赤血球が壊れると、ヘモグロビン（図22 ）の上のペットボトルを見て一瞬で「水」と認がグロビンとヘムに分解されます。これがヘ識できますが、いったいどんな神経発火の時

ムでポルフィリン環から成ります。環のここ空間パターンが私の脳に提示されているのでが切れると、四つのピロール環が直線上に並しょうか。そしてそのパターンをどんな仕組

んでビリベルジンになります。ビリベルジン

みで読み取っているのでしょうか。脳の中のが還元されてビリルビンになります。ビリル

神経細胞は興奮性のものだけではありません。

ビンが肝臓でグルクロン酸抱合されて胆汁に抑制性細胞もあります。抑制性細胞にカメレ排泄されます。この代謝を頭の中に入れていオンを導入した実験のデータもお見せするこただけますか。

とができます。興奮性細胞と抑制性細胞がどうお互いに相互作用しあっているかを調べていきたいと考えています。
最後に酸化ストレスに関する話をします。今日ここには年配の方が多く来られている
よ う で す ね。 ど う か 皆 さ ん、
酸化ストレスとうまく付き合い除去していきましょうとい
う話ができればと思います。
われわれは酸化ストレスをセンスするプローブを作りました。時間の都合上、詳しい原理は言いませんが、ストレス刺激を与えると光ってきま

図22

13

するものです。
最近、われわれはウナギから、ビリンを発色団にする蛍光タンパク質をク
ローニングしたので、その話をして終わりたいと思います。ニホンウナギは蛍光を出します。これは体長約５cmのシラスウナギです。青い光を当てる。ニとみごとに緑に光ります（図23 ）ホンウナギは降流性回遊を行います。
通常は淡水の湖や川に棲息します。成熟するとマリアナ海溝の近くのスルガ
海山まで泳いできます。そこで産卵します。孵化した稚魚は海流に乗って日本にやってきます。シラスウナギとい図23

われる段階で河口に来て、川を遡上していく。サケの遡河性回遊と全く逆ですね。
シラスウナギをもらって、青い光を当ててみました。見事に緑に光っています。この１匹をホルマリンで固定し、胴体を輪切りにした切片をお見せしま。脊髄や脊索の周りに筋肉す（図24 ）層がありますが、筋肉の中でも特に細い筋肉繊維にものにすごく強い緑の蛍光が観られました。
2009年、鹿児島大学の林先生のグループが、ウナギの筋肉から緑の蛍光タ
ンパク質の精製を報告されました。この情報を基にわれわれはその緑色蛍光タンパク質の遺伝子を取ることに成功

図24しました。UnaGと名前を付けました。
タンパク質分子はいろいろなファミ

ビリベルジンはπ共役系が分子全体に広がリーをつくることが多いです。脂肪酸結合タっているので、とても長い波長の光すなわちン パ ク 質 フ ァ ミ リ ー と い う の が あ っ て、

赤色の光を吸収します。補色として青色を呈

UnaGはそのファミリーに属することがわかします。こういうビリンを取り込んで発色団りました。脂肪酸結合タンパク質は名前のととして使い色を吸収したり蛍光を放出するタ

おり、脂肪酸のような脂溶性分子を貯蔵ある

ンパク質はいろいろあります。例えば植物、

いは運搬するタンパク質です。略称はFABP

菌類、細菌で活躍する光受容タンパク質のフです。

ィトクロム、それから光合成色素のフィコビ

われわれはUnaGの遺伝子を大腸菌に放りリンなどがあります。いずれも、植物、菌類、込みました。全く光りませんでした。ところ

原生生物、細菌など、動物以外の生物に由来

が、HeLa細胞に放り込んだところ、すごく

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図25

きれいな緑の蛍光が出てきました。よって、ビリルビンは脂溶性です。水にほとんど溶

リガンド色素は大腸菌に無くヒトや哺乳類のけません。もし皆さんの体の中で溶血が起こ

細胞に在る。そのリガンドが遺伝子がつくる

るとします。または肝炎などが起こって肝臓アポUnaGにくっついてホロUnaGになって機能が低下するとします。いずれの場合でも、光るのだろうと予想されました。このリガン

血中のビリルビンが増えます。その程度がひドを何とかして探そうと努力しました。すごどくなるとビリルビンが血中から漏れ、血管く苦労した結果、最終的に、リガンドはビリ外の組織にどんどん沈着して、黄疸という現ルビンであるという結論に到達しました（図象が起こってきます。ビリルビンというのは25 ）。アポUnaGタンパクとビリルビンを混皆さん本当はすでになじみが深いのです。毎ぜ合わせます。そうすると、あっという間に年の血液生化学検査で、ビリルビン測定の項

蛍光が出てきます。

目は必ずあります。

ヘムの代謝の復習です。ヘム、ビリベルジ

しかしながら、ビリルビンの定量法はまだ

ン、ビリルビン、抱合型ビリルビンというふ

進化しておりません。1916年に初めて開発さ

うに代謝されていきます。ビリベルジ
ンの真ん中の部分が還元されてビリルビンとなります。二重結合が一重結合になる結果、例の共役系が真ん中で二分されます。そうするとπ共役系が短くなってより短波長の青色の光を吸収します。青色の光を吸収するビリルビ
ンは補色の黄色を呈するわけです。
これはビリルビンがくっついた状態のホロUnaGタンパク質の結晶構造で。四つのピロール環A, B, C,す（図26）
D環のうち、B環とC環の間で大きく屈曲しています。ただA/B環、C/D環はそれぞれ平面上に並んでいる。経験的に言っていかにも高い蛍光性を示唆す
る構造と言えそうです。

図26

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図27

れたのですが、感度は悪く、あまり正確であ方、組織の中にはビリベルジン還元酵素が豊ると言えません。そこで、われわれはアポ

富にあって速やかにビリルビンに戻ります。

UnaGを使って、わずかな血清を入れて蛍光

こうした酸化と還元のサイクリングが非常にを測ればビリルビンを直接定量できるキット

活発に起きているようです。これが起こって。非常に高感度で1をつくりました（図27 ）いるからこそ、私たちの体の中では、抗酸化μLの血清で十分です。有効数字は３桁保証

物質ビリルビンが常に供給され、さまざまなできます。簡単かつ迅速ということで、特に酸化ストレスが除去されると考えられていま

周産期医療、新生児の医療に活躍すると思わす。ビリルビンは、特に脂質の酸化を防ぐ力れます。

が強いことが示されています。

新生児黄疸は生理的な現象ですが、程度が臨床的に、血清ビリルビン濃度が軽度に高ひどくなると核黄疸が起こります。ビリルビ

いと、酸化ストレス関連疾患の糖尿病、心疾

ンが大脳基底核に沈着し後遺症が残ってしま患、動脈硬化、神経変性疾患などにかかりにいます。それをビリルビン脳症といいます。

くいという統計的なデータが出てきています。

特に出生時体重が1,000gまたは500g未満の未適度に血清ビリルビン濃度が高いほうが体調熟児で、ビリルビンは必ずモニターしなけれがよいとも言えそうです。私も学生時代に医ばいけない。しかし小さい赤ん坊から多くの学部の授業でビリルビンは悪玉として教えら

血清を採取するのは大変なことです。より高れましたが、実は善玉でもあるわけです。た

感度の測定法が求められるのです。

だ、ものごとはすべてそうだと思いますが、ところで、ビリルビンはすごい抗酸化作用

過剰にあるとよくないのでしょう。

をもつ分子であるということを付け加えたい

さて、ニホンウナギにおける、ビリルビンと思います。ビリルビンは容易に酸化されての結合や緑色の蛍光の意味はよくわかりませビリベルジンになります。酸化されるというん。さきほどお見せしたスライドですが、非ことは抗酸化作用を持つということです。一

常に細い筋繊維に緑の蛍光がかなり濃縮して16

いることを示す画像です。ウナギはマグロと料に、いろいろな境界領域を創っていくよう

同じく大型魚類です。魚は卵の大きさはほとな研究の発展を心がけたいと思っております。

んどどれも一緒ですが、成魚の大きさは違い

これで私の話を終わります。種々雑多な内容ます。大型魚類においては、こうした細い筋になってしまいましたが、何かしら刺激にな繊維が肥大することによって全体のサイズがるような題材があれば幸いです。

大きくなります。筋肉の肥大にUnaGが関係しているかもしれません。
もちろん、ウナギの回遊に関係する可能性は大いにあるでしょう。ウナギの種は、現在19種類が報告されていますが、その中でも、ヨーロッパウナギ、アメリカウナギ、ニホン
ウナギなどが長距離を回遊する種として有名です。彼らは何も食べないですごく長い距離を回遊するそうです。回遊中の筋肉で生じる
酸化ストレスを除去するために、大量のビリ
ルビンを貯蔵し、少しずつ放出する可能性が示唆されます。
ニホンウナギは謎に満ちた生き物です。経済的にも重大な生き物ですし、生態学的には絶滅危惧種に認定されるかもしれない生き物です。そんなニホンウナギを対象に研究を続けながら、酸化ストレスとうまく付き合いこ
れを除去する術が得られたらと考えております。
「脳の内側を観る」と大仰なことを言って話を進めてきました。でも、観るための技術開発の経緯をたどると、源は植物にあったり、藻類にあったり、細菌にあったり、哺乳類以外のものが多いのです。光と生命との相互作用を究めていくことが必要なのだと思います。
今日はクラゲやサンゴなど光るものが登場してきましたが、地球上の生物の中で、われわ
れ人類が知識として持っているもの、実際に手にしたことがあるものはほんのわずかでしょう。先ほどのニホンウナギの話も実は非常に身近な生き物がビリルビンセンサーを人類に授けてくれたことを伝えたかったからした次第です。
もちろん、光と物質との相互作用も究めなければなりません。とくに、発色団を動き回るπ電子の心をつかむための研究を続けてい
きたいと考えています。蛍光タンパク質を材

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