2021 年 4 ⽉５⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
国⽴研究開発法⼈科学技術振興機構（JST）

ウニは光の刺激で胃から腸へのゲートを開く
光は⽣命活動におけるエネルギー源や視覚の情報源として重要です。また、⽣物はサーカディアンリズム（体内時計）の調整などで、光を⽣命活動の⼊⼒情報としても利⽤しています。こうした光の役割や光刺激を伝達する仕組みは、多くの動物種を⽤いて明らかにされてきました。しかし、ヒトを含む脊索動物と姉妹群をなす棘⽪動物では研究報告が少なく、動物界に存在する光応答の仕組みが進化の過程でどのように現れ、多様化してきたのかをきちんと論じることが難しい状況でした。
本研究では、棘⽪動物における光の役割や光応答の仕組みを明らかにするため、モデル動物であるバ
フンウニを利⽤し、その幼⽣に光を照射してひたすら観察しました。幼⽣はほとんど透明で、消化管などの動きも外から直接確認することができます。観察の結果、ウニの幼⽣が光の刺激を受けると、胃の出⼝である幽⾨が開くことを発⾒しました。
ウニもヒトも、摂取した⾷物は消化の過程で⼝から胃、腸へと流れます。胃と腸の間にあるのが幽⾨です。幽⾨は胃に⾷物が⼊った段階では筋⾁の働きで閉じていますが、消化が進むと開いて（開⼝して）、腸に⾷物が流れていきます。多くの動物の幽⾨開⼝はこのように、胃に含まれている⾷物の刺激によって制御されています。しかし、今回明らかになった光刺激によるウニの幽⾨開⼝は、⾷物を摂取する前から⽣じていました。これは光の機能の⼀つに消化管の制御があることを⽰しています。
本研究では、ウニ幼⽣で光の刺激がどのように伝わっているのかも実験的に調べました。その結果、ウニの脳が神経伝達物質のセロトニンを放出し、その刺激が幽⾨近傍の細胞に伝達されて⼀酸化窒素を放出する、という経路で開⼝が⾏われることが明らかになりました。
ヒトが精神的なストレスを受けると、お腹の調⼦が悪くなることがあるように、脳と腸は独⽴した器官でありながら、互いに影響を及ぼし合っています。これを脳腸相関と呼びます。ウニもヒトも動物界の後⼝動物に属します。今回の研究によって脳から腸への連絡が光刺激伝達の担い⼿になっていることが明らかにされたことから、脳腸相関の仕組みが、後⼝動物の共通祖先で存在していたことが強く⽰唆されました。今後、同じ後⼝動物であるヒトを含めた脊椎動物でも「光」によって脳腸相関が刺激される経路が⾒出されるかもしれません。
研究代表者
筑波⼤学⽣命環境系（下⽥臨海実験センター）
JSTさきがけ研究者
⾕⼝ 俊介 准教授

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研究の背景太陽光から得られるエネルギーは、多くの⽣物において必須なエネルギー源です。さらに、視覚に依存する⽣き物にとって、太陽からの光は、⽣命活動を滞りなく進⾏させるうえで重要な存在です。⼀⽅、⽣物は視覚以外にも光を⽣命活動の⼊⼒情報として多く利⽤しており、例えばサーカディアンリズ
ムの調節などで、⾮視覚系の光受容システムを活⽤していることが報告されています。これらの視覚的・⾮視覚的光受容体として活躍しているのがオプシン（Opsin）と呼ばれるタンパク質群です。その機能解析から、多くの動物における光応答のきっかけとして、また⽣命活動における光の機能の多様性を論じるうえで重要な存在として認識されています。しかし、動物分類学的に⼤きな⼀⾓を占めている
棘⽪動物⾨注１）においては、成体の光反応⾏動を報告した論⽂があるのみで、オプシンによる光応答経路や機能については⼀切報告されていませんでした。このことは、動物が進化の過程で光を利⽤してきた経緯や光応答の多様性を、特に後⼝動物注２）の中で真に議論するうえで⼤きな⾜かせになっています。
研究内容と成果
そこで、本研究グループは、棘⽪動物の中でモデル⽣物であるウニ（⽇本でのモデルウニはバフンウ
ニ Hemicentrotus pulcherrimus）を利⽤して、ウニにおける記載可能な光応答経路の有無を確認する
ため、顕微鏡下で、太陽光の半分程度の強さの光を当てた幼⽣をひたすら観察しました。その結果、光照射の約２分後に幼⽣の幽⾨注３）が開⼝することを発⾒しました（図１）。この際、幽⾨括約筋に発現するトロポニンIを染⾊することで正確に幽⾨開⼝の有無を判別しました。
次に、体中のどの組織が光→幽⾨開⼝の応答経路を担っているのかを確認するため、脳領域（前端部神経外胚葉：脊椎動物の脳と相同とされる部位：図１）と、腕と呼ばれる突起状の構造（図１）を別々に切り取り、正常幼⽣と同様に光に対する応答を調べました。その結果、脳領域を切断した場合には光応答としての幽⾨開⼝が⾒られなくなりました。ウニ幼⽣の脳領域には、ヒトの脳と同様に、神経伝達物質のセロトニンを放出する神経が主要な神経細胞として存在しています。脳領域を切断した幼⽣にセロトニンを加えたところ幽⾨開⼝が誘導されました。以上の結果から、光→脳セロトニン→幽⾨開⼝の経路が存在していることが強く⽰唆されました。
動物の光受容を担うオプシンファミリーのうち、ウニ幼⽣の脳領域近傍には Go-Opsin が発現しているため、今回の光応答の受容体は Go-Opsin である可能性が⾼いことが推測されました。そこで、GoOpsin の翻訳をアンチセンスモルフォリノオリゴ注４）により抑制し、タンパク質としての機能を阻害してみたところ、予想通り光応答としての幽⾨開⼝が⾒られなくなりました。つまり、光→Go-Opsin→脳セロトニン→幽⾨開⼝の経路で光応答に⾄っていることが明らかになりました。
以前の本研究グループの報告から、ウニ幼⽣の幽⾨開⼝は幽⾨近傍にある神経様細胞からの⼀酸化窒注 5）素放出に依存することが明らかになっています。そこで、脳セロトニンから⼀酸化窒素放出までの経路を調べました。まず、さまざまなセロトニン受容体の阻害剤を添加して光による幽⾨開⼝の程度を調べることにより、複数あるセロトニン受容体のうち 5HT2 がその信号を媒介している可能性が⾼いことが明らかになりました。また、⼀酸化窒素合成酵素の機能をアンチセンスモルフォリノオリゴにより抑制することで、光応答としての幽⾨開⼝にも幽⾨神経様細胞からの⼀酸化窒素放出が必要であることが⽰されました。
以上の結果から、ウニ幼⽣は光を幽⾨開⼝制御に利⽤していること、その際に光→脳セロトニン→⼀酸化窒素→幽⾨開⼝の経路を利⽤していることが明らかになりました（図２）。

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今後の展開本研究の成果として、脊索動物でも⾒られる脳から腸へのシグナル伝達が棘⽪動物においても確認されたことから、脳腸相関注 6）が動物の進化上いつどのように現れ、多様化していったのかを、より多くの証拠から議論することにつながります。⼀⽅、今回の光による幽⾨開⼝は全体の 40％のウニ幼⽣でしか⾒られませんでした。そのため、全ての個体に起こるわけではないという謎を解決する研究を進めていきます。
本研究では、棘⽪動物⾨内で初めて、オプシンの機能を絡めて光応答の経路を明らかにすることができました。また、胃の内容物にかかわらず幽⾨が開⼝すること、さらにその⼊⼒刺激が光であることをウニで発⾒できたことから、今後同じ後⼝動物であるヒトを含めた脊椎動物でも同様の経路の発⾒が期待されます。
参考図

図１：光の照射によりウニ幼⽣の幽⾨が開⼝する。スケールバーは 20 µm。

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図２：光応答としての幽⾨開⼝経路⽤語解説
注１） 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⼀つのグループ。ウニ、ナマコ、ヒトデ、クモヒトデ、ウミユリの仲間を含む。
注２） 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。原腸陥⼊の際の原⼝が肛⾨になり、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３） 幽⾨胃の出⼝。括約筋の収縮弛緩によって開⼝し、胃の内容物が腸へ流れるかどうかを制御する場所。
注４） アンチセンスモルフォリノオリゴ
核酸の糖を⼈⼯化合物であるモルフォリンに代えた⼈⼯核酸。mRNA の 5ʼUTR や翻訳開始点付近に相補鎖として結合するようにデザインされ、翻訳を阻害する。DNase や RNase による分解を受けない。
注５） ⼀酸化窒素（NO）
多くの動物種において、平滑筋の制御に機能している。その合成酵素は発現場所と機能に応じて、神経型、内⽪型、誘導型に分類される。
注６） 脳腸相関4独⽴した組織で脳と腸が、お互いにシグナルを送り、密接に影響を及ぼし合っていること。例えば、精神状態の変化により消化機能に変化が起きたり、反対に、腸内細菌の組成や活性の変化が精神状態の変化を起こしたりする。
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；2019-2022 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）、⽇本学術振興会が助成する科学研究費若⼿（B）（16K18592; 2016-2018 年度）と特別研究員奨励費（17J00034; 2017-2019 年度）によって実施されました。
掲載論⽂【題名】Sea urchin larvae utilize light for regulating the pylorus opening.
（ウニ幼⽣は幽⾨開⼝に光を利⽤している）【著者名】 Yaguchi J and Yaguchi S.
【掲載誌】 BMC Biology【掲載⽇】 2021 年 4 ⽉ 6 ⽇【DOI】

10.1186/s12915-021-00999-1

問合わせ先【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
URL: https://sites.google.com/site/yaguchisea/home【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
科学技術振興機構 広報課
TEL: 03-5214-8404 FAX: 03-5214-8432
E-mail: jstkoho@jst.go.jp【JSTの事業に関すること】
保⽥ 睦⼦（やすだ むつこ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 ライフイノベーショングループ
TEL: 03-3512-3526 FAX: 03-3222-2064
E-mail: presto@jst.go.jp

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