低温科学
2023 Vol.81
動物の寒冷適応戦略〜生理生態と分子機構

低温科学2023 Vol.81
ISSN 1880-7593

北海道大学

Institute of Low Temperature Science,
Hokkaido University, Sapporo, Japan
http://www.lowtem.hokudai.ac.jp

低温科学研究所 編

北海道大学 低温科学研究所

動物の寒冷適応戦略〜生理生態と分子機構

北海道大学 低温科学研究所 編
Edited by Institute of Low Temperature Science,
Hokkaido University

■紀要「低温科学」の変遷
・低温科學，第 1 輯（1944 年）－第 10 輯（1953 年）
・低温科學．生物篇，第 11 輯（1954 年）－第 35 輯（1978 年）
・低温科学．物理篇，第 11 輯（1953 年）－第 53 輯（1995 年）
・低温科学．物理篇．資料集，第 27 輯（1970 年）－第 63 輯（2005 年）（このうち，第 1 輯（1944 年 12 月）〜第 3 輯（1950 年 12 月）は岩波書店発行，第 4 輯（1948 年 10月）は北方出版社発行，第 5 輯（1950 年 12 月）以降は低温科学研究所発行）
・低温科学．第 64 巻（2005 年）〜※第 68 巻（2009 年）Supplement Issue（英文増刊号発行）■著作権・本紀要に掲載された論文の著作権は，北海道大学低温科学研究所に属する．
・ただし，原著者が出典を明示して再利用することは妨げない．
・また，掲載論文の一部または全部を電子的に蓄積し，北海道大学低温科学研究所が行う情報提供
サービスにより公開することがある．

2023 年 3 月 20 日
発

行

者

北海道大学
〒060-0819

低温科学研究所

札幌市北区北 19 条西 8 丁目

URL：http://www.lowtem.hokudai.ac.jp

編

集

者

印刷・製本

山口

良文

㈱アイワード© 2022 Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University

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低温科学

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2023 Vol.81

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動物の寒冷適応戦略〜生理生態と分子機構

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低温科学
2023 Vol.81
ISSN 1880-7593

北海道大学

動物の寒冷適応戦略〜生理生態と分子機構

低温科学研究所 編

北海道大学 低温科学研究所
Institute of Low Temperature Science,
Hokkaido University, Sapporo, Japan
http://www.lowtem.hokudai.ac.jp

北海道大学 低温科学研究所 編
Edited by Institute of Low Temperature Science,
Hokkaido University① GFP を発現する線虫 C. elegans（山城らの稿）②深冬眠中のシリアンハムスター（堀井らの稿、渡邊らの稿、曽根らの稿）③ツキノワグマの仔（坪田の稿、下鶴の稿、宮崎の稿）④チビトガリネズミ（大舘の稿）⑤ヨーロッパトガリネズミ（大舘の稿）

⑫

⑭

⑯
⑱

⑬

⑮

⑰
⑲

⑥リュウキュウカジカガエル（齋藤の稿）⑦メダカ（中山らの稿）⑧深冬眠中のシマリス（塚本らの稿）⑨イワナ類を咥えて歩くニホンザル
撮影：鈴木裕子氏（東城らの稿）⑩冬眠期に強制交尾をするコキクガシラコウモリ（佐藤の稿）⑪オオクワガタの幼虫（山内らの稿）⑫ショウジョウバエ（村上らの稿）⑬スンクス（堀井らの稿）⑭チャコウラナメクジ（宇高の稿）⑮ニカメイガ（泉の稿）⑯マウス（小野らの稿）⑰ヒグマ（坪田の稿、下鶴の稿、宮崎の稿）⑱シリアンハムスターの初代培養肝細胞（曽根らの稿）⑲トウガレイ（津田らの稿）

はじめに

地球温暖化や水問題など，地球環境の諸問題に直面する現代に生きる我々人類にとって，地球上の多種多様な生物がいかにして環境に適応し生存しているのか，すなわち「生物の環境適応機構」，を理解しそこに学ぶ重要性は，ますます増加している．こうした疑問に科学的視点からアプローチする学問として生物学がある．生物学領域では，20 世紀後半に生じた分子生物学の発展にはじまる遺伝子工学の急速な進展を皮切りに，遺伝子配列解析技
術や質量分析技術をはじめとする多様な解析技術の進歩が，21 世紀初頭前後に生じた情報革命の波と相まって生じ，それまで問いを立てても答えを得ることが難しかった諸問題に対してアプローチ可能な時代が到来している．さまざまな生物の環境適応機構は，まさにそういった問題のひとつである．
ではすぐにでも生物学上の諸問題が解明できるのかというと，そうはいかないのが実情である．実際には，自然界での生態がまだ不明であったり，実験室環境での飼育・繁殖がそもそも困難であったり，研究に要するスペースや時間などの物理的問題，さらには倫理的問題など，まさにその生物固有の性質に起因する諸問題が立ちはだかる．また生物の環
境適応と一口に言っても，微生物・植物・動物といった生物種の違い，生理上の違い，生息域・季節などの環境条件の違いなど，その含むところは極めて多岐にわたる．多様性と普遍性という，生物を理解する上で必要な両輪のもと，生態・生理から分子機構の研究まで，幅広い分野の研究者が相互交流しつつ，より深い理解を目指して研究を推進することが，まさに今の時代に必要と言える．
このような状況下で，「動物の寒冷適応戦略」という，フォーカスを絞ったテーマで研究分野を俯瞰することは，寒冷適応研究の最新地点と今後の課題を把握するという意味で，
日本の科学コミュニティのみならず，その将来を担う若い学生たちにとっても意義があると考え，本特集「低温科学」第 81 号を企画した．「低温科学」は，「寒冷圏および低温条件の下における科学的現象に関する学理及びその応用の研究」をミッションとして掲げる，
北海道大学附置研究所である低温科学研究所が刊行する特集号である．生物が，寒冷・低温環境下でいかに生き抜いてきたかを理解することは，低温科学研究所のミッションそのものとも言える．本特集では，多岐に渡る動物の寒冷環境適応機構について，無脊椎動物
から脊椎動物まで幅広い生物種について，生態・生理機構から細胞・分子レベルの機構まで，さまざまな視点で研究し活躍してきた方々に，最近の研究成果を取り入れた解説記事を執筆していただいた．これにより本特集は，他に類をみない，多様な視点から動物の寒冷適応戦略を俯瞰する解説集となった．編集委員一同，ご寄稿頂いた著者の方々に感謝するとともに，本特集が，幅広い興味を持つ読者の方々の理解の一助となり，新たな研究展
開やさらなる発展の契機となれば幸いである．
「低温科学」第 81 巻編集委員会
編集委員長：山口良文（北海道大学・低温科学研究所)
編集委員：落合正則（北海道大学・低温科学研究所)：曽根正光（北海道大学・低温科学研究所)：山内彩加林（北海道大学・低温科学研究所)

目次
はじめに
第一章：変温動物
ニカメイガ越冬幼虫における凍結障害回避機構

泉 洋平

1

宇高 寛子

11

山城 芹奈，寺西 宏顕，本村 晴佳，太田 茜，久原 篤

19

ナメクジ類の越冬戦略
線虫 C. elegans の低温耐性・馴化における全身周回性の神経回路による腸の脂肪蓄積の制御

膜脂質を介する低温適応の新規メカニズムの発見：細胞自律的な細胞内温度制御
村上 光，長尾 耕治郎，梅田 眞郷

27

山内 彩加林，津田 栄

37

不凍タンパク質の構造と機能

津田 栄，新井 達也

51

メダカに学ぶ脊椎動物の冬季適応戦略

中山 友哉，吉村 崇

61

齋藤 茂

71

冬眠しないトガリネズミの越冬戦略

大舘 智志

81

コウモリの越冬生態 ─冬のエネルギー配分に関わる多様な行動特性と気候変動の影響について─

佐藤 雄大

89

哺乳類の寒冷適応における褐色脂肪組織の役割

加藤(鈴木) 美羅，岡松 優子

99

概日時計の温度補償性と Ca2＋ シグナルの役割

金 尚宏，榎木 亮介

109

塚本 大輔，高松 信彦

119

堀井 有希，椎名 貴彦，志水 泰武

131

小野 宏晃，砂川 玄志郎

141

渡邊 正知，田村 豊

149

曽根 正光，山口 良文

159

クマ類の冬眠 ─繁殖との関係─

坪田 敏男

173

クマの冬眠の生理・代謝機構 ～如何に太り，如何に痩せるか～

下鶴 倫人

181

ツキノワグマにおける冬眠期の筋肉量維持機構の探索

宮﨑 充功

191

東城 幸治，竹中 將起

199

昆虫由来不凍タンパク質の氷結晶結合機能と細胞保護機能

脊椎動物における温度受容機構の進化的変化と環境適応のつながり

第二章：恒温動物（哺乳類）

シマリスの冬眠の分子生物学的研究
実験室における哺乳動物の冬眠・休眠誘導
人工冬眠の実現にむけた休眠研究の取り組み
シリアンハムスターの冬眠を制御する中枢神経機構
冬眠哺乳類の細胞はいかにして低温ストレスに対処するか？

世界最寒冷地に生息するサル類・上高地のニホンザル群で進化した水生昆虫や魚類の捕食行動

低温科学 81 （2023） 1-9
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 1

ニカメイガ越冬幼虫における凍結障害回避機構
泉 洋平1)
2022 年 12 月 8 日受付，2023 年 1 月 10 日受理

ニカメイガは秋期の日長の短縮に反応して終齢幼虫で休眠に入り，その後の低温により凍結耐性を獲得する．これにより，－25℃の低温にさらされて体液が凍結しても生存することが可能となる．低温順化によりニカメイガ越冬幼虫は体液中にグリセロールを蓄積しており，凍結時にアクアポリンを介して細胞内の水と体液中のグリセロールの速やかな置換を行うことで，凍結耐性をもつ昆虫種であっても致死的となる細胞内凍結を回避している．この凍結障害回避機構は，休眠とその後の低温順化がなければ発現することはなく，グリセロール存在下であっても，非休眠幼虫や低温順化を受けていない休眠幼虫の組織では凍結障害を回避できない．

Freezing damage avoidance mechanism of overwintering larvae of ricestem borer, Chilo suppressalis Walker.
Yohei Izumi1
Overwintering larvae of the rice stem borer, Chilo suppressalis obtain freezing-tolerance to about -25℃ by theaccumulation of glycerol in the hemolymph. However, non-diapausing larvae (in the summer season) cannot survive
freezing. To prevent intercellular freezing, which causes death in overwintering larvae, water leaves and glycerol
enters fat body cells through water channels ‘aquaporin’ during freezing. Fat body tissue isolated from non-acclimateddiapausing and non-diapausing larvae cannot avoid freezing injury even when glycerol is present. Only fat body tissue
isolated from cold-acclimated diapausing larvae can avoid freezing injury in the presence of glycerol. Moreover, inradiotracer experiments, water and glycerol displacement is observed only in cold-acclimated diapausing larvae.
Therefore, in larvae of the rice stem borer, both diapause and cold-acclimation are essential to accumulate glycerol andactivate aquaporin for the avoidance of freezing injury.
キーワード：ニカメイガ，耐凍性，休眠，低温順化，アクアポリン
Chilo suppressalis, freezing-tolerance, diapause, cold-acclimation, aquaporin

1. はじめにつ昆虫の多くはさらに寒さの厳しい地域に生息している．凍結耐性を持つ種が冬期の低温が厳しい地域に多く昆虫の低温耐性は体液が凍結しても耐えることのでき

分布していることから，凍結耐性の獲得が厳しい低温でる凍結耐性と，凍結しないように過冷却点を下げる凍結の生存に有効であると考えられるが，同じ地域には非常回避性の 2 つに分けることができる（Storey and Storey,に低い過冷却点をもつ凍結回避性の種も存在するため，

1992; Bale, 2002; Danks, 2005）．温帯および寒帯に生息

冬期の低温にどちらの耐性がより適応的であるかといっしている昆虫の多くは凍結回避性であり，凍結耐性をもた結論は未だ出ていない．

連絡先
泉 洋平
島根大学生物資源科学部〒690-8504 島根県松江市西川津町 1060
Tel. 0852-32-6527

e-mail：yohei@life.shimane-u.ac.jp⚑) 島根大学生物資源科学部
Faculty of Life and Environmental Science, Shimane
University, Matsue, Japan

泉 洋平

2

凍結回避性の昆虫にとって凍結は致命的であるため，は温帯域に生息する昆虫では珍しく凍結耐性をもっていこれらの種は過冷却点を下げることにより，組織及び体るといえる．しかし，夏期に生育する第 1 世代幼虫は，液の液相を維持している（Salt, 1936）．過冷却能力は，短日による休眠誘導を受けないために非休眠であり，本トレハロースなどの糖や，グリセロールなどの糖アル幼虫を低温にさらしても，グリセロールを蓄積すること

コールの蓄積により増強され，多くの場合厳寒期に最もはできず凍結には耐えることはできない（積木 1998）．

高い過冷却能力を示す（Sø mme, 1982）．また，不凍タ
ンパク質も過冷却点の低下および過冷却状態の安定に関与していると考えられている（Zachariassen and Husby,
1982）．

2. 凍結障害回避におよぼす細胞膜の水とグリセ
ロール輸送の役割

凍結耐性の昆虫も凍結回避性の昆虫と同様に越冬時にPolge ら（1949）によるグリセロールの凍結障害防御

糖や糖アルコール，不凍タンパク質（山内の稿参照）を効果の発見以来，細胞の凍結障害の発生機構と凍結保護

体内に蓄積するが，その役割は異なると考えられている．

物質の作用が多くの研究者によって研究されてきたが，凍結耐性を持つ昆虫は氷核物質を持っており，それらがまだ充分に解明されていない．それは，凍結による溶液

氷点下の比較的高い温度での体液の凍結を誘導するの物理的変化には一定の法則性があるが，細胞の性質は（Zachariassen and Hammel, 1976; Duman, 2001; Bale,

組織によって異なり，凍結に対する感受性が大きく異な2002）．昆虫の氷核物質は大きく内因性氷核と外因性氷るため，凍結障害の発生機構と凍結保護物質の作用に一核に分類される．内因性氷核には昆虫自身が生成する氷定の法則性を見いだすのが難しいためと考えられている

核タンパク質や氷核リポタンパク質が，外因性氷核には（Lovelock, 1953; Doebbler, 1966; Takahashi & Hirsh,

消化管内の食物残渣，
氷核活性をもつ微生物などがある．

1985）．冷却速度を速くすると細胞は細胞内凍結を起こ

これらの氷核物質を用いて，凍結耐性を持つ昆虫は体液しやすくなる（Mazur, 1984）．これは，冷却速度が早いの凍結を誘導するため，凍結耐性を持つ昆虫の不凍タンと細胞内の水の多くが細胞内に残って過冷却され，そのパク質は，凍結回避性の昆虫の不凍タンパク質のように後の細胞外からの植氷により細胞内凍結を起こすためで過冷却点を下げることには寄与せず，融解時の再凍結にある（植氷については宇高の稿参照）．組織細胞によりよる氷結晶成長を抑制することで機能していると考えら異なるものの生存率が最も高くなる最適冷却速度が存在れている．また，糖や糖アルコールは体液中や組織内にし，最適冷却速度より早い冷却速度での生存率の低下は蓄積することで，凍結による傷害を軽減しているとされ細胞内の氷晶形成に起因すると考えられている．細胞内ている（Lee, 1991）．

の氷晶形成は，細胞内微細構造の破壊，細胞内の形態変

ニカメイガ Chilo suppressalis はチョウ目ツトガ科に化，呼吸や各種酵素活性の低下，細胞分裂能や細胞運動

属し，東南アジアから西南アジアにかけて広く分布して能の損失等を引き起こし，凍結障害を誘導する（Mazur,

おり，
日本では沖縄から北海道まで広く分布している
（積

1984）
．

木 1998）．幼虫はイネなどの茎内に潜入して食害する．

Lovelock（1953）は凍結保護物質として具備すべき条1960 年ごろまでは日本において稲作に甚大な被害をも件として，低分子であること，低温においても水溶性がたらす，最も重要なイネ害虫であった．しかし，1970 年

高く高濃度に濃縮可能であること，毒性が少ないこと，

代以降は急激に密度が低下し，現在では一部の地域を除細胞内に容易に透過しうることを提案している．このよいて，水田内での本種の捕獲は困難になっている．ニカ

うな物質は，その束一性（凝固点降下のようにその物質

メイガは基本的には年に 2 回発生する年二化の生活史をの化学的組成には関係なく，溶質の濃度だけによって決持つが，東北地方北部や北海道では年一化の生活史を定される性質）により溶液の凍結温度を効果的に下げ，持っている．日長が短くなる秋期に休眠に入り終齢幼虫

氷晶形成量を減らし細胞内外の塩濃度の濃縮を抑える効

で越冬する．休眠誘導後の外気温の低下にともなって体果が高い．このことは，塩害説（赤血球では一定以上に内にグリセロールを多量に蓄積し，筋肉および表皮に氷

塩濃度が高まると，細胞膜脂質の一部に分解がおこり，核物質を生成することで 1 月中旬から 2 月にかけて

それにより膜透過性が増大し，融解時に溶血がおこると－25℃ も の 低 温 に 耐 え る こ と が で き る よ う に な るいう説）の凍結障害を引き起こす要因である細胞内外の（Tsumuki & Kanehisa, 1978; Tsumuki, 1990; Tsumuki &塩濃度が細胞膜を変成するほど高まらず，
最小容積説
（細

Konno, 1991; Hirai & Tsumuki, 1995）．越冬幼虫の過冷胞には収縮可能な容積に限界があり，それを超えて収縮

却点が－15℃前後であることから，ニカメイガ越冬幼虫

すると細胞膜にストレスがかかり半透性を失うというニカメイガの凍結障害回避機構

3説）における凍結障害の要因である脱水収縮が細胞が障させると凍結耐性を持つことも確認されている（Tanghe

害を受けるほどおこらないことを意味する．このようにet al., 2002）．哺乳類の卵細胞ではグリセロールに対す細胞膜を通過して拡散しうる凍結保護物質は“細胞膜透る透過性が低いためにグリセロールベースの保存液での過型凍結保護物質”と呼ばれ，グリセロールやジメチル

凍結保存の成功例は報告されていなかった．しかし，ス ル ホ キ シ ド（DMSO）が そ の 代 表 的 な も の で あ る

Edashige et al（2003）は，マウス卵細胞にアクアポリ（Shlafer, 1981）．これらはその束一性により氷晶形成量

ン-3（AQP3）を人工的に発現させることでグリセロールを抑制するとともに，凍結下での溶液の物理化学的状態

ベースの溶液での凍結保存を成功させている．AQP3 はを大きく変える．グリセロール溶液ではグリセロールの哺乳類において，水だけではなくグリセロールや尿素な濃度が高くなるに従い凍結温度が降下する．氷晶核を持ども通すことのできるアクアグリセロポリンというグ

たない溶液も－38℃に冷却されると水分子の集合によるループに属しており，卵細胞ではほとんど発現しておら均質的氷晶核（homogeneous ice nuclei）が形成されて凍ず，凍結耐性の高い桑実胚（受精卵が細胞分裂を繰り返結を開始するが，グリセロールの濃度が高くなるに従っし 16 個から 32 個まで分裂した状態）になると強く発現て均質的氷晶核が形成される温度も下降し，グリセロー

するようになりグリセロールの膜透過性が高くなること

ル濃度 40％では－50℃以下になる（Rasmussen & Luyet,が知られている．

1970）．このことは，細胞にとっては過冷却能力が増大

ニカメイガ越冬幼虫においても，アクアポリンを介しすることを意味し細胞内凍結が起こりにくくなることをた水とグリセロールの速やかな置換が凍結障害の回避に示している．しかし，実際には高濃度のグリセロールは重要であることが明らかとなった．死細胞を染色するト細胞にとって有害である．DMSO に比べて膜透過性がリパンブルー染色法を用いて各器官と個体死との関係を低いことから，融解時に急速な水の細胞内侵入に見合う評価したところ，凍結耐性を持たない非休眠幼虫では，だけのグリセロールの細胞外への排出がともなわず，細－10℃に 4 時間暴露すると脂肪体に大きな障害を受けた胞が膨潤して障害を受けてしまう．これらの理由から，個体が死亡することが明らかとなった．一方で凍結耐性

凍結保存におけるグリセロールの最適濃度は 10～15％をもつニカメイガ越冬幼虫を半数致死温度である－25℃程度であるとされている．

に 24 時間暴露すると，中腸に障害を受けた個体は死亡

近年，多くの研究により細胞の凍結保存を成功させる

し，受けなかった個体は生存することができる（Izumiには細胞膜を介した水と凍結保護物質の置換が重要であet al., 2005）．しかしながら，死亡個体，生存個体ともにることが明らかにされている．水と凍結保護物質の細胞脂肪体には大きな障害は見られなかった．越冬幼虫，非膜を介した置換には，浸透圧によるものと水チャネルよ休眠幼虫それぞれの脂肪体を摘出して，グレース昆虫培

るものがある．アクアポリンと呼ばれる水チャネルタン

養培地内で凍結させると両者とも大きな障害受ける．そパク質は多くの高等動物や植物で報告されている

こにグリセロールを加えると越冬幼虫の脂肪体は障害を（Maurel, 1997; Benos et al., 2001; Chumont et al., 2001）．

受けないが，非休眠幼虫の脂肪体は障害を受ける（Izumi

また，いくつかの昆虫種においても報告されている

et al., 2006）．このことは，非休眠幼虫が凍結に耐えるこ（Beuron et al., 1995; Le Caherec et al., 1996a, b;とができないのは体内にグリセロールを蓄積することがPietrantonio et al., 2000; Azuma et al., 2012）．アクアポできないためだけではなく，それを効果的に利用する機

リンは，選択的に水のみを通すものと，水と同時にグリ構を持っていないためであることを示している．また，セロールのような物質を通すものが知られている

グリセロールを添加したグレース培地に HgCl2 を加え（Tyerman et al. 2002）．アクアポリンによる水の輸送はて凍結させると，越冬幼虫の脂肪体も傷害を受ける（図塩 化 水 銀（HgCl2）に よ り 阻 害 さ れ る（Preston et al.,1）
．水銀はアクアポリンの活性を阻害することが知られ

1992）．それは，砂時計型をしているアクアポリンの最ていることから，この結果は越冬幼虫脂肪体の凍結障害も細くなっている部分に水銀分子が結合することによりの回避にアクアポリンが大きな役割を担っていることを

水の輸送を阻害すると報告されている（Murata et al.,

示唆している．

2000）．アクアポリンと凍結耐性との関連は以下に述べ［14C］グリセロールと［3H］H2O を用いた，トレーサー

るいくつかの生物種ですでに報告されている．酵母菌の実験により，冷却から凍結に至る過程における脂肪体組研究では，凍結耐性を持つ系統でのみアクアポリンが発織内の水とグリセロールの動態を調査したところ，5℃現していたと報告されている（Tanghe et al., 2002）．まで処理すると，越冬幼虫の脂肪体はグリセロールを取りた，凍結耐性を持たない系統でアクアポリンを過剰発現

込み，30 分で最大値（約 160 ng/mg）に達した．しかし，

泉 洋平

4

A

B

C

D

図 1：－20℃，2 時間処理におけるニカメイガ越冬幼虫脂肪体の傷害．
A グレース昆虫培養培地，B グレース昆虫培養培地＋グリセロール，C グレース昆虫培養培地＋グリセロール＋ HgCl2，D グレース昆虫培養培地＋グリセロール＋ HgCl2 5℃処理．
（Izumi et al., 2006 より引用）

HgCl2 を添加した培地では 5℃で 120 分処理してもほとク質の季節変化では，厳寒期にむけて膜画分におけるんど取り込まなかった．非休眠幼虫の脂肪体では HgCl2

AQP3 様タンパク質の量が増加することも明らかにされの添加に関わりなく，グリセロールは脂肪体内にほぼ取ている（Philip and Lee, 2010）．以上の結果より，凍結保

り込まれなかった．また，5℃でグリセロールを取り込護物質としてグリセロールを蓄積させる昆虫種の凍結耐ませた後に－20℃まで冷却し培地を凍結させると，越冬

性にはアクアポリンが深く関わっていることが示唆され幼虫の脂肪体では細胞内の水が細胞外に流出する一方，る．

グリセロールは細胞外から細胞内に流入した．しかし，
HgCl2 を添加した培地中では，脂肪体内の水とグリセ
ロールの量はほとんど変化しなかった（図 2）．これらの3. 凍結障害回避における休眠と低温順化の役割

結果から，ニカメイガ越冬幼虫は体液中にグリセロール

いくつかの昆虫種の例外を除いて，多くの昆虫種ではを蓄積させ，凍結時にアクアポリンを介して細胞内の水

厳しい冬の寒さに耐えるためには，休眠と低温順化が不と体液中のグリセロールを速やかに置換することで，細可欠である（Denlinger, 1991; Hodkova and Hodek, 2004;

胞内凍結が引き起こす凍結障害を回避していると考えら

Danks 2005, 2006）．昆虫の主な凍結保護物質であるグれた（Izumi et al., 2006）．－50℃と非常に低い温度でのリセロールなどの糖アルコールの合成と休眠との相互関

凍結耐性を持つホシマダラバエの一種 Eurosta solidagi-

係は三つのタイプにわけられる（Sø mme, 1982）．一つ

nis においても，凍結耐性とアクアポリンとの関係が報

目は糖アルコールの合成が休眠に関係なく低温のみに告されている（Philip et al., 2008）．アクアポリンのなかよって誘導されるタイプ，二つめは外気温に関係なく休でも，水のほかにグリセロールなどの低分子の物質を通眠に入るだけで糖アルコールが合成されるタイプ，三つすことのできるアクアグリセロポリンであるヒト AQP3

めは糖アルコールの合成に休眠と低温順化の両方を必要の抗体を用いて，低温時にヒト AQP3 様タンパク質の発とするタイプである．ニカメイガでは，短日条件で誘導現量が増加することを明らかにするとともに，水銀処理された休眠幼虫を低温順化したときにグリセロールは蓄により凍結時に細胞死が引き起こされることが明らかに積されるが，長日条件で飼育した非休眠幼虫ではたとえなっている（Philip et al., 2008）．また，AQP3 様タンパ

低温順化してもグリセロールは蓄積されない（Tsumukiニカメイガの凍結障害回避機構

5

図 2：凍結時の水およびグリセロールの動態（A）水 （B）グリセロール グラフ内の垂直の破線は平均の凍結時間を示す（Izumi et al., 2006 より引用）& Kanehisa, 1980）．これらのことから，ニカメイガ幼虫

各グループの幼虫より摘出した脂肪体の－20℃におけは三つめのタイプであるといえる．しかしながら，ニカる凍結障害の程度を Table 1 に示した．グリセロールをメイガ幼虫の凍結耐性はグリセロールが存在することだ

添加していない培地で凍結させると，すべてのグループ

けでは獲得されない．

の幼虫の脂肪体は 60％以上の領域がトリパンブルーに前述したように，越冬幼虫から取り出した脂肪体は，より青く染色され細胞傷害を受けていた．グリセロール

グリセロールを添加したグレース昆虫培養培地ではを添加した培地の中で凍結させても，低温順化した非休－20℃で凍結させてもほとんど障害を受けないが，非休眠幼虫の脂肪体は HgCl2 の添加，無添加に関わらず 60％

眠幼虫の脂肪体は非常に強い障害を受ける．また，越冬以上の領域が染色された．グリセロールを添加した培地

幼虫の脂肪体では，アクアポリンの関与により凍結過程の中で，低温順化していない休眠幼虫の脂肪体を凍結す

で細胞外に水が流出し，細胞内にグリセロールが流入す

ると，約 50％の領域が染色されたが，この染色領域は非る．一方で，非休眠幼虫の脂肪体ではこのような機構は休眠幼虫と比べると有意に小さかった．一方，低温順化みられない．しかし，越冬幼虫は休眠と低温順化の両方した休眠幼虫の脂肪体はグリセロールを添加した培地のを受けているため，この凍結障害回避機構には休眠と低中で凍結させると，
ほとんど染色されなかった．しかし，温順化のどちらが重要なのか，もしくは両方が必要であ培地に HgCl2 を添加して凍結させると，低温順化しなるのかどうかは前述の実験ではわからない．そこで，凍かった休眠幼虫と同じ程度（約 50％）染色された．

結障害回避機構と休眠および低温順化との関係を明らか［14C］グリセロールと［3H］H2O を用いた，トレーサーにするために，低温順化した，または順化していない休

実験において，低温順化した休眠幼虫の脂肪体だけが，眠幼虫と非休眠幼虫の，脂肪体の凍結障害，および水と越冬幼虫の脂肪体と同様の動態を示した．低温順化しグリセロールの輸送について調査した．

た，および低温順化しなかった非休眠幼虫の脂肪体では

泉 洋平

6

表 1：様々な培地における脂肪体の凍結傷害
Blue colored area in fat body tissues (%)
Temperature
5℃

MediumNon-diapausing larvae

Diapausing larvae

Non-acclimatedCold-acclimatedNon-acclimatedCold-acclimatedGraceʼs medium

4.2±1.0a

4.0±0.5a

3.9±0.7a

3.8±0.5aGraceʼs medium with 0.25M glycerol

4.0±0.8a

4.1±0.7a

3.7±0.5a

4.0±0.6aGraceʼs medium with 0.25M glycerol

3.5±0.8a

3.9±0.6a

4.2±0.9a

3.8±0.6aGraceʼs medium

68.5±8.4c

66.7±6.4c

64.3±7.9c

65.3±9.4c

Graceʼs medium with 0.25M glycerol

65.3±7.5c

65.9±8.2c

48.4±9.8b

4.1±0.5aGraceʼs medium with 0.25M glycerol

67.4±9.8c

66.1±5.3c

50.2±7.7b

49.9±9.3b

and 0.2mM HgCl2-20℃

and 0.2mM HgCl2
平均±標準誤差，異なるアルファベットは処理間で有意差があることを示す（p＜0.05）（Izumi et al., 2007 より引用）

図 3：凍結時の水の動態（A）非休眠幼虫 （B）休眠幼虫 グラフ内の垂直の破線は平均の凍結時間を示す（Izumi et al., 2007より引用）

温度が下がるにつれて細胞内に水およびグリセロールの入が見られたが，非休眠幼虫よりも緩やかであった（図両方が急速に流入した．低温順化していない休眠幼虫の3，4）．これらの結果は，ニカメイガ幼虫における凍結障

脂肪体においても水およびグリセロールの細胞内への流害の回避機構は休眠とその後の低温順化によりもたらさニカメイガの凍結障害回避機構

7

図 4：凍結時のグリセロールの動態（A）非休眠幼虫 （B）休眠幼虫 グラフ内の垂直の破線は平均の凍結時間を示す（Izumi et al., 2007より引用）れることを示唆している（Izumi et al., 2007）．

ポリンおよびアクアグリセロポリンと推定される遺伝子

休眠に入るだけでは，脂肪体は凍結障害回避機構を獲が存在することは明らかとなっているが，残念ながら今得することができないことが明らかとなった．野外でのところ脂肪体における水とグリセロールの輸送に関与

は，
ニカメイガ幼虫の休眠は初秋に誘導され，グリセロー

するアクアポリン（アクアグリセロポリン）は特定でき

ルはその後の低温により蓄積され，幼虫の凍結耐性は体ていない．

内のグリセロール濃度の上昇とともに高くなり，1 月中
旬 に 最 も 高 く な る（Tsumuki and Kanehisa, 1978;
Tsumuki, 1990）．グリセロールは脂肪体で合成され体

4. おわりに

液中に放出され蓄積されるが，細胞膜を介した単純拡散

ここまで，ニカメイガ越冬幼虫における凍結障害の回によるグリセロールの透過性は非常に低いため，大量の避機構について，主に細胞内凍結を回避するためのアクグリセロールを体液中に放出するためには輸送する機構

アポリン（アクアグリセロポリン）を介した水とグリセが存在すると考えられる．これまでの結果から，この機ロールの置換について述べてきた．しかし，凍結耐性を構にアクアポリン（アクアグリセロポリン）が関与して持つ昆虫における凍結障害の回避はこれだけで達成されおり，凍結時にはそれが速やかな水とグリセロールの置るものではなく，低温下での細胞膜流動性の維持に寄与

換を促していると推定される．中国の研究グループによするリン脂質の脂肪酸組成の変化（Izumi et al., 2009）や，

りニカメイガの全ゲノム情報は公開されており，アクア

不凍タンパク質等による体液における氷結晶成長の抑制

泉 洋平

8

など様々な機構が組み合わさって達成されている．それ

localization of the ice-nucleating active agents in larvae of

ぞれの機構の個々の詳細な役割と発現条件，および機構

the rice stem borer, Chilo suppressalis Walker(Lepidoptera: Pyralidae). Cryobiology 32, 209-214.

同士の相互作用を明らかにすることができれば，昆虫の凍結障害回避機構に関する研究の新たな展開が期待できると考えられる．

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低温科学 81 （2023） 11-18
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 11

ナメクジ類の越冬戦略
宇高 寛子1)2022 年 12 月 27 日受付，2023 年 1 月 6 日受理

地球上のほとんどの場所で環境は季節的に変化している．冬の低温は変温動物である無脊椎動物にとって，生存に関わる重要な環境要因である．無脊椎動物の低温耐性は，節足動物，特に昆虫において広く研究されてきた．その一方で，昆虫と同様に地上で冬を過ごす陸貝，主にナメクジ類の低温耐性を含めた季節適応機構の研究は進んでいない．本論文では，著者が対象としてきたチャコウラナメ
クジでの生活史や低温耐性研究の成果および，他のナメクジ類での低温耐性研究を紹介する．

Overwintering strategy in terrestrial slugs
Hiroko Udaka1
The environment changes seasonally in most parts of the earth. Low temperature in winter is an importantenvironmental factor in the survival of invertebrates. Cold tolerance in invertebrates has been extensively studied inarthropods, mainly insects. On the other hand, the mechanisms of seasonal adaptation, including overwintering
strategy, in terrestrial mollusks, especially slugs have not been well understood. This paper introduces the researchesof life cycle and cold tolerance in the terrestrial slug, Ambigolimax valentianus. In addition, previous studies of cold
tolerance in other terrestrial slugs are briefly reviewed.
キーワード：陸貝，季節適応，光周性，温度順化，低温耐性
Terrestrial mollusks, seasonal adaptation, photoperiodic response, acclimation, cold tolerance

1. 無脊椎動物と冬外にもさまざまな段階で個体に影響を与える．冬について考えてみよう．冬の低温を生き延びる方法の一つは，

地球上のほとんどの場所で環境は季節的に変化する．

寒くならないところへ移動することである．オオカバマ

そのため，生き物が生き延び，次世代を残すためには季ダラ Danaus plexippus というチョウの成虫は，冬を越す

節に生活史を合わせることが重要となる．温度は変温動ためにカナダや北アメリカからカリフォルニアやメキシ物である無脊椎動物にとって直接生存に関わる重要な環

コシコまでを移動し，渡りをする昆虫として有名である．

境要因であり，高すぎても低すぎても不都合を起こす．

しかし，このような長距離移動によって寒さから身を守

例えば，成長の抑制，麻痺，繁殖の低下といった死亡以ることができる昆虫は一部である．ではどうするか．もう一つの冬の生き延びる方法は，寒さに耐えるしくみを

連絡先
宇高 寛子
京都大学大学院理学研究科〒606-8502 京都市左京区北白川追分町
Tel. 075-753-4097
e-mail：udaka@kingyo.zool.kyoto-u.ac.jp⚑) 京都大学大学院理学研究科
Graduate School of Science, Kyoto University, Oiwake,
Kitashirakawa, Sakyo-ku, Kyoto

もつことである．
無脊椎動物の低温耐性は昆虫において盛んに研究されてきた（Denlinger and Lee, 2010；積木ら，2010）（泉の稿参照）．昆虫はその多くが熱帯を起源とする．熱帯では温度は一年中ほぼ一定で温かい．そのような熱帯に分布していた昆虫が，温帯，さらには冷温帯へと分布を拡大するにしたがい，低温になる季節である冬と直面することになった．昆虫が氷点下の気温を移動以外の方法で

12

宇高 寛子

耐えるしくみは，凍結への耐性を基準として大きく二つ結を免れることは難しく，凍結回避型の戦略では冬に死に分類することができる．一つは凍結後も生存可能なんでしまう．そこで有効なのが，凍結しても死なないし「凍結耐性型」，もうひとつは，凍結すると死亡するが，くみ，凍結耐性をもつことである．

グリセロールなどの血中濃度を上昇させることで凝固点

ナメクジ類が凍結に耐えるしくみはどのようなものな（過冷却点）を下げ，氷点下で生存する「凍結回避型」でのだろうか．低温耐性研究が進んでいないため，残念なある．ただし，凍結耐性型であってもどのくらい長く凍

がら現在までわかっていることはごくわずかである．

結に耐えられるか，どの程度まで凍っても生きられるの

Deroceras laeve は－6℃に 1 時間曝され体内の水分のかにも幅がある．また，凍結回避型にも凝固点をどこま80％程度が凍結しても生存することができる，強い凍結で下げることができるかは種や季節，個体群などによっ耐性を持つナメクジである（Storey et al. 2007）．この D.

てさまざまである．そのため，昆虫の低温耐性はより細laeve は 30 分間の凍結を経験するとグルコース量が約

かく分類することもできる（Sinclair, 1999）．また，凍結100 倍に上昇することから，グルコースが凍結保護物質

しても生存する昆虫がいる一方で，凝固点よりもずっととして機能していると推測される．グルコースの上昇は高い温度で死亡する昆虫も多い．したがって，その生物

無酸素条件でも誘導されることから，凍結と無酸素に耐の低温耐性を論じるには過冷却点の高低のみではなく，えることには共通したシステムがあることを示していその温度が生存などとどのような関係にあるのかを知らる．特に，D. laeve は他のナメクジ類よりも湿地帯を好なくてはならない．

むことが報告されている（Rollo and Shibata 1991）．このような生息地選好性が嫌気性の代謝と凍結耐性の獲得

2. 陸生軟体動物の低温耐性に関連しているのかもしれない．Storey et al.（2007）は
D. laeve とともに，2 種のナメクジ類でも同様の実験を陸に生息する貝を総称して陸貝と呼ぶ．この陸貝のう行っている．これらの 2 種は D. laeve よりも凍結に弱ち殻を完全に退化もしくは，痕跡を体内にとどめている

く，凍結によって誘導されるグルコース上昇もわずかで生き物を「ナメクジ」，発達した殻を持つ陸貝は「カタツあったことから，グルコースは凍結保護物質として機能

ムリ」の名称で呼ばれている．ナメクジは孵化したとき

し，凍結耐性の強弱と関連があると結論づけている．

から殻はなく，カタツムリはもっている．つまり，殻は凍結保護物質の探索は他のナメクジ類でも行われてい成長とともに失ったり，得たりするものではない．カタる．ヨーロッパに生息するナメクジ類の種数は日本より

ツムリは暑さや寒さから，物理的に水分の多い軟体部をも多い．Slotsbo et al.（2012）はスカンジナビア半島で広殻で守ることができる．また，軟体部を殻に収めたあと，く見られる 3 種のナメクジ類で低温耐性を比較した．対開口部を粘液の蓋でふさげることも，低温や凍結から身象とした 3 種は，デンマークにおいて在来種の Arion

を守ることに役立つ．そのため，カタツムリでは冬には

ater，100 年ほど前に移入した外来種 Arion rufus，近年

過冷却点を下げて冬の低温を生き延びる「凍結回避型」

もっともよくみられる外来種 Arion lusitanicus と，異なが多く報告されている（Ansart and Vernon 2003）．

る来歴をもつ．日本で一般的によく観察されるナメクジ

では，ナメクジ類はどうだろうか．ナメクジが殻を無（チャコウラナメクジ）の最大体重は 2 g 程度であるが，くした利点として，殻を作るコストが不要になったこと，

この 3 種は実験に使われた秋採集個体の平均が 4～10 g

そして，湿度の保たれた狭い空間へ入ることができるこであり，大型のナメクジ類である．－1℃にナメクジをとが挙げられる．殻が無くても湿ったところに潜むこと

曝し，氷と接触させることで凍結を誘導した．2 日間，で，乾燥から身を守ることができるが，この隠れ場所の－1℃で凍結した状態であっても 3 種ともほぼ 100％の環境は冬には困ったことを引き起こす．植氷凍結であ生存率を示したことから，これらが凍結耐性を持つことる．ナメクジの体液にはさまざまな物質が含まれているがわかる．－1℃に 2 日曝されることで，A. rufus と A.

ので，凝固点降下により氷点下以下の低温でも容易に凍

lusitanicus では血中のグルコース量が有意に上昇していることはない．しかし，湿った場所で越冬する場合は，たことから，これら 2 種ではグルコースが凍結防御物質

体の周りの水は体液よりも高い温度で凍結し始める．そとして機能していると推測される．ただし，その濃度はして，体外での氷形成は，氷が無い場合よりも高い温度

他の凍結耐性を示す無脊椎動物や前出の D. laeve と比べで生物の体内での凍結を誘導する．これが植氷凍結であて低い．また，－2℃に曝した場合生存率は種によってる．昆虫においても，冬の気温が氷点下になる地域に分異なり，A. ater は 0％，A. rufus が 75％，A. lusitanicus

布する種のうち，湿った場所で越冬する種はこの植氷凍は 20％となったが，冷却する速度が速い場合は，どの種ナメクジ類の越冬13でも生存率は 0％であった．実施された実験では，在来を産出する．両性腺で作られたそれぞれの生殖細胞は，種と外来種 2 種で低温耐性に大きな違いは見られなかっ別々の管を通り体外へと排出される．雌雄同体である

たことから，著者らはこれらの 3 種がデンマークで成功

が，自家受精の度合いは種によって異なっており，交尾できるかどうかに低温耐性はそれほど重要ではないのかに よ り 他 個 体 と 精 子 交 換 が 必 要 な 種 も 多 い（South,

もしれないと結論づけている．

1992）．ナメクジ類における性成熟の季節変化を調べた

昆虫においては，さまざまな糖や糖アルコールが凍結

先行研究では，陰茎発達の有無（Kano et al. 2001），両性保護物質として機能していることがわかっている．一腺やタンパク腺（卵の外膜を作る）の重量（Sokolove &方，ナメクジ類では凍結保護物質と特定されている物質

McCrone, 1978）が主な性成熟の指標として用いられては現在のところグルコースだけであり，今後さらなる研きた．より正確を期すため両性腺の重量測定とともに，究が必要である．

パラフィン切片を作製し，両性腺内の精子形成段階や卵母細胞の大きさを調べた．その結果，大阪で梅雨や夏に

3. チャコウラナメクジの季節適応
3.1 チャコウラナメクジ

あたる 5～9 月には性成熟していないことがわかった．
性成熟個体は 10 月以降に見られるようになった（図 1）．
両性腺の体重に占める割合は 11 月をピークに徐々に

4，5 月ごろ，雨上がりの壁をはう細長く茶色いナメク

減少した．この変化は，交尾や産卵により両性腺内の精ジを見たことはないだろうか．チャコウラナメクジ

子や卵母細胞が排出された，つまり交尾や産卵がこの時Ambigolimax valentianus は,イベリア半島を原産とする期に起こっていることを示すものだと考えられた．しか体長 5 cm 前後の中型のナメクジである（Waldén, 1961）．

し，昆虫のなかには，秋までに交尾をするが，雌が産卵

日本には 1950 年代に移入したと考えられており，現在をするのは春になってから，というものもいる．そのた

国内の広い範囲でもっとも一般的にみられるナメクジにめ，性成熟をしている時期を特定したのち，さらに産卵なっている．変温動物で，しかも自力での移動能力が乏と孵化の時期を特定する実験を行った．野外個体を 9 月

しいナメクジが移入から 50 年程度で全国に分布を拡大と 10 月に採集し，野外に置いた容器で飼育し，毎日産卵したことになる．同じく第二次世界大戦後移入したアメ数を調べた．卵は別の容器で保管し，これらも親個体とリカシロヒトリというヒトリガ科の昆虫がいる．本種は同じ場所に置き，孵化までの日数を調べた．これらの実

樹木への甚大な被害が予想されたことから，その生態や験結果から，チャコウラナメクジは，秋に性成熟し，気分布がつぶさに研究された．1945 年に移入が確認され温がもっとも下がる 2 月はやや少なくなるものの秋から（Masaki, 1975），徐々に分布を拡大していったが，移入

春にかけて産卵していること，孵化は冬のはじめから春から約 70 年たった現在でもその北限は函館市周辺にとにかけて起こることが明らかになった（図 2）．

どまっている（三上ら，2018）．

温帯に生息する変温動物のうち，低温になる秋に繁殖

チャコウラナメクジはいつの間にか，ナメクジといえを開始する生き物は珍しい．冬に繁殖を避けることは他

ば茶色い細い，というほど日本中でなじみのある生き物の ナ メ ク ジ 類 で も 見 ら れ る（Rollo, 1983; Cook andとなった．その一方で，防除以外の面で研究されること

Radford, 1988; Grimm, 2001）．通常は活動が抑制されるはなく，いつ繁殖しているのか，どのようなステージで季節に繁殖をしているチャコウラナメクジは，どれほど越冬をしているのかということさえ，わかっていなかっの低温耐性を備えているのだろうか．

た．
3.2 大阪における生活史の解明
チャコウラナメクジの生活史を明らかにするため，ま4. チャコウラナメクジの低温耐性
4.1 低温耐性の測定方法ず大阪市内にある大阪市立大学（現・大阪公立大学）構

温度耐性にはさまざまな評価方法が存在する．低温耐内で野外個体の定期採集を行った．毎月，30 匹のチャコ性の研究が盛んな昆虫で見た場合，最も一般的なものはウラナメクジを採集し，体重や両性腺の発達度合いを調

特定の温度を経験させた後，一定時間後に生きているか

べた．ナメクジは活動中と休息時では体の長さは変化す

どうかという生死を基準とした評価である．生死以外るため，長さを統一的に測定することは困難である．そに，死亡しない程度の温度を用いて，低温で麻痺するまのため，体重を測定した．ナメクジ類のほとんどは雌雄で，もしくは麻痺させたのちに温度を上げ麻痺から回復

同体で「両性腺」という器官で，精子と卵母細胞の両方するまでの時間を温度耐性の指標とすることもある．低

14

宇高 寛子

図 1：大阪市におけるチャコウラナメクジの性成熟の季節変化（a）体重に占める両性腺重量の割合，（b）両性腺内に精子を持つ個体の割合，（c）両性腺内の卵母細胞の発達．
（Udaka et al., 2007 を改変）．

図 2：大阪における産卵数と孵化数の季節変化．
（a）親世代の生存曲線（線グラフ，矢印は野外個体を採集した日を示す）と 1 週間ごとの産卵数（棒グラフ）．
（b）実験時の大阪市の日平均気温と 1 週間ごとの孵化数．
（Udakaet al., 2007 を改変）．

ナメクジ類の越冬15

図 3：大阪における低温耐性の季節変化．黒丸は親世代，白丸は子世代での結果を示す．
（Udaka et al., 2008 を改変）．

温により麻痺した個体は，加温すると再び動きだす．死度を変更し，実験を実施した．各試験温度には 19～40

亡とは異なり，麻痺は可逆的な反応であるため，例えば個体を用いた．

麻痺からの回復が早い（耐性が高い）か，遅い（耐性が2003 年 8 月に実験を開始した．11 月には孵化したて低い）かによって人為的に温度耐性による選択を行い，の子世代が見られるが，十分な個体数を集めることが困

温度耐性が異なるグループを作ることで，耐性の強弱が難なため，8 月から 2 月は親世代のみを，3 月は親世代とどのようなしくみによって引き起こされるのかを探るこ

子世代の両方を，そして，4 月から 6 月は子世代のみでとができる．最も適切な評価方法は，低温が繁殖におよ耐性を測定した．繁殖時期が終わりに近づくと親世代のぼす影響を調べることだろう．例え，低温を経験した後チャコウラナメクジは小さくなり，逆に子世代のうち早一定時間は生存したとしても，まったく次の世代を作る

くに孵化した個体は成長が進む．そのため，体サイズでことができなければその低温耐性は適応的な意味がほぼ

は両世代を区別することは困難であるが，両者は体色で無いからである．ただし，結果を得るための労力が多大

見わけることが可能である．

であるためか，
実際にここまで調べている研究は少ない．

1 年にわたり調べた結果，チャコウラナメクジの低温

チャコウラナメクジの低温耐性を調べる場合，どのよ

耐性について以下のことがわかった．半数が死亡する温うな指標を採用することが適切なのだろうか．ナメクジ

度（Lt50）を見るとチャコウラナメクジは夏には致死温は，昆虫のように常に動き回っているわけでもなく，ま度は高く，秋から冬にかけて徐々に低くなっていった（図

た麻痺してもひっくり返ることもない．そのため，低温

3）．なかでも 1 月と 2 月の Lt50 は－8℃，－7.8℃と最もで麻痺しているのか，それとも単に休息しているのかを低くなった．春には世代に関係なくもっとも低温に弱く判断することが難しい．また，採集する季節によってはなった．子世代では 3 月から 5 月は徐々に低温耐性が高

未成熟個体であり，産卵数やその孵化数といった繁殖にまった．これらの野外個体での結果から，チャコウラナ

よる評価にはかなり困難であった．そこで，生存・死亡

メクジの低温耐性は季節的に変化することが明らかにを指標としてチャコウラナメクジの低温耐性について調なった．では，このような変化は，直接気温の上がり下べることとした．

がりに反応して引き起こされているのだろうか？

4.2 低温耐性の季節変化

4.3 光周性生活史の解明と同様に，約 4 週間ごとに大阪市立大学

低温耐性の上昇を誘導する環境要因の一つは温度であ

構内でチャコウラナメクジを採集した．採集後，体重をる．長期間（数日程度），死なない程度の低温にさらされ測定し 7-10 個体ずつ体重の分布が等しくなるように分ることで，さらに低い温度へ強くなる「順化」という現

け，50 ml のプラスチックチューブに入れた．試験温度

象がある．昆虫に限らずさまざまな生き物で見られる現に設定したグリセロールバスにチューブごと入れ，1 時

象であるものの，順化の具体的なしくみは低温耐性の研間後に取り出した．低温にさらしたナメクジは明期 12

究がさかんな昆虫でも解明が進んでいない．温度以外に

時間：暗期 12 時間・20℃に設定したインキュベータに維

低温耐性の高低に影響する環境要因として，日長（1 日

持し，24 時間後に生死判定を行った．25，50，75％の致のうちの明るい時間の長さ）が挙げられる．

死率（Lt25, 50, 75）が計算できるまで 1℃きざみで試験温24 時間で地球は 1 回転し，太陽の側にいるときは昼，

16

宇高 寛子

太陽と反対側になると夜となる．そして，地球は地軸を約 23°傾けた状態で太陽の周りを⚑年かけて回るため，
昼の長さは日々変化する．このように明るい，暗いの時
間は天体の運行によって決まっているため，同じ地点では年による違いはなく，規則的に変化する．また，温度の変化に先立って，日長は変化することから，変動する季節を予測するのに有効なシグナルとなる．日の長さに反応する性質を「光周性」といい，光周性は昆虫をはじめとする無脊椎動物だけでなく，鳥類，一部の哺乳類でも持つことがわかっている．温帯，冷温帯に生息する昆虫のなかには，休眠という特殊な生理状態で冬を越す．
休眠は活動には不適切な季節が始まる前に誘導される．
昆虫全体をみると，休眠は卵，幼虫，蛹，成虫のどの発達段階でも見られるが，どの段階で休眠に入るかは種によって決まっている．そして，この休眠の誘導に，光周性を示す昆虫が多数知られている（Denlinger, 2022）．
休眠をもつ昆虫種において，光周性と低温耐性の関係はやや複雑である．光周性により休眠に入ること自体が低温耐性を上昇させる場合もあるためである．
陸生軟体動物と日長の関係は，昆虫ほど注目されてこなかったが，エスカルゴとして食用になっているカタツ
ム リ Cornu aspersa や マ ダ ラ コ ウ ラ ナ メ ク ジ Limax
maximus において光周期が成長や性成熟におよぼす影
響が調べられてきた．しかし，光周性を持つことが示された種が少なく（Numata and Udaka, 2010），低温耐性に

図 4：低温耐性におよぼす光周期と温度の影響．
（Udaka et al.,2008 を改変）．

関する研究も少ないため，陸生軟体動物の低温耐性に光周期や他の環境要因が関わっているのか，という知見は時間（以下，短日条件）の 2 つの光周期条件（温度はい

かなり少ない．著者らは大阪のチャコウラナメクジの性

ずれも 20℃）で 45 日間飼育した．45 日目に光周期条件

成熟と成長が短い日長によって両性腺発達が誘導されるはかえず，温度だけ 15℃，20℃，25℃の 3 つのいずれかことを飼育実験によって明らかにしていた（Udaka andにし，さらに 15 日飼育した．飼育 60 日目に，低温耐性

Numata, 2008）．このことからチャコウラナメクジが日を測定した．測定方法は前述の野外個体と同様に，1 時長を感受するしくみを持つと言える．では，光周期は性間のさまざまな低温にさらし，24 時間後の生死を調べ成熟や成長だけでなく，温度耐性にもかかわっているのた．そ の 結 果 を 図 4 に 示 す．野 外 個 体 と 同 様 に，だろうか？

Lt25, 50, 75 を算出する予定であったが，一部生存率が逆転している温度条件があったこと，短日条件で飼育した個4.4 低温耐性に関与する環境要因

体のうち，15℃で 15 日飼育した個体は－10℃に 1 時間

チャコウラナメクジの低温耐性が季節変化することをさらされても死亡率が 75％を越えなかったが，当時研究先に示したが，Deroceras reticulatum では過冷却点が季室の設備では－10℃が設定できる最低温度だったため，

節によって異なることがわかっているものの，その変化さらに低い温度での実験を行うことができなかった．そがどのような環境要因によって誘導されているのかはわのため，野外個体とは異なるデータ表記となった．

かっていない（Storey et al., 2007）．チャコウラナメクジ

2 つの光周期，3 つの温度条件の間で耐性を比較するの低温耐性の上昇に温度順化や光周期が関与するのかをと，どの飼育温度であっても短日条件で飼育した個体の飼育個体によって調べた．研究室で得た卵を孵化させほうが，長日条件で飼育した個体よりも強い低温耐性をた．孵化後 48 時間以内の幼体を，明期 16 時間：暗期 8

示した．続いて，短日条件・長日条件それぞれで，3 つの時間（以下，長日条件）もしくは，明期 12 時間：暗期 12

順化温度条件間で比較すると，すべてではないが多くのナメクジ類の越冬

17

試験温度において，短日・長日にかかわらず 20℃よりも15℃で飼育された個体のほうが低温に強かった．これらのことから，チャコウラナメクジの低温耐性は低温への順化だけでなく短い日長によっても促進されることがわ
かった．これらの実験により，チャコウラナメクジの低温耐性が季節的に変化し，その変化には温度だけでなく日長も関与していることが明らかになった．しかし，他の多くのナメクジ類と同様，チャコウラナメクジにおける低温耐性の具体的なメカニズムの解明には未だ至っていない．
4.5 卵の低温耐性
上記の実験では，60 日飼育し成長の進んだチャコウラ
ナメクジで行ったが，晩秋と冬に産卵することから，卵図 5：温度が卵の孵化率の孵化日数におよぼす影響．
（Udakaet al., 2007 を改変）．

の状態で越冬する個体も多い．卵はどの程度の低温耐性をもっているのだろうか．飼育個体から得られた卵をクジは雪と地面の間にいる．そのため，気温は氷点下に5～25℃のさまざまな温度に維持し，孵化までの日数となっても，雪というバッファーがあるためその下の地面

孵化率を調べた（図 5）．発生は温度依存的に進むので，は約 0℃で保たれナメクジが氷点下の温度に曝される可温度が低くなるほど孵化までの日数は長くなり，5℃で能性は低い．そのため，大阪個体と札幌個体で低温耐性

は孵化まで約 120 日かかったが孵化率は約 65％であっに大きな地理的な違いは見られないかもしれない．

た．一方，25℃ではすべての卵が死亡した．この実験か

大阪と札幌の双方で，チャコウラナメクジはさまざま

ら，チャコウラナメクジの卵にとって適切な温度は 15～な発達段階で越冬するが，より寒さが厳しい地域では，20℃であり，低温よりも高温のほうが致死的であること

越冬ステージが限定される．例えば，ロシア連邦マガダがわかる．5℃よりも低温では実験を行っていないが，ンに生息する 4 種のナメクジ類では，種によって卵また

図 2（b）に示すように大阪市の冬を生き延びるには十分は成体のいずれかで越冬する．越冬ステージはそれぞれな低温耐性を持っていると言える．

の種の低温耐性および，年間を通じて温度が低く生育に時間がかかることと関連しているのだろう（Berman et

4.6 札幌市のチャコウラナメクジ

al., 2011）．

ここまで大阪市での研究について紹介してきたが，チャコウラナメクジは北海道にも生息している．－7℃
程度の低温でも生存できる低温耐性を持つため，北海道

5. さいごにでも生きられるのは不思議ではないかもしれない．しかナメクジ類には強弱はあるものの，凍結耐性を持つもし，北海道と大阪では大きく気候が異なっている．北海のがいくつか報告されており，それは湿った場所で越冬

道のほうが夏の気温は低く，
秋は早く到来する．そして，することと密接に関係しているのだろう．凍結を生き延

冬は長く続く．大阪とおなじタイミングで性成熟した場

びるしくみは，昆虫でもまだ解明が進んでいない分野で合，成熟後の産卵期間は極めて短くなり繁殖の機会が少ある．また，ナメクジ類と昆虫は同じ変温動物といってなくなる．札幌の気候にあった生活史を持っている，つも体のつくりも大きく異なる．さらに，冬の低温はナメ

まりチャコウラナメクジの生活史には地理的変異がある

クジ類には昆虫ほどの大きな分布拡大の障壁とはならなと予想された．そこで札幌市にある北海道大学構内で，いのかもしれない．ナメクジ類の低温耐性を研究するこ

定期的な採集を行い，成熟時期について調べた．その結とで，無脊椎動物の低温耐性のしくみの多様さや分布域

果，札幌市の個体は大阪市よりも 2 か月ほど早く性成熟の拡大と温度の関係について，新しい知見が得られるこを開始することがわかった（Udaka and Numata, 2010）．

とが期待される．

大阪個体と同様に卵から成体までさまざまなステージで冬を越す．札幌と大阪で低温耐性に違いがあるのかは不明であるが，札幌市の冬は積雪があり，チャコウラナメ

18

宇高 寛子

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低温科学 81 （2023） 19-26
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線虫 C. elegans の低温耐性・馴化における全身周回性の神経回路による腸の脂肪蓄積の制御
山城 芹奈1)，寺西 宏顕2)，本村 晴佳3)，太田 茜4)，久原 篤5)2022 年 9 月 26 日受付，2023 年 1 月 10 日受理

動物の寒冷適応戦略の解析モデルとして使われている線虫 C. elegans の低温応答・低温耐性に関する最新の研究を紹介する．C. elegans は，そのエレガントな姿に引けを取らないほど古典的な遺伝学に力強い長所があり，それに加えて，最新の全脳イメージングや，個体が持つ 302 個の全ての神経細胞の単一ニューロン トランスクリプトームデータベースなど，最先端の学術ソースを兼ね備える究極のモデル動物である．本稿では，C. elegans が示す低温耐性と温度馴化における，温度受容から低温耐性までの分子と組織のネットワーク機構に関する最新の知見を概説する．シンプルな動物の低温耐性から次々と見つかってきた，予期せぬ分子と組織を介した低温耐性の制御機構には，分野外の読者も興味を惹かれるであろう．

Regulation of intestinal fat accumulation by whole-body circular neuralcircuits during cold tolerance and acclimation in nematode C. elegans
Serina Yamashiro1, Hiroaki Teranishi2, Haruka Motomura3, Akane Ohta4 and Atsushi Kuhara5
As a model for analyzing cold tolerance and acclimation strategies in animals, we introduce the latest research on
cold response and cold tolerance in the nematode C. elegans. C. elegans is one of the ultimate model animals, combining
the classic strengths of powerful genetics that are second to none in its elegant appearance, with the latest scientificresources, including whole brain imaging and a transcriptome database of all 302 single neurons in the animal. This
paper outlines the recent study of the molecular and tissue networks underlying the cold tolerance and temperatureacclimation of C. elegans. Even those the person outside the field will be fascinated by the unexpected molecular andtissue-mediated regulatory mechanisms of cold tolerance that have been discovered in a simple model.
キーワード：線虫，低温耐性，温度馴化，神経回路
C. elegans, cold tolerance, temperature acclimation, neural circuit

連絡先
久原 篤，太田 茜
甲南大学理工学部生物学科〒658-8501 兵庫県神戸市東灘区岡本 8-9-1
Tel. 078-435-2539
e-mail：atsushi_kuhara@me.com（久原），o_akaneiro@me.
com（太田）⚑-⚓）甲南大学大学院自然科学研究科，統合ニューロバイ
オロジー研究所
Graduate School of Natural Science, Konan University;
Institute for Integrative Neurobiology. 1-3: These authors

are equally contributed⚔) 統合ニューロバイオロジー研究所，甲南大学理工学部
生物学科
Institute for Integrative Neurobiology; Faculty of Scienceand Engineering, Konan University⚕) 甲南大学大学院自然科学研究科，統合ニューロバイオ
ロ ジ ー 研 究 所，甲 南 大 学 理 工 学 部 生 物 学 科，PRIME，
AMED
Graduate School of Natural Science, Konan University;
Institute for Integrative Neurobiology; Faculty of Scienceand Engineering, Konan University; PRIME, AMED

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山城 芹奈，寺西 宏顕，本村 晴佳，太田 茜，久原 篤

1. はじめに
環境情報の中でも温度は常に存在するため，温度に対の接続数やパターンを調べると雄と雌雄同体で，最大で約 30％の違いがある（Cook et al., 2019）．これが雌雄同体と雄の神経情報処理の違いを生んでいる．

する応答や記憶，そして耐性の分子機構の解明は現代社

C. elegans のゲノムサイズはモデル動物の中でも特に会の重要な課題である．動物は環境中の温度に対して小さい約 100 Mb であり，1998 年に全塩基配列が決定さ様々な応答をすることで，時々刻々と変化する温度環境

れている（C. elegans Sequencing Consortium, 1998）．ゲで生存や繁栄することができる．一方で，動物の温度へ

ノム解析の結果から，全遺伝子の約 36％がヒトの遺伝子の応答や耐性の分子や組織のメカニズムには未知の点がと類似した遺伝子であったため，線虫の遺伝学的解析か残されている．本稿では，シンプルな実験動物である線ら見つかってきた遺伝子をヒトの遺伝子解析に対応付け

虫 C. elegans をモデル実験系とした，低温耐性や温度馴解析が行われることも多い．特に，線虫からヒトまで高化に関わる分子と組織のネットワークについて，最新の度に保存されているが機能が未知の遺伝子なども線虫の知見をもとに概説する．

表現型を指標に見つかってきているため，発展が期待されている（Miyara et al., 2011; Nishio et al., 2012）．雌雄

2. 線虫 C. elegans とその神経系同体の成虫がもつ 302 個のニューロンで特異的に発現している遺伝子のプロモーター DNA 配列に，緑色蛍光タ

線虫 C. elegans は，個体，細胞ネットワーク，個々のンパク質 GFP を融合し，線虫に導入することで，特定の細胞，遺伝子（分子）という 4 つの階層レベルにおいて，細胞がマークされた系統が多数作成されている．最近で生命理学の基本原理の解析に適したモデル動物である．

は，特定の細胞で蛍光タンパク質を発現させるプロモーC. elegans は，体長が約 1 mm の土壌中に生育する非寄ターを多数組み合わせて，4 色の蛍光タンパク質を発現

生性の線虫で，20℃で約 3.5 日間で卵から成虫になるたさせ，302 個の神経細胞ひとつひとつをマルチカラーとめ生活環は短い．多くの個体が雌雄同体で自家受精によ

位 置 で 同 定 で き る 遺 伝 子 導 入 系 統 が 作 成 さ れ，り増殖するため，子のゲノムは親のクローンであること

NeuroPAL（ニューロパル）系統と呼ばれている（Yeminiが多く，野生株に限らず変異体の系統維持も容易である．

et al., 2021）．この NeuroPAL 系統では，GFP 以外の蛍

さらに，0.1％の頻度で自然に出現する雄を利用して雌

光タンパク質で全細胞を色分けしていることから，発現

雄同体と交配することが可能であり，雄の発生確率も細 胞 が 不 明 な 遺 伝 子 の GFP 融 合 タ ン パ ク 質 をヒートショックなどにより高めることができる．1960

NeuroPAL の系統に発現させることで，GFP とマルチ年代から遺伝学解析の実験材料として用いられてきたたカラーで色づけられた神経細胞のパターンの重なりかめ，変異体系統のストックバンクも充実しており，遺伝

ら，目的の遺伝子がどの細胞で発現しているかを容易に学的解析に適している（Brenner, 1974）．遺伝子導入に同定することができようになった．光遺伝学による神経は，特別なベクターを必要とせず，成虫の生殖巣に特定活動の測定や操作も透明な体をもつ C. elegans においの遺伝子の ORF を含む PCR フラグメントを注入するて，極めて有用なツールである（Kuhara et al., 2011）．

だけで，その遺伝子が発現するトランスジェニック系統

NeuroPAL 系統から細胞を分離させ，それらの色分けを確立することができる．多くの場合は，およそ 1 週間を指標にセルソーターで仕分けることで C. elegans のあれば，遺伝子導入からトランスジェニック系統の確立

302 個のニューロンの大部分を個別に単離することに成までを行うことが可能である．

功している（Taylor et al., 2021）．それらの個々のニュー

C. elegans の体は透明で，雌雄同体は 959 個の体細胞ロン群から単離された mRNA を使い 1 細胞トランスクで構成されている．それらの体細胞のうち，302 個が神

リプトーム解析が行われ，302 の神経細胞のほぼすべて

経細胞（ニューロン）である．C. elegans の全身を頭部について，各単一ニューロンで発現する遺伝子の発現レから尾部までを約 3 万枚の切片にし，電子顕微鏡で写真ベルが定量化され，CenGEN（C. elegans Neuronal Geneを撮影し，コンピューター内で再構築することで，全神Expression Network）と呼ばれるデータベースが作製さ経細胞間の約 7000 個の化学シナプス及びギャップ結合

れた（Taylor et al., 2021）．CenGEN は，インターネットが明らかにされている（White et al., 1986）．C. elegans

上の WEB アプリケーションとして公開されているための神経細胞は雌雄同体では 302 個，
雄では 385 個であり，（https://cengen.shinyapps.io/CengenApp/），調べたい

雌雄同体が持っているニューロンのほとんどを雄も持っ遺伝子が発現する神経細胞のリストと，特定の神経細胞ている．一方で，各神経細胞のシナプスやギャップ結合での遺伝子発現量のリストを容易に入手することが可能

線虫の低温耐性・馴化の脳腸連関21

図 1：線虫 C. elegans の低温耐性・温度馴化
線虫 C. elegans の低温耐性と温度馴化現象．低温耐性とは 25℃で飼育された野生株はその後2℃に置かれると死滅するが，15℃で飼育された個体は 2℃に置かれても生存できる現象である．温度馴化とは 15℃で飼育された個体は 3～5 時間 25℃に置かれた後，2℃に置かれると死滅するようになる．逆に 25℃で飼育された個体は 3～5 時間 15℃に置かれた後，2℃に置かれても生存できるようになる現象である．

となっている．

死滅してしまう現象である（図 1）（Ohta et al., 2014;
Ujisawa et al., 2014）．さらに，25℃で飼育した個体を3. C. elegans の低温耐性

3～5 時間 15℃に置くことで，2℃で生存できるようになる低温馴化現象が見つかってきた（Okahata et al., 2016;

生物の低温耐性とは一般的に，通常の生育温度より低Okahata et al., 2019）．逆に，15℃で飼育した個体を 3～

温の環境でも生存できる性質のことを指す．生物の低温

5 時間 25℃に置くことで，2℃で死滅する温度馴化現象

環境に対する耐性（低温耐性）の研究は，古くから植物も見つかった（Motomura et al., 2022）．

や昆虫で行われてきた．植物にも昆虫にも共通してみら

これまでに C. elegans の低温耐性が，神経系を含む複れる低温に対する耐性機構に，生体膜の不飽和脂肪酸含数の組織による共同的な制御によって成立していること有量が多いこと（村上らの稿参照）や，細胞内にアミノが少しずつ分かってきている．低温耐性において，環境酸などの凍結しにくい物質をもつことなどがあげられるの温度情報は少なくとも頭部の 3 対の温度受容ニューロ（泉，宇高の稿参照）．C. elegans の環境の温度変化へのンである ASJ，ADL と ASG で受容される（図 2）（Kage-

応答として温度走性や，高温環境や低温環境に対する耐Nakadai et al., 2016; Ohta et al., 2014; Takagaki et al.,性がある（Kuhara and Ohta, 2018; Ohnishi et al., 2019;2020; Ujisawa et al., 2018）．これらの温度受容ニューロ

Ohta and Kuhara, 2013; Okahata et al., 2022; Takeishi etンは，頭部の咽頭筋付近に細胞体があり，細胞体から頭al., 2020）．そのうち，温度走性と高温耐性である耐性幼部方向に樹状突起が伸長し，その先端には感覚繊毛構造虫（ダワー）の研究は 1970 年代から研究が行われており，をもつ．ASJ，ADL と ASG は温度受容ニューロンであ長い歴史がある．C. elegans の生育温度は約 13～27℃る が，元々 は，ASJ は 光 と 化 学 物 質 を 受 容 す る 感 覚

で，それよりも高温になると大部分の個体がダワー耐性

ニューロンとして，ADL と ASG は化学受容ニューロン

幼虫になる．耐性幼虫では体は細く，活動が鈍くなりエとして知られていた．

ネルギー状態も低くなる．その一方で，C. elegans の低温度受容ニューロン ASJ における温度受容体は未同

温耐性と温度馴化の主要な研究は 2010 年代以降のもの

定であるが，ASJ で受容された温度情報は，ASJ の感覚であり，比較的新しい研究分野である（Okahata et al.,

繊毛に局在している 3 種類の三量体 G タンパク質2022; Takeishi et al., 2020）．C. elegans の低温耐性とは，

ブユニット（GPA-3，GPA-13，GOA-1）を介して伝達

例えば，15℃で飼育した個体は 2℃で 48 時間の低温にもされ，それらが cGMP 合成酵素であるグアニリル酸シク耐えられるが，25℃で飼育した個体は低温に耐えられず，

ラーゼ ODR-1 を活性化し，ASJ 内の cGMP 濃度が上昇

サ22

山城 芹奈，寺西 宏顕，本村 晴佳，太田 茜，久原 篤

図 2：低温耐性に関わる温度受容ニューロン
頭部に存在する 3 対の温度受容ニューロン ASJ，ADL そして ASG が低温耐性に関わる．ASJ では，未同定の温度受容体で受容された温度情報が三量体 G タンパク質 サブユニット（G ）を通して伝達され，グアニリル酸シクラーゼを活性化することで，cGMP 依存性チャネル（TAX-4/TAX-2）を開口させる．これにより ASJ が活性化され，ASJ のシナプスからインスリンが分泌されることで低温耐性を負に制御する．ADL では，温度感受性
TPR チャネルである OSM-9 と OCR-2 が温度受容体として機能し，低温耐性を負に制御する．ASG ではメカノ
受容体 DEG/ENaC である DEG-1 が温度受容体として働き，低温耐性を正に制御する．

すると cGMP 依存性チャネル TAX-4/TAX-2 を開口さいる（Ohnishi et al., 2020）．ASG 温度受容ニューロンでせることで，細胞内に陽イオンを流入させ，ASJ が活性は，DEG/ENaC タイプのメカノ受容体である DEG-1 が化する（Ohta et al., 2014; Ujisawa et al., 2016）．ASJ の活温度を受容し，低温耐性を正に制御している（Takagaki

動依存的に，ASJ のシナプスからインスリン様タンパク

et al., 2020）．さ ら に，ヒ ト の DEG/ENaC で あ る質（DAF-28 と INS-6）が分泌される．これらのインス

MDEG1 も温度を受容していたため，線虫の研究からヒリン様タンパク質は，腸や神経系にあるインスリン受容トの新たな温度受容体が見つかってきた（Takagaki et

体 DAF-2 によって受容されることで，低温耐性を負に

al., 2020）．

制御する（Ohta et al., 2014）．また，インスリン経路の下流において，腸からステロイドホルモンを介して精子関連細胞へ情報が送られ，精子が何らかの機構を介して温度受容ニューロン ASJ の神経活動を負にフィードバッ

4. 温度馴化を促進する全身周回性の神経回路の同定ク制御していることが見つかっている（Sonoda et al.,

これまでの低温耐性を指標とした解析から温度受容2016）．ADL 温 度 受 容 ニ ュ ー ロ ン で は，温 度 感 受 性

ニューロンにおける新規の温度受容機構が次々と見つ

TRP チャネルである OSM-9 と OCR-2 が温度受容体とかってきたが，その一方で，温度受容ニューロンで受けして機能する（Ohnishi et al., 2020; Okahata et al., 2019;

取られた温度情報が，どのような下流の神経ネットワー

Ujisawa et al., 2018）．一方で，OSM-9/OCR-2 の温度受クに影響を与え，それがどの組織を制御することで低温容能は従来知られている温度感受性 TRP チャネルの約耐性および温度馴化の獲得や欠失が起こるのかに関して

1/10 しかないため，他の温度受容体の存在も考えられては未知の点が残されていた．そこで，ここからは，温度

線虫の低温耐性・馴化の脳腸連関23

図 3：温度馴化促進の神経回路と神経活動の測定（A）温度馴化を促進する神経回路の模式図．転写因子 CREB が ASJ 温度受容ニューロンと RMG 介在ニューロンで機能
し，温度馴化の制御に関わる．ASJ 温度受容ニューロンから，PVQ 介在ニューロンを介して RMG 介在ニューロンに温度情報が伝達される．PVQ 介在ニューロンから RMG 介在ニューロンへの情報伝達はグルタミン酸によって行われる．
（B）PVQ 介在ニューロンの神経活動の測定結果．tax-4 変異体の PVQ の神経活動は顕著に低下するが，ASJ 感覚ニューロンに tax-4 cDNA を特異的に導入した系統（tax-4;Ex[trx-1p::tax-4 cDNA]）では，神経活動が野生株の PVQ と同じレベル に 回 復 す る．実 験 に は 23℃ で 飼 育 し た 系 統 を 使 用 し た．カ ル シ ウ ム イ ン ジ ケ ー タ ー に は イ エ ロ ー カ メ レ オ ン（ycx2.60）を用いた．個体数 ≥11．
（Motomura et al., 2022）（C）RMG 介在ニューロンの神経活動の測定結果．RMG のグ
ルタミン酸受容体（GLR-4，GLR-5）をノックダウンした系統の RMG は高温時の神経活動が野生株よりも低下していた．
実験には 15℃で飼育した系統を使用した．カルシウムインジケーターにはイエローカメレオン（yc3.60）を用いた．個
体数 ≥18（Motomura et al., 2022）．

馴化に関する新規の神経回路と，その回路が腸の脂肪のする様々なプロモーターを用いて，crh-1 変異体の特定

貯蔵・動員を調整することで低温耐性と温度馴化が変化の細胞に crh-1 遺伝子を発現させ，温度馴化遅延が回復することを示した最新の論文を概説する（Motomura et

するか検討した．その結果，頭部の ASJ 温度受容ニューal., 2022）．

ロンと RMG 介在ニューロンで同時に crh-1 遺伝子を発低温耐性と温度馴化に神経系が関わることから，C.

現させた crh-1 変異体において正常な温度馴化が見られ

elegans からヒトまで広く保存され，記憶・学習に関わるた．しかし，crh-1 変異体の ASJ もしくは RMG のどち

転写因子である CREB（cAMP response element bind-

らかに crh-1 遺伝子を発現させた系統では，温度馴化遅ing protein）が低温耐性と温度馴化に関わるかを調べた．

延は回復しなかった．これらのことから，野生株におい

CREB の機能が欠損した crh-1 変異体では，低温耐性はて，ASJ 温度受容ニューロンと RMG 介在ニューロンに正常であったが，温度馴化が遅れていた．15℃で飼育しおける CREB の機能が温度馴化に必須であることが分た crh-1 変異体を 3 時間 25℃においても，生存率は約かった（図 3A）
（Motomura et al., 2022）．

50％に留まり，生存率が 0％に近づくには 18 時間要し

遺伝子によってコードされるカルシウムインジケーた．つまり，CREB の異常により温度馴化が遅れていた．

ターを使い，ASJ 温度受容ニューロンの温度応答性をカ

crh-1 変異体の温度馴化の遅延が，どの組織におけるルシウムイメージングで測定したところ，CREB は過去

crh-1 遺伝子の異常によってもたらされているかを解析の飼育温度に依存して ASJ の温度感受性を変化させてした．具体的には，特定の細胞でのみ遺伝子発現を誘導いた．ASJ 温度受容ニューロンと RMG 介在ニューロン

24

山城 芹奈，寺西 宏顕，本村 晴佳，太田 茜，久原 篤

は共に頭部に存在するが，ASJ と RMG はシナプスやを 分 解 す る こ と が 報 告 さ れ て い た（Palamiuc et al.,

ギャップ結合で直接繋がっていないため，神経回路レベ

2017）．そこで，それらの変異体の温度馴化を解析した

ルでの解析を進めるためには，ASJ と RMG の間を仲介

ところ，flp-7 変異体と npr-22 変異体において crh-1 変

す る ニ ュ ー ロ ン を 探 し 出 す 必 要 が あ っ た．ASJ と も異体と同様の温度馴化の遅延が見られた（Motomura et

RMG とも接続しているニューロンを線虫の神経回路

al., 2022）．

データベースから絞り込み，それらのニューロンにシナ

頭部の RMG 介在ニューロンの下流でこの神経ペプチ

プス伝達を過活性化させることができるプロテインキ

ド FLP-7 の分泌が行われているかを調べるために，flp-

ナーゼ C（TTX-4/PKC-1）の構成的活性化遺伝子を導7 変異体の RMG 特異的にグルタミン酸受容体 GLR-4

入した．その結果，尾部にある PVQ 介在ニューロンがと GLR-5 を機能低下させる解析が行われた．この系統

過活性化している変異体において，温度馴化に異常が見で は，野 生 株 の RMG 介 在 ニ ュ ー ロ ン で GLR-4 とられた．さらに，尾部の PVQ 介在ニューロンは，線虫

GLR-5 を機能低下させた変異体と同様の温度馴化異常

全体を温度刺激した際に神経活動が上昇した．この尾部を示したことから，神経ペプチド FLP-7 は RMG 介在

PVQ の温度応答は，頭部の温度受容ニューロン ASJ のニューロンの下流で分泌されていると考えられた

温 度 受 容 情 報 伝 達 に 必 須 の cGMP 依 存 性 チ ャ ネ ル（Motomura et al., 2022）．

TAX-4 の変異体で低下していたことから，頭部の ASJ

神経ペプチド FLP-7 とその受容体 NPR-22 が温度馴

温度受容ニューロンが尾部の PVQ 介在ニューロンを活化に関与していたことから，NPR-22 の下流で活性化す性化することが示唆された（図 3B）（Motomura et al.,

るトリグリセリドリパーゼ ATGL-1 の解析を進めた．

2022）
．

ATGL-1 は，脂肪滴の表面に存在する．脂肪滴に保持さ

次に尾部の PVQ 介在ニューロンと頭部の RMG 介在れているトリアシルグリセロールをジアシルグリセロー

ニューロンの関係を調べた．PVQ 介在ニューロンは神ルと遊離脂肪酸に分解するリパーゼである．ATGL-1

経伝達物質であるグルタミン酸を産生するニューロンでは腸で発現しており，atgl-1 遺伝子は 15℃飼育時よりもある．PVQ のシナプス小胞にグルタミン酸を取り込む

25℃飼育時の方が高レベルで発現していた．ATGL-1

小胞性グルタミン酸輸送体 EAT-4 の機能が低下する変は脂肪を分解する活性を持つため，Oil Red O 染色と呼異 体 で は，温 度 馴 化 が 異 常 で あ っ た．同 様 に，頭 部

ばれる中性脂肪を赤色に染める色素を用いて，飼育温度

RMG 介在ニューロンで発現するグルタミン酸受容体の違いによる腸の脂肪量の変化を測定した．その結果，

GLR-4 と GLR-5 の変異体においても温度馴化の異常が野生株では 15℃飼育時よりも 25℃飼育時の方が腸の中

見 ら れ た．さ ら に，RMG 介 在 ニ ュ ー ロ ン に お い て

性 脂 肪 の 量 が 少 な か っ た．こ れ は 25℃ 飼 育 時 に

GLR-4 と GLR-5 の発現を抑制したところ，高温下で野ATGL-1 の発現が増加し，腸の中性脂肪が分解されたた生株よりも温度刺激時の RMG の神経活動が低下していめであろう（Motomura et al., 2022）．

た（図 3C）．これらのことから，尾部の PVQ 介在ニュー本稿で紹介した最近の研究成果から，温度受容ニュー

ロンはグルタミン酸を介して頭部の RMG 介在ニューロ

ロンを始点に，高温飼育下で頭部→尾部→頭部と全身をンに温度情報を伝達していることが分かった．つまり，周回する神経回路が腸に働きかけ，脂肪量を減少させる

頭部の ASJ 温度受容ニューロンが温度を受容すると，ことが，線虫における飼育温度に依存した低温耐性の変

その情報は尾部の PVQ 介在ニューロンを介して，頭部化に重要であると示唆された（図 4）．

の RMG 介在ニューロンに伝達されることが示唆された（図 3A）（Motomura et al., 2022）．

5. 飼育温度によって変化する腸の脂質含量

6. おわりに
本稿では，線虫 C. elegans の低温耐性と温度馴化について，過去の知見と最新の研究を紹介した．特に最新のRMG 介在ニューロンの下流でどのような生理的変化

全身周回性の神経回路による脳腸連関が低温耐性に関わが引き起こされ，個体の温度馴化に繋がっているのかがるという発見は，低温生物学に限らず脳腸連関の研究分

次のクエスチョンであった．近年，線虫の寿命や摂食に野においても重要な知見になるであろう．一方で，分子関する腸の代謝の仕組みとして，神経ペプチド FLP-7

機構に関してはまだ多くのクエスチョンが残されていと腸にある神経ペプチド受容体 NPR-22 が，腸内のトリる．例えば，頭部の ASJ 温度受容ニューロンと RMG 介

グリセリドリパーゼ ATGL-1 を活性化し，腸内の脂肪在ニューロンにおける転写因子 CREB の標的遺伝子に

線虫の低温耐性・馴化の脳腸連関25

図 4：温度馴化を制御する飼育温度依存的な脳腸連関の神経回路モデル
ASJ 感覚ニューロンが温度を受容すると，PVQ 介在ニューロンからグルタミン酸を介して RMG 介在ニューロンへと情報が伝達される．温度情報を受け取った RMG は神経ペプチド FLP-7 の分泌を促し，それが腸にある受容体 NPR-22 で受容される．NPR-22 は腸のトリグリセリドリパーゼ ATGL-1 を活性化し，腸の脂肪分解が促進される（Motomura et al., 2022）．

関しては，未知であるため，次世代 DNA シーケンサーを用いたトランスクリプトーム解析が突破口を開く可能性がある．神経ペプチド FLP-7 の分泌細胞は不明のままであることから，どのような細胞であるか，そしてその生理的機能についても興味が湧く．さらに，温度受容ニューロン ASJ と ADL における温度受容体の同定に

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も大いに興味が湧く．線虫からヒトまで保存された生体

Kage-Nakadai, E., A. Ohta, T. Ujisawa, S. Sun, Y. Nishikawa,
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調節機構は多数存在するため，今後の本研究分野の発展

homologue of Prox1/Prospero is expressed in the glia andに期待する．

is required for sensory behavior and cold tolerance. Genes
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Kuhara, A., N. Ohnishi, T. Shimowada and I. Mori (2011)

7. 謝辞
本稿で紹介した研究は，甲南学園平生太郎基金科学研
究奨励助成，木下記念事業団，内藤記念科学財団，武田科学振興財団，鈴木謙三記念医科学応用記念財団，G7 財団 PRIME AMED（マルチセンシング領域），日本学術振興 会 KAKENHI（22H05512; 21H02534; 21K19279; 21K
06275; 21J20026），持田記念医学薬学振興財団，光科学技術研究振興財団，島津科学技術振興財団，旭硝子財団，
ブレインサイエンス振興財団の支援により行われた．

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低温科学 81 （2023） 27-36
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 27

膜脂質を介する低温適応の新規メカニズムの発見：
細胞自律的な細胞内温度制御
村上 光1)，長尾 耕治郎2)，梅田 眞郷3，4)2022 年 12 月 15 日受付，2023 年 1 月 10 日受理

温度は，生物にとって最も身近な環境因子の一つであり，生命活動に強く影響する．そのため，動物は自らの体温を調節する様々な手段を獲得することにより，環境に適応してきた．しかしながら，生命の最小単位である個々の細胞における温度制御の実態は長らく不明であった．我々は近年開発された細胞内温度計測技術を駆使し，ショウジョウバエ培養細胞内の温度がミトコンドリア熱産生により維持されていること，この現象に生体膜の流動性の制御に必須であるΔ9 脂肪酸不飽和化酵素
DESAT1 が寄与することを見出した．今回の発見から，我々は「生体膜を介する細胞自律的な細胞内温度制御」という生命における温度制御の新規メカニズムを提唱した．

A novel membrane-mediated mechanism for cold adaptation throughthe cell-autonomous control of intracellular temperature
Akira Murakami1, Kohjiro Nagao2, Masato Umeda3,4Intracellular temperature can affect a wide range of cellular functions; however, it remains unclear whether or not
the temperature of individual cells is controlled in response to fluctuations of the environmental temperature. Using
two mechanistically independent intracellular thermometers, we found that the intracellular temperature of
Drosophila cells is maintained by mitochondrial thermogenesis. Moreover, we determined that Δ9-fatty aciddesaturase DESAT1, which is essential for regulating membrane fluidity in cold environments via biosynthesis of
unsaturated fatty acids, plays a critical role in mitochondrial thermogenesis. Our findings shed light on a novel cellautonomous mechanism for intracellular temperature control during environmental temperature changes.
キーワード：細胞内温度，リン脂質，Δ9 脂肪酸不飽和化酵素，ミトコンドリア熱産生
Intracellular temperature, Phospholipid, Δ9-fatty acid desaturase, Mitochondrial thermogenesis

1. はじめに化学的因子である．近年開発された細胞内温度計測技術
は，定常状態の細胞内の温度が細胞外の温度とは異なっ

温度は，生化学反応や生体分子の動態を支配する物理ていることを実験的に示してきた（Zhou et al., 2020）
．

連絡先
村上 光
静岡県立大学薬学部 統合生理学分野〒422-8526 静岡県静岡市駿河区谷田 52-1
Tel. 054-264-5731
e-mail：murakami_a@u-shizuoka-ken.ac.jp⚑) 静岡県立大学薬学部
School of Pharmaceutical Sciences, University of Shizuoka,
52-1 Yada, Suruga-ku, Shizuoka 422-8526, Japan⚒) 京都薬科大学 薬品物理化学分野

DepartmentofBiophysical
Chemistry,
Kyoto
Pharmaceutical University, 5 Misasaginakauchi-cho,Yamashina-ku, Kyoto 607-8414, Japan⚓) ホロバイオ株式会社
HOLO BIO Co., Ltd, Katsura Innovation Park 1-36,
Nishikyo-ku, Kyoto 615-8245, Japan⚔) 同志社大学 メカノバイオロジー研究センター
Research Institute for Mechanobiology, Doshisha
University, 1-3 Tatara Miyakodani, Kyotanabe-shi, Kyoto
610-0394, Japan

村上 光，長尾 耕治郎，梅田 眞郷

28

図 1：ミトコンドリアの構造と呼吸鎖複合体による ATP 産生．CI，NADH デヒドロゲナーゼ；
CII，コハク酸デヒドロゲナーゼ；CIII，ユビキノール-シトクロム c レダクターゼ；CIV，シト
クロム c オキシダーゼ．

さらに，細胞内の温度がエネルギー代謝や細胞内 Ca2＋は動物個体における低温適応にも重要な役割を果たすと動態といった細胞内小器官の機能と連動して変動してい考えられてきた（Cannon and Nedergaard, 2004）．実際，ること，細胞内のみならず細胞内小器官内のレベルで不寒冷刺激時には脱共役タンパク質を介したプロトン漏出

均一な温度分布が存在していることも明らかになってきの促進により，熱産生が亢進されることが知られている

た（Kiyonaka et al., 2013; Okabe et al., 2012）．これらの（Fedorenko et al., 2012）．また，最近では ATP 合成と発見は，単一細胞内の温度がこれまで考えられてきたよ

共役したミトコンドリア呼吸の活性も熱産生に寄与してりも緻密に時空間的に制御されている可能性を強く示唆いることが明らかになりつつある（Rahbani et al., 2021;

していた．また，仮に 1 細胞レベルの温度が生命現象にSun et al., 2021）．このような背景から，細胞内温度計測

強く寄与しているとすると，環境温度の変化に対する細に関する先行研究としてミトコンドリアの熱産生能に着

胞内温度の制御は変温動物の生命機能のみならず恒温動目したものが多数存在し，例えば哺乳動物細胞内におい物においても末梢組織の機能の恒常性維持において必須てミトコンドリアの温度は 50℃程度と見積もられていであることが想定される．しかしながら，個々の動物細る（Chretien et al., 2018）．このような個々の細胞におけ胞が環境温度の変化に応じて細胞内温度を自律的に制御るミトコンドリア熱産生の調節メカニズムを理解するこするのかはよくわかっていなかった．

とが，細胞内温度の制御を解明する上で重要であると考

細胞内温度に影響を与える主要な細胞内小器官として，ミトコンドリアが挙げられる．ミトコンドリアは，
エネルギー産生，Caえられる．
ミトコンドリア呼吸鎖複合体を介したミトコンドリア

恒常性の維持，シグナル伝達と機能の制御因子として，ミトコンドリアの膜脂質が知らいった，幅広い生物学的プロセスに不可欠な役割を担っれている（Ikon and Ryan, 2017）．膜脂質の主成分であており，中でもミトコンドリア呼吸（酸化的リン酸化）

るリン脂質は，グリセロール骨格にリン酸ジエステルをを介するアデノシン 3 リン酸（ATP）の産生は生命活動

介して結合した親水性頭部，及びエステル結合した疎水に極めて重要である（Detmer and Chan, 2007）．ミトコ性アシル鎖（脂肪酸）から成る構造を有しており（図ンドリアは内膜と外膜の 2 つの脂質膜からなっており，

2A），ミトコンドリアリン脂質はアシル鎖に不飽和脂肪

内膜はクリステと呼ばれる特徴的な折り畳み構造を有し酸を豊富に含むことが知られてきた（Hoch, 1992）．リている（Formosa and Ryan, 2018）．このミトコンドリ

ン脂質アシル鎖における不飽和脂肪酸の含量は，様々なア内膜では，ミトコンドリア呼吸鎖複合体 I-IV による細胞機能に重要であるタンパク質-脂質相互作用，及びマトリクスから膜間腔へのプロトン輸送を介して膜を隔流動性や張力といった生体膜の物理化学的特性を規定すてたプロトン勾配が形成され，この電気化学的ポテン

る因子である（Holthuis and Menon, 2014）．一方で，膜

シャル差を駆動力として F1 Fo -ATPase がアデノシン 2の物理化学的性質は環境温度にも強く影響を受けることリン酸（ADP）を ATP に変換している（図 1）．一方で，から，リン脂質における不飽和脂肪酸含量の調節は環境

プロトン勾配の形成プロセスが ATP 合成から脱共役しの温度変化に対する細胞機能の恒常性維持（温度適応）

た場合には熱が産生され得ることから，ミトコンドリアに 寄 与 す る こ と も 想 定 さ れ て き た（Los and Murata,2＋膜脂質を介する細胞内温度制御

29

2. Δ9 脂肪酸不飽和化酵素はミトコンドリア熱
産生を介して細胞内温度の維持に関与する
我々は研究にあたり Clustered Regularly Interspaced
Short Palindromic Repeats (CRISPR)-Cas9 システムを用いて，Desat1 遺伝子欠損 S2 細胞を樹立した．同細胞はΔ9 脂肪酸不飽和化酵素活性を欠失しており，パルミト
レイン酸（C16：1）やオレイン酸（C18：1）といった不飽和脂肪酸に対する栄養要求性を示したため，血清由来の脂肪酸に加え過剰量の不飽和脂肪酸（50 M C16：1 及び 50 M C18：1）が添加された培養培地にて維持する必要があった．通常培地にて Desat1 遺伝子欠損 S2 細胞
を 16 時間培養すると，リン脂質のアシル鎖において
DESAT1 の産物である C16：1 及び C18：1 を中心とした不飽和脂肪酸の割合が減少し，飽和脂肪酸の割合は増加した．この脂肪酸組成の変化は C16：1 及び C18：1 を添加した培地で培養した際には完全に抑制された．
S2 細胞の細胞内温度を計測するために，合成高分子
型 の 分 子 温 度 計 で あ る Fluorescent Polymeric
図 2：生体膜脂質における低温応答．A，生体膜の主要構成因子 で あ る リ ン 脂 質 の 構 造（図はホスファチジルコリン（PC34：1））．B，生体膜の流動性を変化させる要因，C，Δ9
脂肪酸不飽和化酵素が触媒する化学反応．

Thermometer（FPT）を用いた（図 3A）（Hayashi et al.,2015; Okabe et al., 2012）．今回用いた FPT は細胞膜透過性を有しており，5％グルコース水溶液に溶解すると
S2 細胞内に 10 分以内で取り込まれた．まず，S2 細胞内の FPT の蛍光寿命が培養培地の温度上昇に伴い延長す

2004）（図 2B）．特に，膜流動性が低下する低温環境ではることが確認された（20℃-30℃）．そこで，通常の培養

膜リン脂質中の不飽和脂肪酸含量が増加すること，この条件である 25℃の培養培地下において，Desat1 遺伝子現象に，アシル CoA のΔ9 位に cis-二重結合を導入する

欠損細胞内の FPT の蛍光寿命を測定したところ，野生Δ9 脂肪酸不飽和化酵素が関与することがよく知られて株の値と比較して有意に短いことを見出した．また，こいる（Nakagawa et al., 2002; Tiku et al., 1996）（図 2C）．

の FPT 蛍光寿命値の低下は培養培地への不飽和脂肪酸

我々は，これまでショウジョウバエ培養細胞 S2 を用（50 M C16：1 及び 50 M C18：1）の添加，もしくは

いてΔ9 脂肪酸不飽和化酵素，並びに不飽和脂肪酸を含

DESAT1 の強制発現により回復したことから，Desat1有した膜リン脂質と細胞機能との関連に関して研究を進

遺伝子の欠損が細胞内温度の低下を引き起こすことが示めてきた（Nagao et al., 2019）．S2 細胞では，生体膜脂質された．続いて，DESAT1 の薬理的阻害（SCD1 阻害剤の研究に従来用いられてきた哺乳動物細胞とは異なり，“37c”，以下 DESAT1 阻害剤と呼称）（Uto et al., 2009）がコレステロールや多価不飽和脂肪酸といった生体膜の物

S2 細胞の細胞内温度に与える影響を解析した．S2 細胞

理化学的性質に強く影響を与える脂質分子の含量が低を DESAT1 阻害剤で 16 時間処理するとリン脂質のア

く，さらにΔ9 脂肪酸不飽和化酵素として唯一 DESAT1

シル鎖における不飽和脂肪酸の含量が約 25％減少ししか発現していない．そのため，S2 細胞は膜リン脂質（Murakami et al., 2017），Desat1 遺伝子欠損の表現型とにおける脂肪酸組成の操作，並びにその細胞機能へのア

類似して生育が著しく抑制された．この DESAT1 阻害

ウトプットを解釈し易いモデル細胞であると言える．本剤の処理により，S2 細胞内の FPT の蛍光寿命は有意に

稿では，我々の最近の研究により明らかとなった，生体短縮した．この際の FPT の蛍光寿命値の変化から，

膜脂質と細胞内温度との関連について紹介する

DESAT1 の阻害による細胞内の温度変化は 4℃程度と（Murakami et al., 2022）．

見積もられた．また，この DESAT1 阻害剤による細胞内温度の低下は不飽和脂肪酸（C16：1 もしくは C18：1）の培養培地への添加によって回復した一方で，飽和脂肪30

村上 光，長尾 耕治郎，梅田 眞郷

図 3：本稿で示した細胞内温度計．A，蛍光性ポリマー温度センサー FPT．B，蛍光性タ
ンパク質温度センサー tsGFP1．

酸（C16：0）の 添 加 で は 同 様 の 効 果 は 得 ら れ ず，

析したところ，ミトコンドリア呼吸鎖複合体 I の阻害剤

DESAT1 阻害剤の高い特異性が強く示唆された．これであるロテノンにより S2 細胞内の tsGFP1-LP の蛍光強ら の 結 果 か ら，定 常 状 態 の S2 細 胞 の 細 胞 内 温 度 が度レシオ値が上昇すること，つまり細胞内温度が低下す

DESAT1 の欠失，もしくは阻害により低下することがることを見出した．このことから，S2 細胞内の温度制

明らかとなった．

御にミトコンドリア呼吸活性が強く寄与していることがまた，緑色蛍光タンパク質（GFP）をベースとした分示された．さらに，ロテノンで処理した際の tsGFP1-LP

子温度計である tsGFP を用いた細胞内温度計測も行っの蛍光強度レシオ値に関して，DESAT1 の阻害の有無

た（Kiyonaka et al., 2013）．tsGFP は GFP と Salmonella

で有意な差は見られなかったため，DESAT1 はミトコ

由来 TlpA の Coiled-Coil 領域を遺伝子工学的に融合しンドリア呼吸鎖の活性に依存して細胞内温度に影響を与て作製されたものであり，温度依存的な TlpA の構造変

えていることも示唆された．

化（ダイマー形成）に伴い GFP の蛍光スペクトル特性が遺伝子工学ベースのセンサーを用いる長所として，標変化するよう設計されている．哺乳動物における温度計

的化配列を付与することによりセンサータンパク質を容測のために開発された tsGFP1 の温度応答領域は 37℃

易かつ特異的に細胞内小器官に局在化できることが挙げ付近であり，至適培養温度が 25℃であるショウジョウバ

られる．そこで，COXVIII 由来のミトコンドリア標的

エ細胞の細胞内温度の測定には適さなかった．そこで，化配列を融合した tsGFP1-LP-mito を用いた．共焦点顕より低温域に応答するように TlpA 領域に Coiled-Coil

微鏡による観察により，tsGFP1-LP-mito とミトコンド

構造を不安定化させるプロリン変異（L137P）が導入さ

リアマーカーである Mito Tracker Deep Red が共局在すれた変異体（tsGFP1-LP）を用いた（図 3B）．tsGFP1-LP

る こ と が 確 認 さ れ た．ま た，tsGFP1-LP と 同 様 にを S2 細胞に発現させると，tsGFP1-LP は培養培地の温tsGFP1-LP-mito の 蛍 光 強 度 の レ シ オ 値（ex405 nm/

度変化に対する応答性を示し（20℃-30℃），温度上昇に

ex488 nm）は培養培地の温度変化（20℃-30℃）に応答し伴い蛍光強度のレシオ値（ex405 nm/ex488 nm）が低下た．そこで，S2 細胞におけるミトコンドリア熱産生とした．この tsGFP1-LP の蛍光強度レシオ値は DESAT1

ミトコンドリア呼吸活性との連関を検証した．まず，ロ阻害剤の処理により上昇したことから，FPT による実テノンにより tsGFP1-LP-mito 蛍光強度レシオ値が上昇

験結果，即ち DESAT1 の阻害による細胞内温度の低下

することが示され，ミトコンドリアの温度がミトコンド

が裏付けられた．また，細胞内熱産生に強く寄与するとリア呼吸により維持されていることが示された．また，報告されているミトコンドリア呼吸に着目し，ミトコン

DESAT1 阻害剤により tsGFP1-LP-mito の蛍光強度レシ

ドリア呼吸の薬理的阻害が細胞内温度に与える影響を解

オ値は上昇し，これは培養培地への C18：1 の添加によ

膜脂質を介する細胞内温度制御

31

り抑制されたことから，不飽和脂肪酸の生合成が S2 細れた．さらに，DESAT1 阻害剤により引き起こされる胞のミトコンドリアの温度を上昇させていることがわ

ミトコンドリア呼吸活性の低下や F1 Fo -ATPase 複合体

かった．以上，細胞内温度計測により，DESAT1 を介すの崩壊，さらには細胞内温度の低下も抑制されていた．

る不飽和脂肪酸の産生が，ミトコンドリア呼吸を介した一方で，OPA1 の発現レベルは DESAT1 の阻害による細胞内温度維持のメカニズムに関与していることが明ら影響は見られなかったため，DESAT1 を阻害した細胞かとなった．

群におけるクリステ形成の不全は OPA1 の発現低下により生じたわけではないこともわかった．これらの結果

3. Δ9 脂肪酸不飽和化酵素はミトコンドリア膜
脂質の制御によりミトコンドリア熱産生を制御する
ここまでの結果から，ミトコンドリアにおける呼吸とから，DESAT1 はミトコンドリア内膜のクリステ構造の制御を介して F1 Fo -ATPase を制御することにより，定常状態の S2 細胞の細胞内温度を制御することが示された（図 4A）．

熱 産 生 と の 関 連 に 焦 点 を 絞 り，こ れ ら に 対 す る

DESAT1 は，一価不飽和脂肪酸を産生するΔ9 脂肪酸

DESAT1 の寄与を評価した．ミトコンドリア呼吸の活

不飽和化酵素であることから，DESAT1 によるミトコ性の指標であるミトコンドリア膜電位，及び酸素消費速

ンドリア膜脂質の制御を調査した．まず，C 末端に HA度を解析したところ，DESAT1 が ATP 合成と共役したタグが付加された DESAT1（DESAT1-HA）の細胞内局

ミトコンドリア呼吸に寄与すること，これにより S2 細在を解析したところ，哺乳動物や酵母のΔ9 脂肪酸不飽

胞内のミトコンドリア膜電位，並びに細胞内温度が維持

和化酵素に関する先行研究の結果と一致して（Kato et

されていることが示された．さらに，タンパク質複合体

al., 2006; Tatzer et al., 2002），小胞体（ER）マーカー（Bip-を解析できる Blue native-polyacrylamide gel electropho-

GFP-KDEL）と の 共 局 在 が 観 察 さ れ た．一 方 で，

resis（BN-PAGE）により，DESAT1 を阻害した細胞群

DESAT1-HA は，ミトコンドリアマーカー（Mito-EGFP）に お い て ミ ト コ ン ド リ ア の ATP 合 成 を 司 る F1 Fo -にも極めて近接しているようにも見られた．これを裏付

ATPase の複合体が崩壊することを見出した．また，こけるように，生化学的に細胞内小器官を分画すると，の際にミトコンドリア画分における F1 Fo -ATPase 活性

DESAT1 は ER 画分というよりも粗ミトコンドリア画が低下していることも明らかとなった．

分に検出されることが判明した．続いて，この粗ミトコ

F1Fo-ATPase の構造や機能は，ミトコンドリア膜構造

ンドリア画分の脂質分子組成を三連四重極型質量分析装

と 強 く 連 関 す る こ と が 報 告 さ れ て い る（Rabl et al.,

置により解析したところ，16 時間の DESAT1 阻害剤の2009）
．そこで，透過型電子顕微鏡により S2 細胞内の微処理では，不飽和脂肪酸を含有したホスファチジルコリ

細構造を観察した．先行研究における観察結果と同様にン（PC）やホスファチジルエタノールアミン（PE）分子（Abdelwahid et al., 2007），S2 細胞において多くのミト種の含量が顕著に変化していることがわかった．特に，コンドリアは秩序だったクリステ構造を有する伸長したPC（32：2），PC（34：2），PC（36：2）のような 2 つの形態（“クリステ含有ミトコンドリア”と呼称）を呈して一 価 不 飽 和 脂 肪 酸 を 含 有 し た PC 分 子 種 の 量 はいた．一方で，乱れたクリステ構造や丸く膨潤した形態

DESAT1 阻害によりそれぞれ 90％，90％，86％減少しを有するミトコンドリアも見受けられた．このようなミた．また，PE（32：2），PE（34：2），PE（36：2）のよトコンドリアの構造と DESAT1 との関連を調査したとうな 2 つの一価不飽和脂肪酸を含有した PE 分子種の量

ころ，DESAT1 阻害剤により処理した細胞群や Desat1

も DESAT1 阻害剤により 52％，46％，44％それぞれ減遺伝子を欠損した細胞群ではクリステ含有ミトコンドリ

少した．ミトコンドリアに特有のリン脂質分子種である

アの割合が低下することを見出した．これらの結果か

カルジオリピン（CL）については，S2 細胞における主要

ら，DESAT1 はミトコンドリア内膜のクリステ構造のな CL 分子種の一つである CL（64：4）が DESAT1 の阻制御を介して F1 Fo -ATPase を制御することが想定され害により有意に減少していた．

た．ミトコンドリア内膜の制御因子として膜融合に関与する OPA1 が知られており，OPA1 の過剰発現はミトコ
ンドリアクリステ構造を強固にすることが報告されている（Civiletto et al., 2015; Varanita et al., 2015）．こ の4. 低温環境ではΔ9 脂肪酸不飽和化酵素依存的にミトコンドリア呼吸が活性化する

OPA1 を過剰発現した S2 細胞では，DESAT1 阻害剤の

DESAT1 による細胞内温度制御の生物学的意義を検処理によるクリステ含有ミトコンドリアの低下が抑制さ証する上で，環境温度の変化との生体膜脂質の制御との村上 光，長尾 耕治郎，梅田 眞郷

32

図 4：Δ9 脂肪酸不飽和化酵素による細胞内温度制御メカニズム．A，至適生育温度（25℃）
におけるミトコンドリア呼吸を介する熱産生の維持．B，低温環境（15℃）におけるミトコ
ンドリア呼吸の活性化．

関連に着目した．前述の通り，先行研究では低温曝露時

低温誘導性の膜電位上昇は F1 Fo -ATPase 阻害剤であるにリン脂質のアシル鎖における不飽和脂肪酸の含量がオリゴマイシンにより抑制されたことから，低温誘導性

Δ9 脂肪酸不飽和化酵素に依存して増加することが報告の膜電位上昇が F1 Fo -ATPase の活性に依存しているこ

されている．他方，我々は DESAT1 の過剰発現が S2 細と，また，F1Fo-ATPase によるプロトン勾配の消費が抑胞におけるクリステ含有ミトコンドリアの増加，並びに制されたことによるものではないことが示された．低温

ミトコンドリア呼吸の活性化を誘導するのみならず，ミ

曝露におけるプロトン勾配形成の動態をさらに評価する

トコンドリア温度を上昇させることを観察していた．そために，ロテノン処理後のミトコンドリア膜電位の回復

こで，低温環境では DESAT1 を介する不飽和脂肪酸の速度を解析した．まず，ミトコンドリア膜電位の回復が産生が亢進することにより F1 Fo -ATPase 依存的なミトF1 Fo -ATPase 活性依存的であることを見出した．さらコンドリア呼吸が増強されるのではないかと仮説を立てに，このミトコンドリア膜電位の回復速度が低温曝露にた．

より上昇すること，これが DESAT1 の阻害により抑制

S2 細胞を通常の培養条件よりも 10℃低い 15℃で 4 時されることが示された．これらの結果から，低温曝露時間培養すると，リン脂質アシル鎖における C16：1 の割のミトコンドリア膜電位の上昇は，F1Fo-ATPase 依存的合が低温曝露時に DESAT1 依存的に増加した．この際なミトコンドリア呼吸が DESAT1 依存的に活性化するの粗ミトコンドリア画分のリン脂質を詳細に解析する

ことにより引き起こされていることが示唆された．

と，PC（32：2），PC（34：2），PE（32：2）のような 2

最後に，低温環境下における F1 Fo -ATPase の機能やつの一価不飽和脂肪酸を含有した分子種の量が増加して構造を調査した．S2 細胞を 15℃で 4 時間培養すると，いた．これらの結果から，S2 細胞では DESAT1 を介す複合体を形成した F1 Fo -ATPase の割合が約 2.2 倍増加

るミトコンドリア膜脂質の不飽和化が低温曝露時に亢進し，ミトコンドリア画分にて検出される F1 Fo -ATPase

されることが示された．

活性が 1.4 倍程度上昇した．また，これらはいずれも続いて，この低温曝露時のミトコンドリア呼吸の活性

DESAT1 の阻害や欠損により抑制された．さらに，こを評価した．まず，DESAT1 の過剰発現の効果と同様の低温曝露時にはクリステ含有ミトコンドリアが増加すに，S2 細胞のミトコンドリア膜電位が低温曝露時に 2

ること，これが DESAT1 阻害剤処理細胞群や Desat1 遺倍に上昇することを見出した．この低温誘導性のミトコ

伝子欠損細胞では見られないこともわかった．以上，低ンドリア膜電位上昇は，DESAT1 阻害剤処理細胞や温環境では DESAT1 によるクリステのリモデリングを

Desat1 遺伝子欠損細胞では有意に抑制された．加えて，介して F1 Fo -ATPase の活性が向上し，ミトコンドリア

膜脂質を介する細胞内温度制御

33

呼吸が活性化することが示された．S2 細胞では熱産生子種のアシル鎖組成に影響していたことから，DESAT1と共役しているミトコンドリア呼吸鎖の活性が F1 Fo -はミトコンドリア内膜のリン脂質組成の制御に関与する

ATPase 依存的に制御されているという実験結果を考慮ことが強く示唆された．また，低温曝露や DESAT1 のすると，これらのデータは環境温度の変化における細胞

過剰発現はミトコンドリア呼吸活性を上昇させた一方内温度の細胞自律的な制御機構が存在することを強く示で，単に培養培地に一価不飽和脂肪酸を添加したのみで唆するものと考えられた（図 4B）．

は こ の よ う な 効 果 は 見 ら れ な か っ た．こ の 結 果 と，
DESAT1 はミトコンドリアに近接した ER 膜に局在す

5. 考察 ～膜脂質を介する細胞内温度制御～

ることを併せて考慮すると，DESAT1 は ER とミトコン
ドリアのコンタクトサイト（接触場）に局在し，ミトコ

今回，我々の研究により，Δ9 脂肪酸不飽和化酵素

ンドリアに効率よく不飽和脂肪酸を供給していることがDESAT1 がミトコンドリア呼吸を介した細胞内温度の想定される．以上，DESAT1 を介する不飽和脂肪酸合細胞自律的な制御に関与することが明らかとなった．さ成はミトコンドリア呼吸活性を細胞自律的に制御し細胞

ら に，低 温 曝 露 時 に は ミ ト コ ン ド リ ア 呼 吸 活 性 が内温度を調節することに適していると考えられた．

DESAT1 依存的に増強されることを発見した．このため，低温環境における不飽和脂肪酸を含有したリン脂質の産生は，生体膜の物理化学的な性質の制御のみならず，
低温環境に応答したミトコンドリア呼吸の向上に関与している可能性が示された．

6. 今後の展望
従来，ミトコンドリア熱産生の機構や生理的意義については，褐色脂肪細胞を含む，特異な熱産生機構を有す

先行研究では，ミトコンドリアリン脂質はミトコンド

るごく一部の細胞種で研究されてきた（Bal et al., 2012;

リア呼吸活性の極めて重要な制御因子であることが示さ

Cannon and Nedergaard, 2004; Ikeda et al., 2017）．一方

れてきた．例えば，CL 及び PE 分子種は，適切なミトコ

で，今回我々は熱産生に特化していない細胞において膜

ンドリア融合やミトコンドリア膜電位の維持に重要であ脂質を介する細胞内温度の制御機構を同定した．さらることが知られている（Brandner et al., 2005; Joshi et al.,に，低温曝露下におけるミトコンドリア膜電位の細胞自2012）．加えて，CL 分子は F1Fo-ATPase に直接結合し，律的な上昇は，ヒト由来の iPS 細胞より分化した培養神

これが F1 Fo -ATPase の複合体形成に必須であることも経細胞でも観察されている（Ou et al., 2018）．他生物種

報告されている（Duncan et al., 2016）．一方で，CL に関におけるさらなる解析は必要であるが，我々による研究

する先行報告では，哺乳動物細胞の CL はアシル鎖にリ

成果は細胞内温度制御の骨組みを示したと考えられる．

ノール酸（C18：2）を多く含むこと，この C18：2 に富ん我々が見出した細胞レベルでの温度調節メカニズム

だ成熟 CL がミトコンドリア機能に寄与することが示さは，個体レベルでの体温調節と如何なる関係にあるのだ

れている（Minkler and Hoppel, 2010）．今回，興味深い

ろうか．生物は自身の体温を自律的体温調節と行動性体ことに S2 細胞の主要な CL 分子種はこれらの先行研究

温調節により制御していることがよく知られているとは対照的に C18：2 ではなく一価不飽和脂肪酸（C16：（Morrison and Nakamura, 2019）．自律性体温調節は不

1 もしくは C18：1）を 4 つ含んでおり，C18：2 を含有し随意の自律的生理反応によるものであり，発汗や血管のた CL 分子は S2 細胞におけるミトコンドリア呼吸活性収縮，非ふるえ熱産生，ふるえ熱産生が具体例として挙には必須でないことが想定された．また，S2 細胞はΔ9げられる．一方，行動性体温調節は随意の本能行動によ脂肪酸不飽和化酵素を DESAT1 しか発現していない上る体温調節メカニズムであり，至適温度環境への移動やに，細胞外から血清由来の脂肪酸を取り込む能力が低い

衣類の着脱等により達成される．外温動物であるショウ

ため，リン脂質のアシル鎖に C18：2 を殆ど含有していジョウバエにおいては，主にこの行動性体温調節によっない（Matsuo et al., 2019）．これらの観察から，S2 細胞て体温が調節されている．我々は，これまでに人工的には適切なミトコンドリア機能の制御において必須な脂肪作り出した温度勾配上でのショウジョウバエ 3 令幼虫の酸を細胞外環境からの取り込みには依存せず新規合成の選好温度を指標として，行動性体温調節の分子メカニズ

みで賄えることが窺える．また，ミトコンドリアリン脂ムの解析を行なってきた．例えば，哺乳動物における肝質の組成は内膜と外膜で異なっており，内膜では CL 分

臓と脂肪組織の機能を併せ持つ脂肪体における子種が豊富であることが知られている（Paradies et al.,DESAT1 の発現を抑制すると，ショウジョウバエ個体

2014）．DESAT1 阻害は PC・PE 分子種と同様に CL 分の選好温度が高温側へシフトすることを見出している34

村上 光，長尾 耕治郎，梅田 眞郷（Suito et al., 2022）．この結果は DESAT1 の発現抑制に

mitochondrial membrane protein, affects stability andよる体温の低下を直接示すものではないが，個体レベル

assembly of inner membrane protein complexes: implica-の体温調節に DESAT1 を介する膜脂質の制御が関与することを強く示唆している．また，Transient Receptor
Potential Ankyrin 1（TRPA1）発現ニューロン等の特定の細胞において C18：2 の含量を増加させると，温度感
受性イオンチャネルの活性の変化，さらにはショウジョ
ウバエ個体の選好温度の変化が惹起されることも明らかにしている（Suito et al., 2020）．即ち，従来，低温環境における不飽和脂肪酸含量の増加は生体膜の物理化学的なtions for Barth Syndrome. Mol Biol Cell 16, 5202-5214. 10.
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性質の制御に寄与すると考えられてきたが，我々の発見

Civiletto, G., Varanita, T., Cerutti, R., Gorletta, T., Barbaro, S.,から細胞レベルでの熱産生や温度感受性イオンチャネル

Marchet, S., Lamperti, C., Viscomi, C., Scorrano, L., andZeviani, M. (2015). Opa1 overexpression ameliorates theの制御等，多様な機序による体温制御に関わる可能性が示されている．
今回の我々の研究では，ショウジョウバエ細胞をモデルとした解析によりΔ9 脂肪酸不飽和化酵素依存的な細胞内温度メカニズムが同定された．その一方で，本メカニズムの構成因子は広い生物種の細胞に存在している．
例えば，哺乳類における主要なΔ9 脂肪酸不飽和化酵素ホモログである SCD1 は生体内にてユビキタスに発現し，不飽和脂肪酸生合成の中心を担う分子である．つまphenotype of two mitochondrial disease mouse models. Cell
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り，今回示されたようなΔ9 脂肪酸不飽和化酵素依存的

1608396113.
Fedorenko, A., Lishko, P. V., and Kirichok, Y. (2012).

なミトコンドリア熱産生の制御は，ショウジョウバエ細Mechanism of fatty-acid-dependent UCP1 uncoupling in

胞のみならず哺乳動物細胞を含む幅広い細胞種におけるbrown fat mitochondria. Cell 151, 400-413. 10.1016/j.cell.

低温適応に寄与する可能性がある．しかしながら，哺乳動物細胞は 1 で述べた通り生体膜脂質の組成が複雑であり，生体膜組成と細胞機能との関連を解析することが困2012.09.010.
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難である．今後，ショウジョウバエ以外の生物種の細胞

Hayashi, T., Fukuda, N., Uchiyama, S., and Inada, N. (2015). A

において，膜脂質組成全体を注意深く観察しながらΔ9cell-permeable fluorescent polymeric thermometer for

脂肪酸不飽和化酵素の機能を評価することができる実験系が開発された暁には，我々の発見の動物細胞における一般性が証明されることが期待できる．

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昆虫由来不凍タンパク質の氷結晶結合機能と細胞保護機能山内 彩加林1)，津田 栄2)2023 年 2 月 3 日受付，2023 年 2 月 8 日受理

一部の生物は氷点下にもなる低温環境に生息し，凍結や低体温のリスクに晒されるにも関わらず，生命活動を維持することができる．なぜこれらの生物は凍結障害や低温障害を受けずに生命活動を維持できるのだろうか？

不凍タンパク質（Antifreeze protein：AFP）は寒冷な環境に生息する様々な魚類・昆虫・植物・微生物等で見出される低温適応タンパク質の 1 つである．AFP は氷に結合しその成長を抑制する機能（氷結晶結合機能）と，細胞膜に結合し低温障害から細胞を保護する機能（細胞保護機能）を有する．AFP の両機能は低温下におけるこれら生物の生命維持に重要な役割を果たすと考えられている．本稿では，昆虫由来 AFP を中心に，AFP の氷結晶結合機能と細胞保護機能について紹介する．

The ice-binding and cell-protection function of insect-derived antifreeze protein
Akari Yamauchi1 and Sakae Tsuda2
Some organisms can be alive in cold environment even below 0℃, in spite of the risk of freezing and hypothermia.
How are these organisms able to maintain their life without freezing injury and cold damage? Antifreeze proteins(AFPs) are one of cryoprotective proteins found in various cold-adapted fish, insects, plants, and microorganisms living
in cold environments. AFPs can bind to single ice crystal and inhibit its growth (ice-binding function). Moreover, AFPs
can prolong the life-time of mammalian cells at low temperature through its binding to lipid bilayer (cell-protection
function). Both functions of AFPs are thought to play important roles in sustaining the life of these organisms at low
temperatures. In this paper, we introduce the ice-binding and cell-protection functions of insect-derived AFP.
キーワード：低温適応，不凍タンパク質，熱ヒステリシス，細胞保護，オオクワガタ
Cold-adaptation, antifreeze protein, thermal hysteresis, cell-protection, Dorcus hopei binodulosus

1. はじめに合タンパク質とも呼ばれる）は，低温環境に生息する魚類，昆虫，植物，バクテリア，菌類等から見出されてい不凍タンパク質（Antifreeze protein：AFP，氷結晶結る 低 温 適 応 タ ン パ ク 質 の 1 つ で あ る（Davies, 2014;

連絡先
山内 彩加林北海道大学低温科学研究所 生物環境部門 冬眠代謝生理
発達分野〒060-0819 北海道札幌市北区北 19 条西 8 丁目
Tel. 011-706-5490
e-mail：a.yamauchi@lowtem.hokudai.ac.jp⚑) 北海道大学低温科学研究所 生物環境部門 冬眠代謝
生理発達分野Institute of low temperature science, Environmental
biology division, Hibernation metabolism, physiology, anddevelopment Group
北海道札幌市北区北 19 条西 8 丁目
（Kita 19, Nishi 8, kita-ku, Sapporo, Hokkaido, 060-0819,
Japan）⚒) 東京大学新領域創成科学研究科〒277-0882 千葉県柏市柏の葉 6-2-3 東大柏 II キャンパ
ス 産総研イノベ棟 2109 室
Department of Advanced Materials Science, Graduate
School of Frontier Sciences, The university of Tokyo, 2109
AIST innovation bldg., 6-2-3 Kashiwanoha, Kashiwa,
Chiba 277-0882, Japan山内 彩加林，津田 栄

38

図 1：不凍タンパク質の氷結晶結合機能．
AFP 非存在・存在下の過冷却水中に生成する単結晶氷の形状および TH を示す．TH は凝固点（Tf，氷結
晶が急激に成長し始める温度）と融点（Tm，氷結晶が融解し始める温度）の差を指す．
（上段）純水 /AFP
不含の溶液：過冷却水中に生成する単結晶氷を顕微鏡下で観察すると，円盤状の氷結晶が観察される．
Tm と Tf は同じ値であり，冷却すると氷結晶はすぐに大きく成長する．
（中段）中活性型 AFP：中活性型
AFP（主に魚類 AFP）存在下では，バイピラミッド型の氷結晶が観察される．約 1.5℃の範囲で氷結晶の成長を抑制する．
（下段）高活性型 AFP：高活性型 AFP は氷結晶の成長を抑制できる温度範囲が広く，
M 濃度で 2℃～7℃の TH 活性を有する．例えば昆虫 AFP 存在下の過冷却水中にはレモン型の氷結晶が観察される．

Voets et al., 2017）．AFP は 0℃以下でも凍らない水，す反映した，単結晶氷の形状修飾を行う（Basu et al., 2014;

なわち過冷却水中に生じる単結晶氷に結合し，その成長

Takamichi et al., 2009; Scotter et al., 2006）．例 え ば，を抑制することにより溶液の凝固点を降下させる氷結晶

AFP を含まない溶液中の単結晶氷は円盤型を呈するが，結合機能を有する（DeVries & Wohlschlag, 1969）（図 1）．

AFP を含む溶液中の単結晶は，AFP が一部の結晶面に

AFP は生物種ごとに異なる先祖タンパク質が何度も結合する場合はバイピラミッド型（Takamichi et al.,

変異を繰返すうちに氷結晶結合能を獲得するよう進化2009），全ての結晶面に結合する場合はレモン型を呈す（収斂進化）したと考えられている（Graham et al., 2022）．

る（Scotter et al., 2006）．

そのため，各生物種の AFP はアミノ酸配列・3 次元構

3）熱ヒステリシス（Thermal Hysteresis：TH）活性：

造・分子量・氷結晶結合部位・氷結晶結合機能が大きく

AFP は単結晶氷に結合し，その融点を変えずに凝固点異なる（Davies, 2014）（津田の稿参照）．氷結晶結合機のみを降下させる．AFP の不凍活性指標として，TH 活

能の相違は，1）結合する単結晶氷の面，2）氷結晶の形性が用いられる．TH は，単結晶の融点（氷結晶が溶け状修飾能，3）熱ヒステリシス活性等が挙げられる．以下

始める温度）から凝固点（氷結晶が急激に成長する温度）

簡単に説明する．

を差し引いた値であり，融点と凝固点の差を示した値で1）結合する単結晶氷の面：単結晶氷を構成する面は基ある．例えば，TH 活性＝ 3℃の AFP は，融点が 0℃の底面・第 1 プリズム面・第 2 プリズム面・ピラミダル面

時，－3℃まで氷の成長を抑制できることを意味する．

が代表的であるが（Mahatabuddin & Tsuda, 2018; Hew

AFP は TH 活性を指標に，中活性型（mM 濃度の AFP& Yang, 1992; Olijve et al., 2016），これらのうちどの氷結

存在下で TH 活性が 2℃以下）
・高活性型（ M 濃度の晶面を認識するのかは AFP ごとに異なる（Rahman et

AFP 存在下で TH 活性が 2℃以上）に大きく分類される

al., 2019）．全ての氷結晶面に結合できる AFP は，氷結

（Scotter et al., 2006; Celik et al., 2010; Barrett, 2001;

晶のどの面からの成長も抑制できるため，氷結晶結合機

Takamichi et al., 2007）．

能は強いことが多い．
2）氷結晶の形状修飾能：AFP は結合する氷結晶面を上記の物理的特性の違いに加えて，AFP はアミノ酸配列が僅かに異なる分子（アイソフォーム）が複数存在

昆虫由来不凍タンパク質39

図 2：各種無脊椎動物（昆虫）AFP の構造．
代表的な 4 種類の無脊椎動物 AFP について，立体構造・モチーフ配列・特徴・同じタイプの AFP を発現
す る 生 物 種 の 例 を 示 す．甲 虫 Tenebrio molitor 由 来 TmAFP（PDB code: 1EZG），蛾 Choristoneura
fumiferan 由来 CfAFP（PDB code: 1M8N），カミキリムシ Rhagium inquisitor 由来 RiAFP（PDB code:
4DT5），トビムシ Hypogastrura harveyi Folsom 由来 SfAFP（PDB code: 2PNE）．これらの無脊椎動物
AFP は高活性型 AFP に分類される．

する．異なる生物種では AFP のアイソフォーム数が異昆虫 AFP は 1997 年にチャイロコメノゴミムシダマ

なるとともに，同種が有する各アイソフォームの氷結晶

シの幼虫（ミールワーム，Tenebrio molitor）で初めて確結合機能も異なる（Takamichi et al., 2009）．さらに，魚

認された（Graham et al., 1997）．チャイロコメノゴミム

類 AFP は氷結晶だけでなく，細胞の脂質二重膜にも結シダマシは夜間に－5℃以下の気温となる砂漠地帯に生合し，細胞を低温障害から保護するという，氷結晶結合

息する甲虫である（Duman, 1982）．チャイロコメノゴ

機能だけでは説明がつかない細胞保護機能に関する報告

ミムシダマシ由来の TmAFP は 9 つのアイソフォーム

も あ る（Rubinsky et al., 1990）．本 稿 で は，こ う し た（Mw ＝ 8.4-12 kDa）が存在し，いずれも 12 残基のアミAFP が有する氷結晶結合機能と細胞保護機能について，ノ酸配列（TCTxSxNCxxAx，x は任意のアミノ酸配列）

近年我々が発見した昆虫 AFP に関する知見を基に紹介の 7～11 回の繰返しからなる右巻き らせん構造を有す

する．

る（Duman & Newton, 2020）．TmAFP の有する ThrCys-Thr（TCT）モチーフは氷結晶結合部位を形成する

2. 無脊椎動物（昆虫）由来不凍タンパク質の構造と考えられている（詳しくは本稿 3 章を参照）．TCT モチーフを有するタイプの AFP は他の 3 種類の甲虫類でも確認された（Dendroides canadensis, Anatolica polita

無脊椎動物由来の AFP はその多くが高活性型であborealis, Microdera punctipennis dzungarica）（Duman et

り，厳しい寒冷環境に生息する宿主の生存に重要と考え

al., 1998; Ma et al., 2009; Qui et al., 2010）．また，北米やられている（Graether & Sykes, 2004）．これまで甲虫（革カナダに生息する蛾であるトウヒノシントメハマキ

質化した堅い前翅（まえばね）が背中を覆っている昆（spruce budworm, Christoneura fumiferana）由 来 の虫）
・蛾・カミキリムシ・トビムシ等で AFP の発現が確

CfAFP（SbwAFP，Mw ＝ 9 kDa）は，TmAFP と似た認された．ここでは，既報の無脊椎動物 AFP について

Thr-X-Thr（TXT，X は任意のアミノ酸）モチーフを有構造的特徴とともに紹介する（図 2）．

し，15 残基の繰返し配列からなる左巻き ストランド構山内 彩加林，津田 栄

40造を有する（Tyshenko et al., 1997; Graether et al., 2000;

蛾類，ハエやアリが越冬するという報告がある（Asahina

Liou et al., 1999; Liou et al., 2000）．カミキリムシの一種& Ohyama, 1969）．これら越冬昆虫の中で最も確認されである Rhagium inquisitor はヨーロッパ全域やシベリた種は甲虫類であり，甲虫類は雪の降り積もった木の根

アの極寒地に生息し，トウヒやマツ等の枯れた枝や切り株で越冬することが確認された．しかしながら意外に株の樹皮の下で越冬する（Zachariassen & Husby, 1982;

も，日本産越冬昆虫の AFP についての報告はほとんど

Kristiansen et al., 1999）．Rhagium inquisitor が発現すない．そこで我々は，日本全国に生息する代表的な越冬

る RiAFP（Mw ＝ 13 kDa）は，平坦ならせん構造か甲虫であるオオクワガタ（Dorcus hopei binodulosus）にらなる（Kristiansen et al., 2011）．RiAFP は Thr-X-Thr-

着目し，その AFP 探索と機能解析を試みた（Arai et al.,X-Thr-X-Thr（TXTXTXT）モチーフを含む 13 残基の

2021）
．

配列が 6 回繰返されており，2 列のシート構造が薄い

オオクワガタは一般家庭でもペットとしての人気が高板状に張り合わされた構造を有する．RiAFP は 100 M

く，その飼育方法が確立しており，研究室内で繁殖させよりも低い濃度で 6.5℃という非常に高い TH 活性を示ることも比較的容易である．オオクワガタは，卵→ 1 齢

し，AFP の中でも活性が極めて高い分子として知られ（初齢）幼虫→ 2 齢幼虫→ 3 齢（終齢）幼虫→蛹→成虫とる．また，尺蛾（Campaea perlata）の幼虫（シャクトリム

いう成長過程を辿る．一般に，オオクワガタは夏に交配

シ，inchworm）も RiAFP と同じタイプの AFP（IwAFP，し，
秋になると雌がコナラ等の朽ち木をかじり，穴を作っ

Mw ＝ 3.5-8.3 kDa）を発現する（Lin et al., 2011）．

てそこに産卵する．我々はオオクワガタの雌雄を購入し昆虫に近縁な種とされるトビムシからも AFP が発見

ペアリング後，コナラの朽ち木を入れたケージで雌を飼されている．トビムシは腹部の跳躍器によりよく飛び跳

育し，51 個の卵を得ることに成功した．卵は産卵から約ねる性質を有し（跳び虫），特に冬の雪上で観察される種1 カ月後に孵化し，体長数 mm サイズの 1 齢幼虫が生まはユキノミ（snow flea, Hypogastrura harveyi Folsom）とれた．1 齢幼虫は自身の周囲にある木を食餌として食べして知られる．ユキノミは分子量の異なる 2 つの AFPて成長し，約 1 カ月後に体長 25 mm 程度の 2 齢幼虫へ

アイソフォーム（SfAFP，Mw ＝ 6.5 kDa・15.7 kDa）をと成長した．この 2 齢幼虫を菌糸瓶に入れて 25℃で 2発現する（Graham & Davies, 2005）．6.5 kDa のアイソ

か月間飼育し終齢幼虫になるまで飼育した．オオクワガ

フォームは 6 つの逆並行左巻きポリプロリン II（PPII）

タは幼虫期の大半を終齢幼虫として過ごし，終齢幼虫のヘリックス構造を有しており，親水性部位と疎水性部位

まま越冬することが知られる．我々は，オオクワガタのが逆方向を向いた構造をとる（Pentelute et al., 2008）．

終齢幼虫において AFP が発現しているか否かを調べる

また，15.7 kDa のアイソフォームも同様の構造を有すことにした．

ると予測されている（Mok et al., 2010）．SfAFP にはある生物が AFP を発現しているかどうかはその体

TXT モチーフが存在しない代わりに Gly に富んだアミ液/血液中に観察される氷結晶の形状および TH 活性をノ酸配列を有し，TH 活性は 5.8℃と高い値を示す．ま

確認することで判断できる．我々はまず，オオクワガタ

た 最 近，北 海 道 に 生 息 す る ユ キ ノ ミ（Granisotomaの終齢幼虫を 25℃，10℃および 4℃に設定したインキュ

rainieri）も Gly に富んだ配列を有する GrAFP を発現す

ベーターに入れ 2 か月間飼育後，各幼虫の体液を回収しることが報告された（Scholl et al., 2021）．X 線結晶構造

た．各幼虫の体液を温度調節機能付き光学顕微鏡のス解析の結果から，GrAFP はヘリックスバンドル構造でテージ上にセットし，－20℃まで冷却し完全に凍結させあり，その構造は SfAFP に似ているものの，ヘリック

た後，少しずつ昇温し，視野内に 1 つの単結晶氷を作成

スの数が 6 ではなく 9 つである点が異なることが示されし観察した．その結果，10℃および 4℃で低温馴化させた．

た幼虫の体液中にはレモン型の氷結晶が観察された（Arai et al., 2021）．特に 10℃で低温馴化させた幼虫の3. 越冬昆虫オオクワガタ由来 AFP

体液の TH 活性は約 4℃であり最も高かった．TH 活性の強さは AFP の濃度に依存することから（Kristiansen

既報の高活性型昆虫 AFP の多くは北米やシベリアな& Zachariassen, 2005），10℃で低温馴化させた幼虫は高どの極低温環境に生息する種から発見されたものであ

濃度の AFP を含むことが示唆された．オオクワガタはる．一方で，日本も冬季には 0℃以下の低温となる環境

雪の降り積もった木の根株で越冬することが知られるであり，多くの越冬昆虫が生息する．例えば，冬の北海が，その木の根株の温度は－5℃にもなる（Asahina &道における越冬昆虫を調べた研究では，甲虫類，ハチ類，

Ohyama, 1969）．オオクワガタの越冬における AFP の昆虫由来不凍タンパク質41

役 割 に つ い て 知 見 を 得 る た め，10℃ で 飼 育 し た 幼 虫（AFP を発現させた幼虫）を－5℃および－10℃の冷凍庫で 1 日保存し，室温に戻した後の回復率を確認した（図
3A）．－5℃で保存した幼虫は 10 匹中 10 匹が凍結せず，室温に戻した後も活発に動き回ることが確認された．一方，－10℃で保存した幼虫（10 匹/10 匹）は全て凍結し生き返ることはなかった．また，幼虫の体表面を水で軽く濡らし凍結を起こりやすくした（植氷，宇高の稿参照）
条件で，－5℃で保存した幼虫（3 匹/3 匹）も凍結死した．
昆虫には凍結を回避し越冬する凍結回避型と，凍結しても死なずに越冬できる耐凍型のものがいる（Zachariassen & Kristiansen, 2000; Duman, 2001;
Vrielink et al., 2016）（泉の稿参照）．我々の結果は，オオ
クワガタは季節的な外気温低下に伴い越冬に備えて
AFP を発現し，体液中に AFP を初めとする凍結保護物
質を蓄積することにより越冬を可能にする凍結回避型昆虫ということを示唆する．
続いて，オオクワガタが発現する AFP のアミノ酸配列情報を取得するために，cDNA ライブラリを構築した．既報の昆虫 AFP のアミノ酸配列を参考に，オオク
ワガタの AFP を探索した結果，12 残基のアミノ酸配列（TCTxSxNCxxAx）の繰返しからなるタンパク質が発見された（以下，DhbAFP とする）
．DhbAFP は 12 残基のアミノ酸配列の繰返し回数が異なる，少なくとも 6 種類のアイソフォーム（DhbAFP1-6）の存在が示唆された．
DhbAFP と チ ャ イ ロ コ メ ノ ゴ ミ ム シ ダ マ シ 由 来
TmAFP のアミノ酸配列を比較した結果，どのアイソ
フ ォ ー ム も 82％ 以 上 の 相 同 性 を 示 し た．さ ら に
DhbAFP が不凍活性を有するかを確認するために，
DhbAFP の大腸菌発現系を構築し，各種クロマトグラ
フ ィ ー に よ り 組 換 え DhbAFP を 精 製 し た．組 換 え

図 3：オオクワガタ AFP（DhbAFP）の氷結晶結合機能．
（A）オオクワガタ Dorcus hopei binodulosus 終齢幼虫の－5℃
下 1 日保存実験．低温馴化（10℃，2 か月）により AFP を体液中に発現したオオクワガタの終齢幼虫は，－5℃下で 1 日
保存しても凍結死せず，室温に戻すと完全に回復する．
－10℃および－5℃＋植氷条件下ではオオクワガタは凍結死する．オオクワガタは AFP により凍結を回避し越冬すると考えられる．
（B）DhbAFP のモデル構造．
（C）DhbAFP の
TCT モチーフ．12 残基のアミノ酸配列（TCTxSxNCxxAx）
で一周する右巻き らせん構造を有する．水色の球は OH 基
および水分子の O 原子を示す．TCT モチーフには Thr 側鎖の OH 基（両端）と中央の長い溝の水分子が 3 列に規則的に並ぶ．
（D）DhbAFP の氷結晶結合メカニズムの模式図．3 列に規則的に並んだ水分子（O 原子）は氷結晶を構成する水分子（O 原子）の配置と一致する．DhbAFP モデル構造構築に
は TmAFP（PDB code: 1EZG）をテンプレートとして使用．
Arai et al., 2021 を一部変更して引用．

DhbAFP は 150 M 濃度で約 3℃の TH 活性を示し，単結晶氷の全ての面（プリズム面，ピラミダル面，基底面）に結合することが確認された．これらの氷結晶結合機能

フが 7 列連なる規則性に富んだ面の中央には長い溝が確は，高活性型 AFP である TmAFP の特徴とよく一致し認された．TmAFP の結晶構造解析の結果では，この長た（Liou et al., 2000; Basu et al., 2014）（本稿，1 章と 2 章

い溝に水和水が直線状に配置することが報告されている参照）．以上より，日本産越冬昆虫であるオオクワガタ（Liou et al., 2000）．また TCT モチーフの Thr 側鎖のの AFP のアミノ酸配列を同定し，DhbAFP が高活性型

OH 基は直線状に配置しているため，TmAFP の分子表

AFP であることが明らかとなった（Arai et al., 2021）．

面には水分子と OH 基が 3 列に規則的に配置し，平面性

DhbAFP の氷結晶結合メカニズムに関する知見を得の高い分子表面を構成する（Graether & Sykes, 2004）．

る た め に，TmAFP の X 線 結 晶 構 造 デ ー タ を 元 に

これらの整列した水分子と OH 基の酸素原子（O 原子）

DhbAFP のモデル構造を構築した（図 3B）．DhbAFP

の配置は，単結晶氷の基底面やプリズム面を構成する水は（TCTxSxNCxxAx）で 1 巻きする， シートがらせん

分子（O 原子）の配置と完全に一致する（Liou et al.,状に積み重なった右巻き らせん構造を示した（図 3C）．

2000）．これまでの複数の既報から，AFP は自身の分子

DhbAFP は四角柱状の外形を呈しており，TCT モチー

表面に宿した氷様の水分子（単結晶氷と配置の一致する

山内 彩加林，津田 栄

42水分子）を介して，氷結晶に結合すると考えられている

傷を防ぐことにより，細胞からのイオン流出を抑制する（Garnham et al., 2011; Chakraborty & Jana, 2018;と考えられた．翌年，AFGP のみでなく，魚類 AFPI-III

Yamauchi et al., 2020）．DhbAFP は TmAFP とアミノに も 4℃ 下 に お け る 細 胞 保 護 効 果 が 認 め ら れ た

酸配列（相同性は 85％以上）
・氷結晶結合機能（結合する（Rubinsky et al., 1991）．また電気生理学的手法により，結晶面や TH 活性）が非常によく似ていた．これらを考AFPI を添加したブタ卵母細胞では K＋イオンと Ca2＋イ

え合わせると，DhbAFP は TmAFP と同様に，TCT モ

オン電流の抑制が確認されたため，AFP は K＋チャネル

チーフをもつ分子表面が氷結晶結合部位であり，その分に結合し K＋ イオンの流出と，Ca2＋ チャネルに結合し子表面に宿した高度に組織化された氷様の水分子を介しCa2＋ イ オ ン の 流 入 を 抑 制 す る こ と が 示 唆 さ れ たて，氷結晶に結合しその成長を極めて強く抑制すると考（Rubinsky et al., 1992）．以上の報告から，AFP は細胞えられる（図 3D）．

膜上のイオンチャネルと相互作用することにより，低温曝露により細胞で生じるイオン恒常性の破綻を防ぐと考えられた．

4. AFP の細胞保護機能

一方，Hays らは人工細胞膜であるリポソームと AFP

低温は生物を凍結の危機に晒すだけでなく，凍結せずの相互作用を報告した（Hays et al., 1996）．一般に，細とも細胞に障害を与える可能性がある．特に，哺乳動物

胞膜は 37℃から 4℃に冷却されると，リン脂質の脂肪酸

は体温が 37℃付近に維持される恒温動物であり，低体温

鎖が柔軟な構造である液晶相から，脂肪酸鎖同士が密接下で長時間生存することは困難である．その組織や細胞した構造であるゲル相へと相転移する（Quinn, 1985）．

はそれより低い低体温に長時間陥ると，様々な低温誘導

この脂質の相転移は膜脂質の均一な並びにズレを生じ，性障害を生じるためである．哺乳動物細胞で生じる低温

細胞膜から細胞内イオンの漏れを引き起こすとされる

誘導性障害（曽根の稿参照）には，脂質の過酸化，細胞（Crowe & Crowe, 1986）．Hays らは，蛍光物質を内封し膜の機能低下による制御不能なイオン漏出/流入（細胞たリポソームを作製し，蛍光物質の漏れが AFGP 濃度

内外イオンの恒常性の喪失），Ca イオン流入に伴うホ依存的に抑制され，10 mg/ml 濃度の時に完全に抑制さスホリパーゼ・プロテアーゼの活性化や細胞骨格の損傷れることを示した．AFGP はイオンチャネル等を含ま等が挙げられる（Hochachka, 1986; R. G. Boutilier, 2001;

ない人工細胞膜においても内封物の漏れを抑制したた

Rubinsky, 2003; Boutilier, 2001; Qin, 2003; Sun, 2016;

め，脂質の相転移を防ぐという仮説が生じた．さらに

Nickel, 2014; Quinn, 1985）．一方，低温環境に生息する2002 年には AFPI も脂質の相転移を抑制することが示

変温動物は低体温状態にもなるにも関わらず生命活動を唆された（Tomczak et al., 2002）．総じて，AFP は細胞維持できることから，その細胞が低温により障害を受け膜上のイオンチャネルあるいは脂質二重膜と相互作用ない何らかの機構を有すると考えられる．1 章で述べた

し，低温曝露時に生じる細胞内イオンの漏出や細胞外イように魚類由来 AFP は非凍結温度である 4℃下で哺乳オンの流入を防ぎ，細胞のイオン恒常性の維持に寄与す

動物細胞の脂質二重膜に結合して膜を安定化し，細胞のると考えられた．

2＋

生存期間を延長できるとの報告がある（Rubinsky, 1990）．

その後，魚類 AFP の細胞保護効果が様々な細胞・組

この Rubinsky らによる AFP の細胞保護機能に関す織・臓器で調べられてきた．例えば，平野らは日本産魚る論文では，不凍糖タンパク質（Antifreeze glycopro-

類 AFPIII を用いてヒト肝がん細胞株 HepG2 に対する

tein：AFGP）を添加した保存液にブタ卵母細胞を浸漬し，4℃下での細胞保護効果を報告した（Hirano et al., 2008）．

4℃下で 24 時間保存後の卵膜の膜電位の変化を調べた．

この報告では，様々な臓器の保存に利用されており，タ膜電位とは細胞膜を挟んだ細胞内と外の電位差であり，ンパク質を含まない保存液であるユーロコリンズ液

細胞内外のイオンの分布の差を示す．膜電位の変化は細（Euro-Collins，EC）液に AFPIII を 10 mg/ml となる様

胞内外のイオン分布の変化を示すため，低温曝露によりに溶解し，約 1 万個の HepG2 細胞をその保存液に浸漬

細胞膜機能低下に伴うイオン漏出/流入が生じたかの指し保存した．その結果，EC 溶液のみでは 1 日後にほぼ標となる．同論文では，AFGP 不含の保存液で保存され全ての細胞が死滅した一方，AFPIII 存在下では 3 日後た卵母細胞は低温曝露後に膜電位が完全に失われたのにも約 75％の HepG2 細胞が生存可能であった．また同論

対し，AFGP 含有の保存液で保存された卵母細胞は通常

文では，細胞膜損傷の程度を評価するために，細胞から（22℃）時の 65％の膜電位を維持することが示された．

放出された乳酸脱水素酵素（LDH）活性を測定した．

この結果から，AFGP は低温下で生じる卵母細胞の膜損

LDH は通常，細胞質に存在している酵素であるが細胞昆虫由来不凍タンパク質43

図 4：AFP の細胞保護機能．
保存液中に浸漬し 4℃保存された細胞の経時的な状態変化を示す．
（上段）
AFP 不含の保存液中で保存された細胞は，時間経過につれて細胞が膨張し，約8 時間後に破裂して死滅する．（下段）AFP を含む保存液中で保存された細胞は，4℃下での生存期間が延長される．保存液中の AFP は細胞膜上のイオン
チャネルや脂質二重膜に結合し細胞内イオンの漏出・細胞外イオンの流入を防
ぐため，細胞の膨張・破裂の過程を遅延させると考えられる．

膜が損傷を受けると培地中に放出されるため，膜損傷をで保存された細胞は 1 日後の生存率が 20％であり，3 日

受けた細胞や死細胞数を測る指標として用いられる．

後にはほぼ死滅した．一方，AFP を添加した EC 溶液で

AFPIII で保存された細胞は放出される LDH 量も 38％保存された細胞の 1 日後の生存率は AFPI-III で 80％，まで減少しており，AFP により細胞膜の損傷から保護

AFGP で 50％であった．AFPI および III で保存されたされたため生存率が向上したことが示唆された．さらに細胞は 5 日後であっても約 60％が生存可能であり，高い

平野らは，4℃保存中の 1 個の細胞を走査型電気化学顕

細胞生存率が確認された．以上の知見をまとめると，微鏡により観察し，細胞の経時的な状態変化を報告した

AFP は細胞膜表面に結合し，細胞内イオンの漏出・細胞（Hirano et al., 2008）．EC 溶 液 中 で 4℃ 保 存 さ れ た

外イオンの流入を抑制することにより，細胞の膨張・破HepG2 細胞は，保存時間が経過するにつれ徐々に細胞が裂を遅らせて，低温下での細胞の生存期間を延長すると膨張し，約 8 時間後に破裂し死滅した．一方，AFPIII 存

考えられる（図 4）．

在下では，HepG2 細胞の膨張は保存開始から 16 時間後

AFP の細胞保護効果は，臓器移植に用いられる保存まで観察されなかった．この観察結果は，AFP が細胞液の改善や繁殖工学分野での応用が期待されており，この表面に結合することにより細胞の膨張とそれに引き続

れら応用を目指した基礎研究も実施されてきた．例えいて生じる破裂死を抑制し，細胞死を遅らせることを示ば，心臓は保存可能な期間が短いことで知られ，ヒトの唆した．しかしながら，AFP が細胞膜に結合している

場合 4 時間程度しか保存ができない．Amir らは，AFPI様子を観察したという報告はそれまで無かった．その 5および III を用いてラットの心臓を－1.3℃下で 24～32

年後，上島らが共焦点レーザー顕微鏡により蛍光標識し時間保存する実験を実施した（Amir et al., 2004）．そのた AFP が HepG2 細胞およびラット膵島細胞株 RIN-5F

結果，AFP 不含の保存液を使用した場合，心臓は凍結しの細胞膜表面に結合する様子を初めて報告した

たが，AFP 含有の保存液で保存した場合，心臓を凍結さ（Kamijima et al., 2013）．同論文は，RIN-5F 細胞に対すせずに保存できた．AFPI あるいは AFPIII（15 mg/ml）

る日本産魚類 AFPI-III および AFGP（天然物）の細胞保はラットの心臓を－1.3℃下で 32 時間保存可能にするこ護効果も示した．各 AFP を 10 mg/ml になるように溶とが示された．さらに，Ideta らはウシの 7 日齢胚を解した EC 保存液に RIN-5F 細胞を浸漬し，4℃で 1～5

AFPIII 含有保存液に浸漬し 4℃下で保存したところ 10日間保存後の細胞生存率を調べた．その結果，EC 溶液

日後でも生存可能になること，AFP で 4℃保存した受精

44

山内 彩加林，津田 栄

卵を代理母に移植させたところ仔牛が誕生したことを報れも天然物（アイソフォーム混合物）を使用した．これ

告 し た（Ideta et al., 2015）．ま た 倉 持 ら は，線 虫

らのタンパク質を EC 溶液に対して 0.02-2.5 mM とな（Caenorhabditis elegans）を用いて動物個体レベルでのるように溶解した保存液に RIN-5F 細胞を浸漬し，4℃，

魚類 AFPIII と微生物 AFP（南極子嚢菌由来 AnpAFP，－2℃，－5℃下で 1～20 日間保存した．保存前後の生細雪腐病菌（担子菌）由来 TisAFP8）の細胞保護効果を報

胞数は，死細胞を染色するトリパンブルー法により測定

告した（Kuramochi et al., 2019）．各 AFP の TH 活性のし，細胞生存率（保存後の生細胞数密度/保存前の生細胞

強 さ は TisAFP8 ＞ AnpAFP ＞ 魚 類 AFP で あ る．各数密度）を算出した．AFP の細胞保護効果の強さは保AFP を体壁の筋肉に発現させた線虫を低温ショック条

存後の細胞生存率から判断した．まず TmAFP が非凍件（0℃・－2℃）および凍結条件（－5℃）で 1 日保存後，結温度（4℃）および過冷却温度（－2℃と－5℃）下にお線虫の生存率を測定した．その結果，AFP を発現していて細胞保護効果を有するか調べた（図 5A）．4℃下でいない線虫（コントロール）の 1 日保存後の生存率は

1 日保存後の RIN-5F 細胞の生存率は，AFP なし（EC）

20％（0℃），10％（－2℃），6％（－5℃）であった．一の時 12％であった．また－2℃および－5℃下で保存し方，中活性型の魚類 AFPIII を発現させた線虫は，－5℃た細胞はほぼ全て死滅した．一方，TmAFP 溶液で保存の凍結条件において，コントロールと比較して有意に高した場合は，AFP の濃度に依存して RIN-5F 細胞の生存い生存率（19％）を示した．また，中活性型の AnpAFP

率は飽和曲線様に上昇した．そして，保存温度（4℃，を発現させた線虫は 1 日保存後の生存率が 50％（0℃），－2℃，－5℃）に関わらず，TmAFP 濃度が 1.5 mM 以

30％（－2℃），32％（－5℃）であり，保存温度に関わら上の時に生存率は 90％以上に達した．この結果から，昆ず有意な生存率の向上が確認された．さらに，高活性型

虫 AFP も細胞保護機能を有することが明らかとなっの TisAFP8 を発現した線虫は，いずれの保存温度におた．続いて，細胞保存に十分な濃度と判断された 1.5

いても 1 日保存後に約 70％が生存可能であり，最も高い

mM の各 AFP を含む EC 溶液を用いて，魚類 AFP と生存率を示した．従って，いずれの AFP も凍結条件

TmAFP の細胞保護効果を比較した．TmAFP は魚類（－5℃）下では，氷結晶の成長による細胞の破壊から線

AFPI-III よりも全ての保存温度（4℃，－2℃，－5℃）お虫を保護し，線虫に耐凍性を与えると考えられる．このよび保存期間（1～20 日）において常に高い生存率を示ことは，AFP の TH 活性の強さと線虫の生存率の高さした（図 5B）．特に TmAFP を用いて－5℃で保存したに相関が見られたことからも支持される．また，微生物

RIN-5F 細胞は最も高い生存率を示し，20 日保存後の細AFP は低温ショック（0℃・－2℃）条件においても線虫胞生存率も 20％であった．ここで我々は保存液を検討の生存率を向上させたことから，細胞膜を保護し低温障することにより，保存後の細胞生存率をさらに向上でき害から線虫を保護することが示唆された．

る の で は な い か と 考 え た．University of Wisconsin（UW）液は臓器移植に汎用される保存液の 1 つであり，

5. 昆虫 AFP の細胞保護機能

EC 溶液に比較して細胞を保護するのに適する様々な物
質（ATP や 抗 酸 化 物 質）を 含 む．こ の UW 液 に 1.5

一方，高活性型である昆虫 AFP も非凍結温度下におmM となるよう TmAFP を加えた溶液で，RIN-5F 細胞

いて細胞保護機能を有するのか否かは不明のままであっを－5℃下で保存したところ，20 日間保存後の生存率はた．また，
過冷却温度下での非凍結保存が可能であれば，53％と極めて高い値を示した（図 5C）．以上の結果から，氷結晶による細胞破壊を避けつつ，低温により細胞の代

昆虫 AFP は魚類 AFP に比べて高い細胞保護効果を有

謝を最低限まで抑制することにより，細胞の保存期間をすること，昆虫 AFP は過冷却温度域で哺乳動物細胞を延長できる可能性がある（Brockbank et al., 2020）．しか長期間生存可能にすることが示された．

しながら，過冷却温度下の非凍結条件における AFP のなぜ昆虫 AFP は魚類 AFP に比べて高い細胞保護効

細胞レベルの保護効果は検討されていなかった．そこで果を発揮できたのだろうか．昆虫 AFP の特徴は，1）分

我々は昆虫 AFP を用いて，4℃および過冷却温度下にお子表面に単結晶氷を構成する水分子と配置が一致するよ

ける細胞保護効果を調べた（Yamauchi et al., 2021）．

うな高度に組織化された氷様の水和水を有すること，2）

AFP の細胞保護効果を比較検討するために，魚類

その結果，魚類 AFP に比べてより多くの氷結晶面に結AFPI-III，昆虫 TmAFP，コントロールタンパク質とし合できること，3）2）により，あらゆる面からの氷の成てウシ血清アルブミン（Bovine Serum Albumin，BSA）

長を極めて強く抑制でき過冷却状態を安定化できることの 5 種類のタンパク質を用意した．なお，AFP はいずが挙げられる（本稿 3 章および津田の稿参照）．興味深昆虫由来不凍タンパク質

図 5：昆虫 AFP の細胞保護機能．
（A）TmAFP の細胞保護効果．ラット膵島細胞株 RIN-5F 細胞を 0-2.5 mM の TmAFP を含む EC 溶液に浸漬し，4℃，－2℃，－5℃下で 1 日保存後の細胞生存率を示す．TmAFP は細胞保護機能を有し，その効果は 1.5 mM 以上の濃度で最大となる．
（B）魚類 AFPI-III と TmAFP の細胞保護機能の比較．RIN-5F 細胞を 1.5 mM のタンパク質を含む EC 溶液に浸漬し，4℃，－2℃，－5℃下で 1～20 日保存後の細胞生存率を示す．TmAFP はいずれの保存温度（4℃，－2℃，－5℃），保存期間（1～20 日）においても最も高い生存率を示した．
（C）TmAFP 含有 UW溶液で保存された RIN-5F 細胞の生存率．TmAFP 含有 UW 溶液で－5℃保存された RIN-5F 細胞は 20 日後でも53％が生存可能となった．EC：Euro-Collins 溶液，UW：University of Wisconsin 溶液．
＊
p ＜ 0.05，＊＊p ＜ 0.01，＊＊＊p ＜ 0.001．Yamauchi et al., 2021 を一部変更して引用．

図 6：昆虫 AFP の氷結晶結合機能と細胞保護機能．
AFP は氷結晶結合機能により凍結を防ぎつつ，細胞保護機能により低温障害
から細胞を保護し，寒冷地に生息する昆虫の生存に寄与すると考えられる．

45

46

山内 彩加林，津田 栄

いことに，シミュレーション実験により，動物細胞の細胞膜主成分であるホスファチジルコリン（PC）で構成さ謝辞れたモデル膜上にも，氷様の構造の水分子ネットワーク

本研究を進めるにあたり，株式会社ニチレイ 小泉雄が観察されている（Murzyn et al., 2006; Hsieh & Wu,

史氏，井上 敏文氏，石井寛崇氏から多くのご協力を賜

1996）．これらを考え合わせると，AFP は氷に結合するりました．不凍タンパク質の精製は産業技術総合研究所

ときと同様のメカニズムにより，その分子表面に宿した

三浦 愛氏にご協力頂きました．また本研究を進めるに

氷様の水和水を介して細胞膜に結合するという仮説が考あたり，近藤英昌氏，新井達也氏，佐々木祐次氏には大えられる．昆虫 AFP はより多くの結晶面に結合可能な変お世話になりました．本研究にご協力を頂いた全ての高活性型 AFP であるため，細胞膜上の水分子を認識し方々に心より感謝申し上げます．

やすく細胞膜への親和性が上昇した可能性が考えられる．そして，昆虫 AFP は TH 活性が高い，すなわち氷結晶の成長を極めて強く抑制できるため，過冷却保存実
験の条件（－2℃・－5℃）下では過冷却安定化に寄与したと予想される．以上より，昆虫 AFP は氷結晶結合機能により過冷却を安定化しながら，細胞膜保護機能により細胞膜を保護し低温障害から細胞を守ることにより，過冷却温度下において細胞の生存期間を延長したと推察される（図 6）．

6. おわりに

参考文献
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本稿では，昆虫 AFP で得られた最近の知見を中心に，

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AFP の氷結晶結合機能および細胞保護機能について概wintering in decayed wood. Low Temperature Science(Hokkaido University Library), 27, 143-152. http://hdl.

説した．AFP の両機能は昆虫の凍結回避や低温障害から細胞を保護する役割を果たしており，昆虫の低温環境下における生命維持に重要なことが示唆される．我々は日本産越冬昆虫の 1 つとしてオオクワガタに着目し，その AFP がオオクワガタの凍結回避に果たす役割を明らかにした．オオクワガタの他にも，日本には数多くの越冬昆虫が生息しており，それら越冬昆虫の低温適応へ
AFP がどのように関与するのかについても，今後徐々に明らかにされていくだろう．また，昆虫 AFP も魚類
AFP と同様に低温下において細胞保護機能を発揮する
ことも明らかとなった．AFP は生物種によりその立体構造が異なるにも関らず，複数種で細胞保護効果が認められる．このことは，AFP に共通する氷結晶結合特性
が細胞保護効果に重要だという考えを想起させる．一方で，AFP が細胞膜のどの部位と相互作用しているのか，

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Barrett, J. (2001). Thermal hysteresis proteins. Int J Biochem
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AFP のどのアミノ酸が細胞膜結合に関与するかの完全

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doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 51

不凍タンパク質の構造と機能
津田 栄1），新井 達也2）
2022 年 11 月 14 日受付，2023 年 1 月 6 日受理

我々が普段目にする氷は無数の単結晶氷の融合物，即ち多結晶氷である．単結晶氷は規則的に配列した水分子でできているが，これと同じ規則性をもつ水分子が不凍タンパク質（Antifreeze Protein，
AFP）の分子表面にも存在することが最近の研究から分かって来た．即ち，AFP は小さな氷結晶を表面にまとったタンパク質と言うことができる．この様な物質が水中に存在するとき，その水を 0℃以下に冷やすとどのようなことが起こるのだろうか？
るのだろうか？

AFP は生物にどのような能力を付与してい本稿では，特に魚類由来 AFP の構造と機能に関する著者らの研究を紹介する．

Structure and Function of antifreeze protein
Sakae Tsuda1 and Tatsuya Arai2
A general block of ice is composed of an infinite number of single ice crystals, which is called ice polycrystalline
state. Antifreeze protein (AFP) is a macromolecule that locates regularly organized hydration waters on its surface,
whose arrangement is also adopted in a single ice crystal. As the consequence, AFP can specifically bind to single ice
crystals, which prevents the ice polycrystalline state formation. We have been performed exploration of AFP against
various cold-adapted organisms since the late 1990s, and found that many edible fishes available in the general
Japanese food markets contain AFP in their body fluid. This finding enabled us to develop a mass-preparation
technique of fish-derived AFPs, for which we have been performed structural and functional analyses andtechnological applications for many years. The advanced knowledge obtained from our results may ultimately realize a
new AFP-technology that may prevent water freezing though the binding to single ice crystals, which may keep alive
cells, tissues, and animals in the supercooled environment. The present review describes the overview of the waterfreezing mechanism and our research findings on the fish AFPs including their structure, function, and applicability forboth industry and medical fields.
キーワード：不凍タンパク質，単結晶氷，多結晶氷，熱ヒステリシス，凍結濃縮
Antifreeze protein, single ice crystal, thermal hysteresis, freeze-induced concentration, ice-like waters

連絡先
津田 栄
東京大学新領域創成科学研究科〒277-0882 千葉県柏市柏の葉 6-2-3
東大柏 II キャンパス産総研イノベ棟 2109 室
e-mail：s-tsuda@edu.k.u-tokyo.ac.jp⚑）東京大学新領域創成科学研究科〒277-0882 千葉県柏市柏の葉 6-2-3
東大柏 II キャンパス 産総研イノベ棟 2109 室
Department of Advanced Materials Science, Graduate

School of Frontier Sciences, The university of Tokyo, 2109
AIST innovation bldg., 6-2-3 Kashiwanoha, Kashiwa,
Chiba 277-0882, Japan⚒）東京大学新領域創成科学研究科〒277-8561 千葉県柏市柏の葉 5-1-5
基盤棟 7 階 7H8 号室Department of Advanced Materials Science, Graduate
School of Frontier Sciences, The University of Tokyo, 7H8
Kiban bldg., 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8561,
Japan

52

津田 栄，新井 達也

1. はじめに
不凍タンパク質（Antifreeze Protein，AFP）は，低温

2．水の凍結現象と AFP の関係
2.1 水はどのように凍るか環境に晒された魚類，昆虫，微生物等の体液の凍結を防

水を負の温度域に冷却して行くとやがて氷に変化す

ぐと共に，これらの細胞に作用して低温下での生存率をる．日常生活の中で水が氷に変化する瞬間を目にするこ高める生体物質である（Mahatabuddin & Tsuda, 2018；とは希だが，冷却加熱ステージを備えた顕微鏡システム

津田，2018）．即ち，AFP は脂質，塩，糖，グリセロール

を用いればその瞬間を何度でも繰り返し観察することが等の凍結保護剤と共に生物の低温適応能力を向上させる

で き る．図 1A は そ う し た ス テ ー ジ の 上 に 置 い た 水ように働く．近年では 0℃以下で生物を生かし続ける（10 L）の顕微鏡画像である．不純物や空気が黒い影に「コールドスリープ（人工冬眠）」技術が広く研究されてなる以外，水の中に特に物体は見当たらない．この水をおり（Takahashi et al., 2020），安全性，安定性，量産性，

例えば－0.2℃/min で冷却し続けると，凍結温度は通常省エネ性等を満たす AFP が同技術に応用される可能性－10℃以下になる．この様に，水が 0℃以下で液体状態が指摘されている．AFP は南極海に生息するノトセニを保つことを過冷却現象と呼ぶ．不純物を徹底的に除いア科魚類から 1969 年に発見され，その後 2000 年にかけた水は約－40℃まで過冷却するとされる．この過冷却水て北極海とその周辺に生息する魚類，植物，昆虫，菌類の中に極めて小さな単結晶氷（核）が出現し，その大きからの発見が相次いだ．これらの AFP は不凍作用を示

さが過冷却の深度で決まる臨界サイズを超えると急速にす点では共通しているが，分子量や立体構造は得られる

成長して凍結が起こり，水は氷（多結晶氷）に変化する

生物種に依存して大きく異なっており，それらの違いにと考えられている（Holten et al., 2012）．水中に存在する

応じて AFP Ⅰ，AFP Ⅱ，AFP Ⅲ，AFGP， らせん型等

何らかの微粒子の表面に水分子が集積して氷核になる場にタイプ分けされている（Davies, 2014）．なお，AFGP

合と，水分子同士が集まってクラスターを形成したもの

は不凍糖タンパク質（Antifreeze Glycoprotein）の略称

が氷核になる場合の 2 通りがあると考えられており，前である．1990 年代後半には魚類 AFP を冷凍食品技術等

者は不均一核生成（heterogenous nucleation），後者は均に応用するための複数の特許が大手企業のユニリーバか一 核 生 成（homogenous nucleation）と 呼 ば れ て い るら出願され，それ以降 AFP は様々な冷熱利用技術に有（Zachariassen & Kristiansen, 2000）．なお，単結晶氷の用な物質と見なされるようになった．しかし，極地魚類

核形成が起こり結晶成長をする際には「潜熱」が周囲にの血液を原材料とする AFP は極めて高価であったた放出される．水が凍結する瞬間を撮影した顕微鏡画像をめ，研究者や技術者がその試料を大量に入手して技術応

図 1B に示す．視野内の水は凍結に伴い厚みのある氷に用に向けた研究を様々に展開することは困難であった．

変化するため，顕微鏡視野は暗くなり不均一模様で満たそうした状況の中，著者らは 2000 年頃に日本国内に生される．この状態からステージの温度を上昇させると，息する魚類，昆虫，菌類等について AFP の探索を開始

0℃に近づくに連れて少しずつ氷は融解し，－1℃付近でし，特に北海道等の寒冷地で捕獲される複数の魚類がは図 1C の様な海島構造を呈する．
「島」に相当する楕

AFP をもつことを明らかにした（Nishimiya et al. 2008）．

円～円盤型のものが単結晶氷である．つまり，凍結の瞬

これと同時に日本人が日常的に食べている魚の切り身か間にできる氷は多くの単結晶氷が境目なく融合した多結らも AFP を大量に取得できることを発見し，魚肉すり

晶氷である．そこから溶け出してバラバラになった単結

身懸濁液から AFP を精製する方法として明細書に纏め晶が図 1C の様に観察される．通常の氷が多結晶氷であ特許を取得した（津田・三浦，2008，2009）．日本には蒲ることを端的に表わすために，実際の氷の写真を図 1D

鉾等の“練り物”を献立とする食文化があり，トン単位のに，そのイラストを図 1E に示す．我々が普段目にする

魚肉すり身を生産する工場やその流通システムが全国に氷の中で恐らく唯一の単結晶氷が雪の結晶であり，それ展開されている．著者らは，そうした分野を手がける国以外の氷，すなわち製氷皿で作る氷，飲食に用いる氷，

内企業の協力を得ることで，安価な魚類 AFP の量産化池に張った氷，氷山等は全て多結晶氷である．AFP をに向けた取り組みを続けてきた．その結果，同企業に理解するためにはこの事実を知ることが欠かせない．

よって 2016 年 9 月に従来品の 1/10～1/100 以下の価格
で AFP 試料が製品化され，現在も販売が続いている．

2.2 AFP とは

以下では，水と氷に関する基礎的知見を踏まえた上で日

1 気圧下で生成する円盤型の単結晶氷（図 1C）は，図

本産魚類由来 AFP の構造と機能について詳述する．

1F に示される様な六角形模様に規則的に配列した水分水の凍結を妨げる分子メカニズム53

図 1：氷に関する説明．A．水の顕微鏡画像（黒は不純物）．B．水が凍結した瞬間を捉えた顕微鏡画
像．C．B でできた氷（多結晶氷）を加温したときに生じる無数の単結晶氷．右下のスケールバーは
5 m を示す．D．普段目にする氷．E．D が単結晶氷の融合物であることを表すイラスト．F．単結晶氷を構成する水の配列規則性（単位格子）．球は水の酸素原子．G．F の基底面と第 2 プリズム面（破線部分）を示したもの．H．F の第 1 プリズム面（実線部分）とピラミダル面を示したもの．
I．AFP Ⅲの分子表面（GRASP 表示）に観測される 6 個の結合水．これらのうち 1，2，3，5 は第 1
プリズム面を構成する水分子と同じ空間配置をとる．また，2，4，5，6，7 はピラミダル面を構成す
る水分子と同じ空間配置をとる．

子群で構成されている．この規則性を示す最小単位のこた．その結果，AFP はタイプに依存して大きく構造骨とを結晶学では単位格子または単位砲と呼ぶ．単結晶氷格が異なるものの，多くの場合，それらの分子表面にはの単位格子は 4 つの単位ベクトル（a1－a3 ならびに c 軸）

一定の間隔で並んだ結合水が観察されることが分かってで規定される六方晶系に分類される．英語ではこれをきた．例えば，AFP Ⅲの分子表面に水素結合している 6

hexagonal ice crystal（Ih）と呼ぶ（Hobbs, 1974）．なお，個の水分子（図 1I）は，第 1 プリズム面ならびにピラミ

六角形模様の単位格子は単に水分子の配列規則性を示す

ダル面を構成する水分子と同じ空間配置をとる．すなわ

もので，1 気圧の過冷却水の中に顕微鏡で観察される単ち「AFP は単結晶氷の一部を表面にまとったタンパク

結晶氷は必ず円盤型である．一方，空気中の水蒸気から質」と言うことができる．AFP Ⅱは C 型レクチン，

単結晶氷が成長するときには六角板／六角柱を中心に

AFP Ⅲはシアル酸還元酵素，AFGP はトリプシノーゲ

a1～a3 軸方向に結晶成長が起こり，皆が知る樹枝状氷結

ンと構造骨格が酷似しており，これらの“先祖タンパク晶（雪の結晶）に変形する．このため，樹枝状氷結晶の質”が長い年月をかけて変異を繰り返し，それらの分子中心部には必ず六角模様が観察される．図 1F（Ih）を構

表面にある結合水が氷結晶様の配置に変化したものが成する上下の六角形の氷晶面をベーサル面（基底面），実

AFP として現在に残ったのではないか？と推察されて線で囲った氷晶面を第 1 プリズム面（柱面），破線で囲っいる（Graham et al., 2022）．

た氷晶面を第 2 プリズム面と呼ぶ．c 軸に対して斜めに

上述の通り，顕微鏡下に水を凍らせて多結晶氷を作りカットした氷晶面がピラミダル面である．六角形模様は0℃付近にまで加温すると，図 1C の様な単結晶氷の分散

基底面にのみ観察される．これらの氷晶面の水分子の配状態が形成される．これと同じ操作を AFP 水溶液につ列を図 1G と図 1H に示す（津田，2018）．0℃以下の水中いて行い，顕微鏡を用いて単結晶氷の海島構造を観察しに存在する単結晶氷が周囲の水分子を取り込んで結晶成た例を図 2A に示す．このように AFP 水溶液中に生成長を起こしている間，これらの氷晶面は絶え間なく生成する単結晶氷は，その表面に AFP が無数に結合するこ

して面積を拡大し続ける．これと同時に単結晶氷同士がとで米ツブの様な形になる．1 個の米ツブだけを残し，氷晶面を介して無限に融合し合い，多結晶氷を形成する

それ以外を融かす様にステージ温度を調整し，米ツブ模と考えられる．

様の単結晶氷を高倍率で撮影した結果を図 2B と図 2C

これまでに X 線や NMR などの構造生物学的手法をに示す．図 2B は六方両錐体（hexagonal bipyramid），図用いることで AFP の 3 次元分子構造が解析されてき2C は六方偏四角面体（hexagonal trapezohedron）と呼54

津田 栄，新井 達也

図 2：AFP の単結晶氷結合メカニズム．A．AFP 水溶液を凍結後に 0℃付近まで加温したときの顕微鏡画像．単結晶氷は米ツブ型に変形する．B．AFGP の結合によって六方両錐体（hexagonal bipyramid）に変形した単結晶氷とそのイラスト表現．
C．AFP Ⅱの結合によって六方偏四角面体（hexagonal trapezohedron）に変形した単結晶氷とそのイラスト表現．D．AFP の結合に伴う単結晶氷の変形過程を表すイ
ラスト．a．水中に生じる円盤型単結晶氷，b．AFP の結合に伴い六角平面に変形した単結晶氷，c．新たな円板型単結晶氷が二次元核生成により六角平面上に生成する様子，d．AFP 結合により六角平面型単結晶氷が積み上がって行く様子，e．B と同じ．f．C と同じ．g．昆虫 AFP などが基底面に結合したときにできるレモン型
氷結晶．E．AFP の表面にある氷結晶様の結合水が単結晶氷の表面に接した瞬間に結晶中に飲み込まれる様子を表したイラスト．単結晶氷の成長界面（黄色）はQuasi liquid layer（準液体層）と呼ばれている．

ばれており，本稿ではこれらをまとめてバイピラミッド

によって構成されると考えられている．図 1I の様な結氷結晶と呼ぶことにする（津田，2018）．円盤型単結晶氷

合水に加えて，単結晶氷とは異なる五角形模様の水分子の表面にプリズム面やピラミダル面（図 1G，H）の水分

ネットワーク（polypentagonal water network）が AFP

子群が現われた瞬間，AFP は表面の結合水（図 1I）を介の分子表面に形成されている場合がある（Sun et al.

してそれらに結合し成長を止める．その結果，円盤型単2014）．こうした氷結晶様の水分子ネットワークは，

結晶氷はこうしたバイピラミッド氷結晶に変形すると考AFP が瞬時に QLL に混ざる上で有利に働くと考えられえられる．円盤型単結晶氷がバイピラミッド氷結晶に変ている．

化する過程を描いたイラストを図 2D に示す．AFP に挟まれた部分が曲率を帯びるために水を取り込めず，そ2.3 熱ヒステリシスの成長が止まる現象（図 2Db）は Gibbs-Thomson 効果

魚類 AFP を結合した単結晶氷がバイピラミッド型氷として知られる．氷晶面の上に円盤型単結晶氷が生成す結晶（図 2B，C）になることは既に述べた．この単結晶る現象（図 2Dc）は二次元核生成（two-dimensional nu-

氷が顕微鏡下に観察されている状態でステージの温度をcleation）と呼ばれる（Sazaki et al. 2010）．図 2E に示す

下げて行くと，例えば－2℃付近でバイピラミッドの上様に，AFP の分子表面にある氷結晶様の結合水（図 1I）

端と下端から爆発的な成長が起こり，針状の氷結晶になは，過冷却水中に存在する単結晶氷の表面に接触した瞬る．これは，魚類 AFP が単結晶氷の基底面に結合して間に中に取り込まれて単結晶氷の一部になると考えられおらず，その成長が強く抑制されないことに起因する．

て い る．こ の た め，氷 結 晶 様 の 結 合 水 は Anchored

高活性型の昆虫 AFP や微生物 AFP が単結晶氷の基底

Clathrate Water（ACW）とも呼ばれる．即ち，AFP は面とプリズム面の両方に結合している場合には，レモン

図 2E に示す ACW メカニズムによって単結晶氷の特定型単結晶氷（図 2Dg）の赤道付近から爆発的な成長が起の氷晶面に強く特異的に結合すると考えられる

こる（Scotter et al., 2006）．このように，温度低下に伴い（Garnham et al., 2011）．AFP が接触する単結晶氷の成

1 個の AFP 結合状態のバイピラミッド氷結晶が結晶成

長界面は疑似液体層（Quasi-liquid layer，QLL）と呼ばれ長 を 開 始 す る 温 度 の こ と を 非 束 一 的 凝 固 点（non-るもので，自由水と結晶水の中間の性質をもつ水分子群

colligative freezing point）（Tf＊）と呼び，通常の水の凝水の凍結を妨げる分子メカニズム55

図 3：魚類由来不凍タンパク質（AFP）の分類．日本近海で捕獲されるコマイ，トウガレイ，シチロウウオ，ナガガジが不凍糖タンパク質（AFGP）並びに不凍タンパク質（AFPⅠ～Ⅲ）をもつことが明らかにされている．いずれも複数のアイソフォームで構成されており，AFGP のア
イソフォームには分子量分布がある（3～32 kDa）．タイプに応じてアミノ酸配列，分子量，立体構造などが大きく異なる．個々の AFP が結合する氷結晶面を特徴欄に青字で示す．

固点（Tf）とは区別する．これとは逆に温度上昇に伴ってバイピラミッド氷結晶が融解する温度が融点（Tm）であ る．Tm と Tf＊ の 差 は 熱 ヒ ス テ リ シ ス（Thermal

3．日本産魚類由来 AFP の特徴
3.1 AFGP

Hysteresis，TH）と呼ばれ，バイピラミッド氷結晶が成

日本国内で捕獲される魚類の中で AFGP を含むもの

長も融解もせずに安定に存在できる温度範囲を表すにコマイ（Eleginus glacilis, Saffron cod）
（図 3）がある．

（TH＝Tm－T ）（Raymond & DeVries, 1977）．Tmの値

AFGP は A-A-T（A：アラニン，T：スレオニン）で表わ

は AFP に依らず概ね 0℃だが，強く単結晶氷の成長をされる 3 残基のペプチドの反復配列（Tandem repeat）

抑制する AFP は T を押し下げるため TH 値が大きくによって構成される一本鎖ポリペプチドであり，Thr のなる．即ち，TH は AFP の氷結晶成長抑制能の強さを側 鎖 の OH 基 は 必 ず 二 糖（ -D-galactosyl（1→3）- -N-表す物理量である．なお，Tfは昇温速度，降温速度，単acetyl-D-galactosamine）で修飾されている．AFGP は結晶氷サイズに依存して変化するため，AFP 間で TH

反復回数（n）が異なる複数アイソフォームとして魚体値を比較するためにはそうした測定条件を統一しなくて内に発現されており，n＝52（156 残基，M.w.＝34 kDa）

はならない．また，示差走査熱量計（DSC）は水が氷すのものを AFGP1，n＝4（12 残基，M.w.＝2.6 kDa）のもなわち多結晶氷に変化するときの潜熱を測定するもののを AFGP8 と呼ぶ．これらに AFGP2（n＝45，29 kDa），

で，AFP が結合した 1 個の単結晶氷の成長開始温度を

AFGP3（n＝32，21.5 kDa）
，AFGP4（n＝26，17 kDa），

測定する方法ではないため，正しい TH 値を与えない．

AFGP5（n＝16，10.5 kDa）
，AFGP6（n＝12，7.9 kDa），

現時点では AFP 水溶液の TH 値を測定するためには冷

AFGP7（n＝5，3.5 kDa）を加えた合計 8 種類のアイソ

却加熱ステージを備えた顕微鏡システムが必要不可欠とフォームが AFGP の天然物を構成すると考えられてい言える．

る（Osuga & Feeney, 1978）．なお，コマイ由来の AFGP

＊
f

＊
f

は A が R（アルギニン）や P（プロリン）に置換された
アイソフォームを含んでいる（Burcham et al., 1086）．
AFGP は南極海に生息するノトセニア科魚類と北極海津田 栄，新井 達也

56に生息するタラ科魚類から発見されたものだが，これらあり，同分子は一本鎖の魚類が赤道を越えて北極と南極の間を往来したとは考Yang, 1995）．BpAFP1 も同じ構造を形成し，その棒状

え難いため，各々が如何にして AFGP 遺伝子を獲得し分子の片側に T（スレオニン）の OH 基が 16.5Å の間隔

たかが大きな謎であった．DNA 解析の結果，南極魚類で配列すると考えられる．Alaskan plaice や Yellow-tail

由来の AFGP はトリプシノーゲンから派生したと考え

flounder から見出された AFP Ⅰも n＝3 のペプチドだ

られる一方，北極魚類由来 AFGP の遺伝子にはそうしが，例外的に n＝12 の AFP Ⅰ（Maxi，194 残基）が 2004

た遺伝子の痕跡が全く認められなかった．これにより，年に発見された．X 線結晶構造解析の結果，Maxi はAFGP は 1 つの先祖タンパク質から派生したものでは400 個以上の五角形模様の水分子ネットワークに取り囲なく，収斂進化（convergent evolution）の産物であるとまれていることが判明した．このような単結晶氷に酷似考えられる様になった（Chen et al, 1997）．AFGP は冷した水分子ネットワークを伴うことで Maxi は単結晶氷

水に極めて良く溶けること（1,200 mg mL

以上），約の全面に結合する能力を有すると考えられている．但の AFGP 水溶液について約 2℃の TH 値

し，Maxi は極めて不安定なタンパク質である．なお－1

200 mg mL－1

ヘリックスであった（Sicherl &が見積もられること，単結晶氷の第 1 プリズム面に特異

AFPI の仲間はカジカ科魚類からも発見されており，的に結合すること等も明らかにされている（Tsuda et al.,（Thr-X10）の繰り返しが不規性である点と N 末端領域に

2020）．また，AFGP は細胞の脂質二重膜に結合するこ

必ず 1 個の Pro が含まれている点がカレイ類由来のとによって＋4℃下で生殖細胞や浮遊細胞の生存時間を

AFP Ⅰと異なっている．

延ばす細胞保護機能を有する（Rubinsky et al. 1990）．
また，AFGP にはポリプロリンタイプⅡヘリックス構造の形成が予測されているが，現時点ではその X 線結晶構造が解かれていない．

3.3 AFP ⅡAFP Ⅱは C 型レクチンと高い相同性をもつ約 130 ア
ミノ酸残基（分子量 14kDa）の球状タンパク質である（図3）．AFP Ⅱ は ワ カ サ ギ（Hypomesus nipponensis,

3.2 AFP Ⅰ

Japanese smelt）等のキュウリウオ科の魚類に加えてタAFP Ⅰは多数の連続した A から成る約 40 残基の一イセイヨウニシン（Clupea harengus, Atlantic herring），

本鎖ポリペプチドである（図 3）．AFP Ⅰの N 末端は必ケムシカジカ（Hemitripterus americanus, Sea raven），

ず D-T-A-S-D- で始まり，この後に（T-X10）n（X は主とシチロウウオ（Brachyopsis rostratus, Longsnout poach-

して A）で表わされる 11 残基のペプチドの反復配列が続er）等から発見され，3 次元分子構造が解析されている．

く（n＝3）．日本国内に生息するトウガレイ（Pleuronectes

ニシンやワカサギ由来の AFP Ⅱが単結晶氷への結合に

pinnifasciatus, Barfin plaice）（図 1）が 合 計 9 種 類 の1 分子あたり 1 個の Ca2＋ イオンを必要とするのに対し

AFP Ⅰアイソフォームを発現しており，著者らはその（Ca2＋依存型 AFP Ⅱ），ケムシカジカやシチロウウオ由中の 1 つである 40 残基の AFP Ⅰ（D-T-A-S-D-A-A-A-A-

来の AFP Ⅱはこれを必要としない（Ca2＋非依存型 AFP

A-A-A-T-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-T-A-K-A-A-A-E-A-A-A-

Ⅱ）（Nishimiya et al., 2008；津田，2018；Arai et al., 2019）．

A-T-A-A-A-A-）（BpAFP1）の構造解析を行った．このシチロウウオ由来の AFP Ⅱ（LpAFP）は僅か 2 種類の配列から分かるように BpAFP1 の 30/40 残基（75％）がアイソフォームで構成される．他の AFP と同様に，

疎 水 性 ア ミ ノ 酸（A）で あ る．そ れ に も 関 わ ら ず，

LpAFP も冷水に対して 200 mg mL－1 以上の良好な水溶BpAFP1 は 冷 水 に 対 し て 極 め て 高 い 水 溶 性 を 示 す性を示し，同濃度の LpAFP 水溶液について約 3℃の（＞400 mg mL ）．また，濃度約 200 mg mL

におけるTH 値が見積もられている．LpAFP は 0.01 mg mL－1

TH 値は約 3℃と非常に高い．BpAFP1 は低濃度（0.01以下では単結晶氷の第 2 プリズム面に特異的に結合する

mg mL ）では第 2 プリズム面とピラミダル面にだけ結が，濃度上昇に伴って結合領域を拡大し，0.1 mg mL－1

合し，濃度を 10 倍（0.1 mg mL－1）に高めると全ての氷では単結晶氷の全面に結合する．この性質は LpAFP と結晶面に結合を拡大する風変わりな性質を有する

BpAFP に つ い て の み 認 め ら れ て い る（Tsuda et al.

（Mahatabuddin et al., 2017）．低温下（＋4℃）における2020）．全ての AFP Ⅱが 10 個の C（システイン）を含

－1

－1

－1

優 れ た 細 胞 保 護 機 能 は AFP Ⅰ に も 認 め ら れ るんでおり，これらが分子内で 5 対のジスルフィド結合を（Kamijima et al. 2013）．AFP の中で最初に X 線構造が形成することで全体構造が安定化すると考えられてい解かれたのは米国の Winter flounder（Pseudopleuronectes

る．＋4℃下での優れた細胞保護機能は AFP Ⅱにも認americanus）が発現する 37 残基の AFP Ⅰ（wfAFP）でめられている．

水の凍結を妨げる分子メカニズム

3.4 AFP Ⅲ

57

水を入れて冷凍庫で凍らせる実験を行ったときの画像

AFP Ⅲはゲンゲ科魚類の Macrozoarces americanus,

で，凍結に伴いインク成分が濃縮されて色玉が形成する

Ocean pout から発見されたもので，wfAFP と並んで多ことを示している（図 4A→B）．この実験では最も冷熱

くの機能解析が行われている AFP である（図 3）．日本に近い場所が容器のフチと水面であるため，それらの付

国内では寒冷地の汽水域に生息するナガガジ

近にある水が最初に凍結する．即ち，それらの場所で単（Macrozoarces elongatus Kner, Notched-fin eelpout）か結晶氷が発生し，互いに強く結びついて多結晶氷を形成

ら AFP Ⅲが発見された（Nishimiya et al., 2005）．AFP

する（図 4C）．単結晶氷を構成する水分子は様々な配置

Ⅲはアミノ酸組成に偏りの無い 65-70 残基のポリペプチをとるが（図 1F～H），水分子の配列が違う氷晶面であっド（Mw＝7 kDa）であり，ナガガジ由来 AFP（NfeAFP）ても成長界面にある準液体層（図 2E）を介して無限に結の天然物は 13 種類ものアイソフォームの混合物である．

びつくことができ多結晶氷が形成されると考えられる．

これらの AFP Ⅲアイソフォームは陽イオン交換樹脂に

一方，構造が異なる赤インク成分は単結晶氷への結合が結合する 6 種類（SP タイプ）と陰イオン交換樹脂に結合許されない．その結果，赤インクは多結晶氷から排除さするもの 7 種類（QAE タイプ）に分けられる．著者られて未凍結部分に溜まると推察される．この現象は添加

は前者に属する NfeAFP6 と後者に属する NfeAFP8，する物質の構造や量，水の粘性，冷却速度等に依っては

11，13 の遺伝子組換え体を作製し，それらの TH 値が大視認されない．

きく異なることを明らかにした．また，NfeAFP6 の 20

AFP は単結晶氷に強く特異的に結合するため，凍結

番目の A（アラニン）を G（グリシン），T（スレオニン），

濃縮現象を抑制する．AFP Ⅲを用いたその実験例を図V（バリン），I（イソロイシン），L（ロイシン）に置換し4 に示す（図 4A→D）．AFP を添加した赤インク水におたものの間で TH 値が大きく異なることを見出した

いても容器のフチと水面付近にある水の中に無数の単結（Mahatabuddin et al., 2018）．これらの X 線構造を解析

晶氷が生成するが，AFP が個々の単結晶氷に結合してした結果，最も高活性の A20I 変異体（図 1I）の分子表

成長と融合を阻害する結果，多結晶氷ではなく単結晶氷面にのみ強固な五角形模様の水分子ネットワークが形成の分散状態が形成される．赤インク成分は互いに結びつされていることが明らかになった．AFP Ⅲは 3-5 残基

かない単結晶氷の隙間に存在し，凍結濃縮が起こらない．

の短鎖構造で構成される円形セグメントが 2 つ寄りこうした凍結濃縮インヒビターとしての AFP の活用例

添った全体構造を形成している．これをプレッツェルを図 4F～H に示す．これらは左から 0，0.05，0.2 mg（Pretzel）構造と呼ぶことがある（Antson, et al. 2001）．

mL－1 になるように AFP Ⅲを添加した 0.5 重量％濃度

ヒトシアル酸合成酵素と構造が似ていることから同酵素の 寒 天 ゲ ル の 凍 結 解 凍 後 の 写 真 で あ る（凍 結 温 度＝が AFP Ⅲの先祖タンパク質と考えられている．一方の－18℃，凍結時間＝12 時間）．図 4F のように，AFP を円の表面に単結晶氷と結合するアミノ酸残基が配置して添加していない寒天ゲルでは多結晶氷が高分子鎖のネッおり，それらに捕捉された結合水が単結晶氷のプリズム

トワーク構造を破壊する．その結果，ゲル構造が保持さ面とピラミダル面に特異的に結合すると考えられていれず保水力も失われる．一方，0.2 mg mL－1 という極微る．NfeAFP も冷水に溶けるが他の AFP に比べると溶量の AFP を添加した寒天ゲルはその内部が単結晶氷のけ切るまでに要する時間が長い．最大溶解度は約 100

分散状態で満たされ，多結晶氷ができないためにゲル構

mg mL－1，TH の最大値は約 2℃と報告されている．

造が保持される（図 4G，H）．凍結濃縮は加工食品，スー

AFP Ⅲも＋4℃下において優れた細胞保護機能を発揮す

プ類，氷菓子類，麺類，パン類，野菜，果実，種子，清る．

涼飲料水，酒類，医療品，化粧品，インク顔料，高分子
ゲル，細胞，組織，臓器などの含水物を凍結保存する際

4．AFP の応用技術
4.1 凍結濃縮インヒビターに問題になる現象である（津田，2018）．従って，AFP
はこうした含水物の凍結保護剤として活用できる可能性がある．なお，糖やジメチルスルホキシド（Dimethyl

何らかの物質を添加した水を冷凍庫等で凍らせたと

sulfoxide，DMSO）等も単結晶氷と容易に結びつき凍結

き，その物質が氷の中央付近に濃縮される凍結濃縮

濃縮を抑制するため，食品や細胞の凍結保護剤として広（Freeze-induced concentration）と呼ばれる現象が観察く用いられている．また，液体窒素やディープフリー

されることがある（Yamanouchi et al., 2013）．図 4 にそザー（－80℃）を用いて瞬間凍結を行った場合にも凍結の例を示す．これは四角形のアクリルケースに赤インク

濃縮が抑制されるが，これらに比べると AFP はエネル

58

津田 栄，新井 達也

図 4：AFP の凍結濃縮抑制効果．A．透明なアクリルケースに入れた赤インク
水（50 mL）．B．A を家庭用冷凍庫（－18℃）で凍らせたときに観察される凍結濃縮現象．C．B のイラスト表現．結晶成長する氷（多結晶氷）からインクが排除されて濃縮する．D．AFP を添加した赤インク水凍結物の画像．凍結
濃縮現象が抑制される．E．D のイラスト表現．AFP が結合した単結晶氷が分散状態を形成するためインク成分が濃縮されない．F～H．左から 0，0.05
mg mL－1，0.2 mg mL－1になるように AFP Ⅲを添加した 0.5 重量％の寒天ゲ
ルを凍結解凍した後の写真．

ギー消費量が少なく取り扱いが容易な凍結濃縮インヒビ
ターと言える．
4.2 コールドスリープ（人工冬眠）技術への応用可能性
AFP 水溶液の凍結過程の想像図を図 5 に示す．水（a）
を冷やし続けると 0℃以下でも凍らない過冷却水（b）になることは既に述べた．この過冷却水の中に極めて小さな単結晶氷（核）が生成することで凍結が起こり水は多結晶氷（c）に変化するが，このとき AFP は個々の単結
晶氷に結合して，それらの結晶成長と続く多結晶氷形成を阻害している可能性がある．即ち，AFP は水の過冷却状態を安定化すると想像されるが，現時点でその実験的証拠は得られていない．著者らはそうした予想に関係するデータを得るために，体液成分として高活性型
AFP をもつオオクワガタ（Dorcus hopei binodulosus,
Stag beetle）の幼虫を－5℃の冷凍庫内に静置して 24 時
間後の生存率を調べた（Arai, et al., 2021）（山内の稿参照）．驚いたことに，冷凍庫から取り出した 10/10 頭の幼虫の身体は凍っておらず，室温に戻ると元気に動き回った（生存率＝100％）．一方，幼虫を湿紙の上に置いた状態で同じ実験を行うと幼虫の身体は凍結し，3/3 頭

図 5：不凍タンパク質（AFP）の水溶液が凍結する過程の想像図．
（a）AFP を含んだ水．
（b）過冷却水の中に発生した単結晶氷に AFP が結合する様子を描いたイラスト．円盤型の単結晶氷は AFP の結合に伴い六角平面やバイピラミッド型に変形する．
（c）AFP を含む水の凍結状態を描いたイラス
ト．AFP が結合した微細氷結晶の集合体（懸濁状態）が生成すると考えられる．このときの凝固温度（Tf＊℃）は非束一的凝固点（Non-colligative freezing point）と呼ばれており，通常の凝固点とは異なる．

水の凍結を妨げる分子メカニズム

がすべて死滅した（生存率＝0％）．また，高活性型 AFPを添加した細胞保存液を用いてラット膵島細胞を－5℃の過冷却状態で保存したところ，20 日後で 53％という極めて高い生存率が得られた（Yamauchi et al., 2021）．
過冷却状態にある昆虫の体液や細胞保存液の中で AFPが単結晶氷と結びつき，それらを極微少サイズに抑制したために，細胞が損傷を受けず生命機能が保持されたのかもしれない．水の凍結現象が生命に危機的状況をもたらすことは疑いようがない．より多くの研究データを得ることで生物の低温適応能力と AFP の関係が一層明らかになり，AFP がコールドスリープ技術等に応用され

59

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謝辞

Kamijima, T., Sakashita, M., Miura, A., Nishimiya, Y., & Tsuda,
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本研究を進めるにあたり，株式会社ニチレイ 小泉雄

Phys. 136, 094507 (1-18).

insulinoma cells during hypothermic preservation. PLoS
One, 8, e73643.

史氏，井上敏文氏，石井寛崇氏から極めて多くのご協力

Takahashi, T. M., Sunagawa, G. A., Soya, S., Abe, M., Sakurai,を頂きました．不凍タンパク質の精製技術は産業技術総K., Ishikawa, K., Yanagisawa, M., Hama, H., Hasegawa, E.,合研究所 三浦 愛氏とともに開発しました．北海道大学
大学院生命科学院 山内彩加林氏（現 北海道大学低温科学研究所 助教）には特に細胞保存に関する極めて多く

Miyawaki, A., Sakimura, K., Takahashi, M., & Sakurai, T.
(2000) A discrete neuronal circuit induces a hibernationlike state in rodents. Nature 406, 611-614.

のデータを取得して頂きました．北海道大学低温科学研

Mahatabuddin, S., Hanada, Y., Nishimiya, Y., Miura, A., Kondo,
H., Davies, P. L., & Tsuda, S. (2017) Concentration-

究所 教授 佐﨑 元氏には本論文を査読して頂きました．

dependent oligomerization of an alpha-helical antifreeze

これらの方々を始め，AFP の研究にご協力を頂いた全

polypeptide makes it hyperactive, Sci Rep, 7, 42501.
Mahatabuddin, S. & Tsuda, S. (2018) Applications ofての方々に心から感謝を申し上げます．

Antifreeze Proteins: Practical Use of the Quality Products
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津田 栄，三浦 愛（2009）特許「魚類由来の不凍タンパク質」第 4332646 号．
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低温科学 81 （2023） 61-70
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 61

メダカに学ぶ脊椎動物の冬季適応戦略
中山 友哉1)，吉村 崇2)2022 年 11 月 29 日受付，2023 年 1 月 6 日受理

四季が存在する温帯地域では，季節の変化に伴って大きな環境変動が起きる．温帯に生息する動物
はやがて訪れる冬季の環境を乗り越えるために，様々な生理機能や行動を秋から冬にかけて変化させるが，その分子機構の多くは謎に包まれている．本稿では，季節適応の研究において優れたモデルであるメダカに対して，オミクス解析やケミカルゲノミクス，ゲノム編集などの様々なアプローチを適用することで明らかとなってきた脊椎動物の冬季適応戦略について紹介する．また，メダカで明らかとなったメカニズムについてヒトとの共通点やヒトへの応用についても議論する．

Winter adaptation strategies of vertebrates: lessons from medaka
Tomoya Nakayama1 and Takashi Yoshimura2
In temperate climate, various ecosystem components show dynamic seasonal changes, for example, animals
change their physiology and behavior from autumn to winter to cope with the oncoming winter. However, theirunderlying molecular mechanisms remain poorly elucidated. In this paper, we introduce winter adaptation strategies
of vertebrates that have been revealed by integrating various approaches such as multi-omics analysis, chemical
genomics, and genome editing to medaka fish (Oryzias latipes), an ideal model for studying seasonal adaptation. We also
discuss similarities between medaka and humans as well as possible applications of our findings to human health.
キーワード：メダカ，冬季適応，色覚，社会性，冬季うつ病
medaka, winter adaptation, color perception, sociability, winter depression

1. はじめにする動物は冬への適応戦略機構を進化の過程で獲得してきた．冬眠はよく知られた冬への適応戦略の一つである

四季が存在する温帯地域では，季節の変化に伴って 1が，冬眠をしない動物においても体内の様々な生理機能

年を周期とした環境変動が起きる．1 年中気温が安定しや行動が秋から冬にかけて変化することが知られていている熱帯と異なり，温帯では冬に気温が大きく下がるる．繁殖はエネルギーコストが高い活動の一つであり，上，エネルギー源となる食料が乏しくなるため，多くの温帯に生息する多くの動物は特定の季節にのみ繁殖を行動物にとって厳しい季節である．そのため，温帯に生息

う．ウズラやハムスターなど孵卵期間や妊娠期間が短い

連絡先
吉村 崇
名古屋大学
〒464-8601 愛知県名古屋市千種区不老町
Tel. 052-789-4056
e-mail：takashiy@agr.nagoya-u.ac.jp⚑）名 古 屋 大 学 高 等 研 究 院（Institute for Advanced
Research, Nagoya University），名古屋大学大学院生命農学研究科動物統合生理学研究室（Laboratory of Animal

Integrative Physiology, Graduate School of Bioagricultural
Sciences, Nagoya University）⚒）名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所（Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM),
Nagoya University），名古屋大学大学院生命農学研究科動物統合生理学研究室（Laboratory of Animal Integrative
Physiology, Graduate School of Bioagricultural Sciences,
Nagoya University）

62

中山 友哉，吉村 崇

動物は，日長が長くなる春に繁殖を開始し，日長が短く

このように動物の装飾や体色は，繁殖期における視覚のなる秋に繁殖を停止する．彼らは食料が豊富な時期に仔重要性を示している．眼の網膜には，視覚をつかさどっが生まれるよう春から夏にかけて繁殖活動を行い，秋かている視細胞があり，桿体細胞が薄暗いところで薄明視

ら冬にかけてエネルギー消費を抑えるため繁殖を停止すに関わっており，錐体細胞が明るいところで色覚を担っる生存戦略をとる．また，回遊や渡りも特定の季節に行ている．ヒトの眼には，青，緑，赤の 3 つの色を感じる

われる．ブリやマイワシは水温の低下を避けて秋から冬

錐体視物質（オプシン）がそれぞれ一つずつある一方で，に暖かい海域に移動する．また，ハクチョウやカモなど

メダカの眼には紫，青，緑，赤の 4 つの色を感じるオプ

多くの渡り鳥は食料が豊富で温暖な気候を求めて，秋にシンがそれぞれ二つずつ，合計 8 つも存在する．これま

大規模な渡りをすることが知られている．このように，での魚類を用いた研究から，これらのオプシン遺伝子の動物はやがて訪れる厳しい冬季の環境を乗り越えるため発現量は，生息地域の環境変化に応じて変化することがに，様々な生理機能や行動を変化させるが，その分子機報告されている．例えば，トゲウオの赤オプシン（LWS

構の多くは謎に包まれている．

（Long-wave-sensitive）オプシン，赤感受性）の発現量は

地球上には姿，形，能力が異なる多種多様な生き物が日長に応じて変化し（Sato et al., 2014），スズメダイの赤

存在しているが，ある生命現象の仕組みを解き明かすにオプシンおよび緑オプシン（RH2（Rhodopsin 2）オプシは，数ある生物種の中からその研究に最適な種を選ぶこ

ン，緑感受性）の発現量は水深に応じて変化することがとが重要である．モデル動物の代表とも言えるマウス

わかっている（Stieb et al., 2016）．これらの報告から，（Mus musculus）やショウジョウバエ（Drosophila mel-

遺伝子発現の変化により色に対する感受性が変化する可anogaster）は生物学の発展に大きく寄与してきたが，季能性は指摘されていたものの，制御機構や生理学的意義

節に対する応答性が不明瞭である．当研究室ではこれまについては，これまで未解明のままであった．

で洗練された季節応答を示すウズラ（Coturnix japonica）

私たちはメダカをモデルとして脊椎動物の季節適応のを用いることで，春を感知して繁殖を開始する脳内情報研究をしている中で，自然条件下において夏と冬でメダ伝達経路を明らかにしてきたが（Yoshimura et al., 2003;

カの行動が大きく変化することに気づいた．この行動のNakao et al., 2008; Nakane et al., 2010），ウズラは遺伝子

季節変化に興味を持ち，短日・低温（10 時間点灯，14 時

操作が難しく，遺伝子改変動物の作出がルーチンワーク

間消灯，水温 8℃）の冬を模した条件下で飼育したメダと し て 行 え な い と い う 限 界 が あ っ た．一 方，メ ダ カ

カと，長日・温暖（14 時間点灯，10 時間消灯，水温 26℃）

（Oryzias latipes）は，北は青森，南は沖縄まで日本の広の夏を模した条件下で飼育したメダカの行動を観察しい範囲に生息しており，明瞭な季節応答性を示すことがた．その結果，屋外での観察の結果と同様，夏のメダカ

知られている．また，ゲノム編集技術が確立しており，は水槽全体を活発に動き回ったのに対して，冬のメダカ

遺伝子操作が比較的容易に行える大きな利点があるた

は水槽の底でじっとしていることが明らかとなった（図め，脊椎動物の季節適応の研究において優れたモデルで

1a）．この行動の季節変化に興味を持ち，光に対する応ある．本稿では，この優れたモデルであるメダカに対し答性を季節間で比較することとした．多くの魚は新規環てオミクス解析やケミカルゲノミクス，ゲノム編集など境下で一方の側面から強い光を当てると，それから逃げ様々なアプローチを適用することで，明らかとなってき

るように逆側の側面を泳ぐ習性（負の走光性）が知られた脊椎動物の冬季の短日・低温環境への適応機構についている（Brockerhoff et al., 1995）．そこで，この行動をて紹介する．

指標に光に対する応答性を夏のメダカと冬のメダカで評価した．その結果，夏のメダカは，光を避ける負の走光

2．季節（低温）で変化する光感受性と色覚繁殖はあらゆる生物において重要なイベントであり，性を示したのに対して，冬のメダカは反応しなかったため，冬のメダカは光に対する感受性が低下していることが示唆された（図 1b）．

動物たちは繁殖相手を惹きつけるために様々な工夫をす

多くの動物が繁殖期になると婚姻色を示し，異性にアる．クジャクやイワドリは，鮮やかな飾り羽や扇型のト

ピールするように，メダカも繁殖期である春から夏にかサカを雌に見せることでアピールし，雌はこれらの装飾

けて鰭に黒い点が現れ，体の橙色・赤色が濃くなる婚姻を指標に繁殖相手を決める．またサケやアマサギのよう色を示す．季節によって光に対する応答性が異なることに繁殖期に特有の体色となる婚姻色を示す動物や，カメから，婚姻色に対する嗜好性も季節によって異なること

レオンのように体色を変えながら求愛する動物もいる．

が考えられた．そこで，この仮説を検証するために，コ脊椎動物の冬季適応戦略

63

図 1：
（a）冬と夏のメダカの遊泳軌跡．社会性の強いメダカの自然な状態での行動を観察するため，2 匹を供試しており，異なる色の軌跡はその 2 匹の軌跡を示している．
（b）夏のメダカと冬のメダカの光に対する反応の違い．
夏のメダカは光刺激に対して負の走光性を示すが，冬のメダカは示さない（＊P＜0.05）．
（c）ヴァーチャルメダカ
を用いた体色に対する嗜好性の評価．パソコン上で作製した 3D のメダカに動き（Biological motion）を追加する
ことで，モニター上で動くヴァーチャルメダカを作製した．モニターの前に水槽を置いて，実際のメダカを入れ，配偶者嗜好性試験を行った．
（d）ヴァーチャルメダカの体色を変えて嗜好性試験を行ったところ，夏のメダカは婚姻色のメダカに誘引されたのに対して，冬のメダカは誘引されなかった（＊P＜0.05）．
（e）冬の条件から夏の条件に移した際のオプシンに関連する遺伝子発現の変動．マイクロアレイを用いた遺伝子発現解析の結果，冬の条
件から夏の条件に移すとメダカのオプシンの発現が劇的に上昇することが明らかになった．青色と黄色はそれぞれ遺伝子の発現が低い状態と高い状態を示す．
（f）赤オプシン欠損メダカは，夏の条件下で，野生型に比べて婚姻色の配偶者に対する嗜好性が低下していた（＊P＜0.05）

ンピュータグラフィックスで作製したヴァーチャルメダに影響している可能性を排除することができる．これにカを作製し，行動実験を実施した．メダカの求愛行動はよりメダカの体色に対する嗜好性のみを評価することがオスがメスに対して行うため，メスのヴァーチャルメダ

できる．まず，白黒のヴァーチャルメダカを提示したとカをディスプレイに映し出し，ヴァーチャルメダカの体ころ，冬のメダカも夏のメダカも，ヴァーチャルメダカ

色を変えることで，婚姻色に対するオスのメダカの嗜好に誘引される度合い（ディスプレイの近くに滞在した時性を検討した（図 1c）．ヴァーチャルメダカを用いるこ間）は共に少ないことがわかった．続いて，婚姻色のとで，メダカが分泌する化学信号（フェロモン等）が嗜

ヴァーチャルメダカを提示したところ，冬のメダカは誘好性に関与している可能性を排除することができ，また引されなかった一方で，夏のメダカは婚姻色のヴァー

ヴァーチャルメダカの動きを完全に同じものにすること

チャルメダカに強く誘引された（図 1d）．以上のことかができるため，個体ごとに異なる行動パターンが嗜好性

ら，メダカは冬と夏では光感受性や色覚が異なることが64

中山 友哉，吉村 崇

明らかとなった．

のと同様に，メダカは婚姻色を発達させることで異性を次に光感受性や色覚の季節変化の分子メカニズムを明惹きつける．この婚姻色を見分けるために，繁殖期に眼らかにするために，冬の環境から夏の条件に移行した際の光感受性や色覚を顕著に発達させ，それにより繁殖ののメダカの眼の時系列試料を用いた網羅的な遺伝子発現

成功率をあげているのは興味深い適応進化である．

解析を実施した．その結果，視覚をつかさどるオプシン
やオプシンの下流の光情報伝達経路の遺伝子の発現が，冬では著しく低下していたのに対して，夏の条件に移す

3．季節で変化する社会性と急激に上昇することが明らかになった（図 1e）．このヒトの季節性感情障害（seasonal affective disorder：

中には，ロドプシンである RH1，赤色光感受性オプシン

SAD）は特定の季節にのみ，抑うつ症状などの気分の変である LWS，緑色光感受性オプシンである RH2-B，青調が現れる精神疾患で，冬に現れることが多いため「冬色光感受性オプシンである RH2-A,紫外線感受性オプシ

季うつ病（winter depression）」とも呼ばれる．冬季うつンである SWS1 が含まれていた．前述の通り，メダカは病の主な症状には倦怠感や不安感の増加，活力や社会

繁殖期になると体の橙色や赤色が濃くなる婚姻色を示

性・性欲の低下，体内時計の乱れ（概日リズム障害），過す．そこで，これらのオプシンの発現が夏に上昇する生

眠や過食などがあげられる（Rosenthal et al., 1984; Wirz-

理学的意義を検討するため，橙色や赤色の感受に重要なJustice, 2018）．これらは季節繁殖や冬眠などの動物のLWS に着目して，さらなる検証を進めた．

季節応答の表現型と類似点が多いため，冬季うつ病は季

まず，in situ hybridization 法を用いて，赤色光感受性

節繁殖や冬眠の名残だと古くから指摘されてきた．まオプシン遺伝子（LWS）の眼における遺伝子発現を時空た，冬にうつ様の行動が引き起こされることは様々な動間的に解析したところ，光を感知している網膜の視細胞物においても観察されており，このような行動変化は冬層において遺伝子発現が確認され，またその発現量は冬の厳しい環境を乗り切る適応戦略と考えられている．しの メ ダ カ よ り も 夏 の メ ダ カ で 高 か っ た．さ ら に，かし，冬季うつ病の発症機序や冬のうつ様行動の分子メ

CRISPR/Cas9 を用いたゲノム編集技術により，LWS を

カニズムは明らかとなっていなかった．

欠損し，赤色光を感知することができないメダカを作出

メダカは「メダカの学校」と言われるように群れを作っして，光に対する応答性や婚姻色の配偶者に対する嗜好て行動する社会性の高い動物である．前述したように，性を評価した．その結果，LWS 欠損メダカでは，負のメダカにおいても行動が季節によって大きく変化するた

走光性と，婚姻色ヴァーチャルメダカに対する嗜好性が，め，社会性や不安様行動が季節によって変化することが野生型の LWS を欠損していないメダカに比べて低下し考えられた．そこで，メダカにおいてうつ様行動が季節ていることが明らかになった（図 1f）．最後に，オプシによって変化するかを検討するため，夏の長日・温暖条

ン遺伝子の発現を制御する因子を検討したところ，水温件（14 時間点灯，10 時間消灯，水温 26℃）と冬の短日・の上昇が引き金となってオプシン遺伝子の発現が誘導さ低温条件（10 時間点灯，14 時間消灯，水温 8℃）で飼育れることがわかった．以上の結果から，メダカは水温のしたメダカを用意し，社会性や不安の度合いを評価でき

季節変化に応じて，光感受性や色覚がダイナミックに変る行動実験を実施した．見慣れない新奇な水槽に入れら化 し て い る こ と が 明 ら か に な っ た（Shimmura et al.,

れた魚はしばらく水槽の底で身を潜めるが，この時間が

2017）
．

長いと不安が強いと解釈される（新奇水槽試験）．冬の

冬は，夏に比べ日照時間が短く，また水温も低いこと条件で飼育されたメダカは夏の条件で飼育されたメダカから，仔魚や稚魚の成育には適さない．そのため，メダに比べて，水槽の底での滞在時間が長くなることがわ

カは秋になると繁殖行動を停止させ，冬には食料をほとかった．また，明るいエリアと暗いエリアを設けた水槽

んど摂取せず，川底に留まって活動量を低下させる．こに入れたときは，不安が強いと外敵に見つかりにくい暗の間，食料を探したり，婚姻色により交配相手を見分けいエリアに滞在することが知られている（明暗水槽試たりする必要性がなくなるため，オプシン遺伝子の発現験）．そこで明暗水槽試験を実施したところ，冬条件のを抑えることは理にかなっている．また遺伝子発現を抑メダカは夏条件よりも暗いエリアの滞在時間が長く，新えることでタンパク質生産のエネルギーコストを抑制す

奇水槽試験と同様に不安が強いと評価された．三部屋式ることは，重要な適応的意義があると考えられる．一方，

社会性試験は動物の社会性を評価する行動試験である．

春から夏にかけて日照時間が長くなり，水温が上昇する

透明な仕切りで三部屋に区切られた水槽の中央の部屋にと，オスのクジャクが尾羽を伸ばしてメスを惹きつける

観察対象の個体を入れ，残りの部屋の一方にだけ他個体

脊椎動物の冬季適応戦略

65を入れる．すると中央の部屋の観察個体は他個体の入っことが明らかになった．冬季うつ病の症状の一つに約た部屋の近くのエリア（preferential area）に滞在する「社24 時間のリズムを刻む概日リズムの障害が知られてお会性行動」が観察される．しかし，冬条件のメダカはり，これが冬季うつ病の一因と考えられてきた（概日リ

preferential area での滞在時間が夏条件に比べて短かっ

ズム仮説）（Rosenthal et al., 1984; Wirz-Justice, 2018）．

た（図 2a）．これらの行動実験から，メダカは冬の環境

睡眠・覚醒，体温，ホルモン分泌など，細胞レベルから

下では社会性が低下していることが明らかになった．

個体レベルまで，様々な生理機能に概日リズムが認めら

冬における不安感の増加や社会性の低下はヒトの冬季れるが，この概日リズムは「時計遺伝子」と総称されるうつ病の特徴である（Rosenthal et al., 1984; Wirz-Justice,

一連の遺伝子の転写翻訳フィードバックループによって2018）．うつ病はストレスを含めた厳しい環境を乗り切制御されている（Takahashi, 2017）（金らの原稿参照）．

る適応機構であることを考えると，メダカで観察されたヒトの冬季うつ病患者の遺伝解析で，時計遺伝子の冬季の社会性の低下や不安様行動などの表現型からメダ

PER，CRY，BMAL1，CLOCK などに多型が見つかっ

カが冬季うつ病のモデルとなり得ると考えた．また，うており，時計遺伝子と冬季うつ病の関連が指摘されていつ病は複雑な多因子疾患であり，後述するように様々なた（Garbazza & Benedetti, 2018）．メダカのトランスク仮説が提案されているが理解が進んでいない．そのためリプトーム解析の結果，冬条件のメダカでは，時計遺伝

既存の知見に基づく仮説駆動型のアプローチ（hypothe-子の発現リズムが不明瞭になっており，冬季うつ病患者

sis-driven approach）には限界があり，発見駆動型のア同様，
概日リズムが冬季に乱れていることが示唆された．

プローチ（discovery-driven approach）が有効であると次に発現変動していた遺伝子群についてカノニカルパス

考えられた．そこで仕組みの全容を理解するためにマルウェイ解析を実施して，夏と冬で活性が変化する情報伝

チオミクスの網羅的な解析を行うことにした．まずメタ達経路を探索したところ，うつ病との関連が広く知られボローム解析で脳の代謝物の季節変化を検討した．冬条ているグルココルチコイド受容体シグナル伝達経路やエ件と夏条件にそれぞれ暴露したメダカの脳を用いてキャ

ストロゲン受容体シグナル伝達経路を見出した．ストレピラリー電気泳動-飛行時間型質量分析（CE-TOFMS）

スを受けると視床下部─下垂体─副腎（hypothalamus-によるメタボローム解析を実施し，水溶性イオン代謝物

pituitary-adrenal：HPA）軸が活性化し，グルココルチコの季節変化を調べた．その結果，ヒトのうつ病と関連がイドの分泌が亢進するが，HPA 軸の異常はうつ病を含指摘されているセロトニンやグルタミン酸などの神経伝

め た 様々 な 精 神 疾 患 と の 関 連 が 報 告 さ れ て い る達物質や抗酸化物質のグルタチオンなど，68 個の代謝物（Pariante & Lightman, 2008）．また閉経後の女性だけでがメダカの脳で変化していることが明らかになった．選なく，男性においてもエストロゲンが抗うつ作用を持つ

択的セロトニン再取り込み阻害薬（SSRI）が抗うつ作用

ことが知られている（Xu et al., 2017）．さらにこれらのを示すことから，セロトニンはうつ病に寄与していると

情報伝達経路のほかにも，炎症反応を担うインターロイ

考 え ら れ て き た（セ ロ ト ニ ン 仮 説）
（Andrews et al.,キンに関連する遺伝子群や，炎症の原因となる酸化スト

2015）．メダカの脳においてはセロトニンの量が季節にレスに関連する NRF2 抗酸化経路の活性が冬と夏の間

よって変化しており，冬に増加していることが明らかとで変わることが明らかになった．この結果はメタボロー

なった．また，NMDA 型グルタミン酸受容体に作用すム解析で検出した抗酸化物質のグルタチオン量の季節変るケタミンは即効性のある抗うつ薬として注目されてい化の結果とも一致する．近年，炎症反応はアルツハイ

る．メダカの脳においてはグルタミン酸の量は冬に増加

マー病やパーキンソン病などの神経変性疾患だけでなしていた．さらに近年，酸化ストレスとうつ病の関係がく，うつ病を含めた精神疾患の病態や発症に関与するこ指摘されているが（Yang et al., 2018），抗酸化物質であとが指摘されている（うつ病炎症仮説）（Mille & Raison,

るグルタチオンは冬に減少していることが明らかとなっ2016; Wohleb et al., 2016）．炎症性サイトカイン刺激はた．このように，ヒトのうつ病に関与する複数の代謝物

活性酸素種の増加を介して神経細胞の障害を誘導するとが冬と夏のメダカの脳で変動することが明らかになった考えられている．この神経細胞障害によって神経細胞のことから，改めてメダカは冬季うつ病のモデルとして妥

樹状突起スパインの密度が減少する（Mille & Raison,

当であると考えられた．

2016）．樹状突起スパインはシナプス後部の棘状構造で次に脳における遺伝子発現の季節変化を網羅的に調べあり，シナプス後電位や活動電位の発生に関与する．うるためにトランスクリプトーム解析を実施した．その結つ病患者においては海馬の樹状突起スパインの密度の低

果，3,000 個以上の転写産物量が夏と冬の間で変化する

下が報告されているが，冬型のメダカにおいても海馬相66

中山 友哉，吉村 崇

図 2：（a）三部屋式社会性試験の模式図．夏の条件で飼育したメダカはより多くの時間を他個体の近くの Preferential area で過ごしたが，冬の条件で飼育したメダカは他の魚に興味を示さなかった（two-way ANOVA and Sidakʼs multiple comparison test．＊＊ P＜0.01，N.S. 有意差なし，平
均±SEM，n＝15）．
（b）112 種類の既存薬スクリーニングの結果．セラストロールは，1 回目，2
回目，3 回目のスクリーニングを通過した唯一の薬物であった．Y 軸は Preference area と
Avoidance area での滞在時間の log2 比を示す．
（c）セラストロールを投与したメダカの三部屋式
社会性試験の結果．セラストロール投与によって，Preferential area に滞在する時間が有意に長くなった（two-way ANOVA and Sidakʼs multiple comparison test．＊＊P＜0.01，N.S. 有意差なし，
平均±SEM，n＝8-15）．
（d）DMF を投与したメダカの三部屋式社会性試験の結果．DMF の投与によって，Preferential area に滞在する時間が有意に長くなった（two-way ANOVA and Sidakʼsmultiple comparison test．＊＊P＜0.01，N.S. 有意差なし，平均±SEM，n＝8-14）．
（e）手綱核における nrf 2 の発現部位．黒矢尻は nrf 2 のシグナルを示す（スケールバーは 50 M）．HB：手綱核；E：松果体；DM：終脳背側野内側部，VM：視床腹内側核；tro：視索．
（f）nrf 2 変異体における三部屋式社会性試験の結果．nrf 2 変異体は Preferential area に滞在する時間が有意に短くなった（＊P＜0.05，平均±SEM，n＝26-27）．

脊椎動物の冬季適応戦略

67

同領域の樹状突起スパイン密度が低くなることが確認さことが知られているため，まずセラストロールとは化学れた．

構造の異なる NRF2 アクチベーターのフマル酸ジメチ

メタボローム解析とトランスクリプトーム解析を通じル（DMF）においても冬季の社会性を改善できることをて，夏条件と冬条件のメダカの脳の間に様々な違いが明確認した（図 2d）．また，in situ hybridization 法により，らかとなり，ヒトのうつ病との共通点が多数あぶりださ

nrf 2 の発現部位を調べたところ，nrf 2 はうつ病の発症れたが，その中のどれが決定的な役割を果たしているかに重要な役割を果たす手綱核（habenula）で発現していはわからなかった．そこで化合物スクリーニングによっることをわかった（図 2e）．さらに CRISPR/Cas9 法でて重要な因子を絞り込むことにした．ただし，表現型ス

nrf 2 遺伝子の変異メダカを作出し，三部屋式社会性行クリーニングでヒット化合物が見つかったとしても，化動テストを実施した結果，nrf 2 遺伝子変異メダカは野合物のターゲット同定は容易ではない．一般的には細胞生型に比べて preferential area における滞在時間が短く

ベースアッセイであってもターゲット同定は容易ではななることがわかった．以上の結果から，冬条件のメダカいので，動物個体を用いた表現型スクリーニングにターにおける NRF2 抗酸化経路の活性の低下が冬季うつ様

ゲット未知の化合物を用いることは無謀と思われた．そ行動を惹起すること，さらにセラストロールが NRF2 抗のため，この研究ではターゲットが既知で，安全性も確

酸化経路を活性化することで冬季うつ様行動を改善して認されている既存薬ライブラリーを用いた既存薬再開発いることが示唆された（図 2f）（Nakayama et al., 2020）．

（drug repositioning）のアプローチを採用することにしゼブラフィッシュやメダカなどの小型魚類は脊椎動物

た．冬の環境で飼育したメダカの水槽に既存薬を投薬であり，マウスと比べて安価で小さく，動物個体を用いし，24 時間後に三部屋式社会性試験を使って，冬季の社た表現型スクリーニング（phenotypic screening）におい

会性の低下を改善する既存薬を探索した．生化学実験とてもスループットが良い大きなメリットがある．また，は異なり，動物の行動実験は結果がばらつきやすく，再神経伝達物質やその受容体，さらにはそれらを標的とし現性を確認することが極めて重要なので，二人の実験者

た薬剤の効果においてヒトとの高い相同性が認められが独立して実験を実施し，どちらが実施しても再現性をる．そのため，近年欧米のメガファーマにおいてもゼブ確認できる化合物を探索した（図 2b）．その結果，大変ラフィッシュが精神疾患のモデル動物として利用されて幸運なことに，百数十個の既存薬の中から再現性良く社いるが，メダカはあまり用いられてこなかった．今回，

会性を改善するセラストロールを見出すことに成功した

明瞭な季節応答を示すメダカをモデルとしてケミカルゲ（図 2b，c）．セラストロールは中国伝統医薬「雷公藤」

ノミクスのアプローチを適用することで，メダカの冬季の成分の五環トリテルペノイドで，抗がん作用や抗肥満

うつ様行動の制御に NRF2 抗酸化経路が関わっている作用，抗炎症作用などが知られていたが，中枢神経系へことを明らかにすることができた．外部環境が厳しい時の効果は知られていなかった．文献を調べてみると，セはあまり動き回らず，じっとして厳しい時期をやり過ご

ラストロールには様々な標的タンパク質があることがわした方が良いので，メダカの冬季のうつ様行動は厳しいかったが，そのうちの一つにカノニカルパスウェイ解析

環境を乗り切る適応戦略と言える．同様に，ヒトの冬季で見出していた NRF2（NF-E2-related factor 2）があっ

うつ病や大うつ病（major depression）も厳冬期の屋外

た（Seo et al., 2011）．活性酸素種の刺激を受けた細胞での自然環境や，激しいストレスを回避する適応機構と考は NRF2 が活性化し，タンパク質修復や抗酸化物質産生

えることができる．SAD の症状は秋から冬にかけて現に関わる遺伝子群の転写を促進することで酸化ストレス

れ，春から夏にかけて消失するのが一般的である．冬かを減らし，炎症を抑える．NRF2 に制御される抗酸化物

ら春への季節的な環境変化は SAD の究極の治療法であ質の一つにグルタチオンがあるが，本研究のメタボロー

り，これはメダカにおいても同様である．現在広く用い

ム解析で見出したグルタチオンが夏に高いという結果とられているうつ病の動物モデルは，SAD の症状であるも一致していた．炎症はうつ病発症の一因と指摘されて自発的でかつ反復性の気分障害は示さない．SAD 患者

いるが，Nrf 2 欠損マウスがうつ様行動を示すことが報と冬に近い環境で飼育されたメダカの表現型の類似性を告されていることも注目に値する（Martín-de-Saavedra

考えると，メダカをモデルとした研究による発見は季節

et al., 2013）．

的に調節される感情障害の理解と治療に役立つことが期

前述したように多くの化合物は類似した様々なタンパク質に作用するため，仮説の検証実験が不可欠である．
セラストロールも例外ではなく多数のターゲットを持つ

待される．

68

中山 友哉，吉村 崇

4．ヒトとの共通点とヒトへの応用

網膜の光感受性が季節によって変化することが明らかとなった（Okimura et al., 2021）．一方，メダカと異なり，自身の生活環を自然環境に身を任せている動物と異なマウスではオプシン遺伝子の発現は季節変動しておらり，私たち人間は照明や空調を用いることで，光や温度ず，日長によって制御されているドーパミンシグナル伝など本来季節によって変化する環境因子を人工的に制御達経路を介して網膜の光感受性が季節変動していること

し，1 年中快適な環境で生活することができる．また，が明らかとなった．メダカのオプシン遺伝子の発現は水季節に関わらず，いつでも野菜や果物，魚を食べること

温によって制御されていた．一方，マウスのドーパミンができるようになったため，現代の生活から季節感が薄シグナル伝達経路は温度ではなく，日長によって制御さらいでいるが，実は我々ヒトの気分や免疫機能・代謝なれていた．マウスの網膜の光感受性が日長による影響を

どの生理機能も季節の影響を受けて変化する．また，感受けることは，前述したヒトの SAD 患者の事例とも共染症や心疾患・肺がんなどの病気の発症率にも季節の偏通しており，今後網膜のドーパミンシグナル伝達経路をりがあり，多くが冬季に重症化することも知られている標的とする薬剤を開発することによって，SAD の治療（Stevenson et al., 2015）．今回紹介した冬季うつ病もそまたは予防のための別の治療標的を提供する可能性が期の一つである．冬季うつ病をもたらす主要な環境要因

待される．

は，秋から冬における日長や日照時間の減少だと考えら

2 つ目に紹介した研究では，メダカをモデルとするこれている（Rosenthal et al., 1984）．実際，日長の変化がとで，冬のうつ様行動に抗酸化経路である NRF2 抗酸化小さい低緯度地域においては冬季うつ病の発症率は 1％

経路が重要であることを明らかにした．また，ケミカル

以下であるが，欧米などの高緯度地域における罹患率はゲノミクスのアプローチからメダカの冬季うつ様行動を

人口の約 10％だと推算されている．日本においても，冬改善させる薬であるセラストロールを発見することがでの日照時間が短い東北地方や日本海側の地域では冬季う

きた．セラストロールは現在，炎症性疾患や癌の治療につ病の発症率が高い．また，冬季うつ病の治療には冬の使用されており，NF B や熱ショックタンパク質 90 な

日照時間の減少を人工的に補う「高照度光療法」が有効

ど 複 数 の 分 子 標 的 を 持 っ て い る（Kannaiyan et al.,とされている（Rosenthal et al., 1984）．しかし，高照度

2011）．さらに，セラストロールは NRF2 抗酸化経路を

光療法はまぶしい光源の前に長時間拘束される上に，頭活性化することで抗炎症作用を発揮する（Seo et al.,

痛や焦燥感を覚えるなどの副作用があるほか，中断する

2011; Divya et al., 2016）．メダカにおいては，構造的にと抑うつ症状が再発する可能性が高いことが危惧されて異なる NRF2 活性化物質である DMF も冬のうつ様行

いる．一方，汎用される抗うつ薬の選択的セロトニン再動を改善させ，CRISPR/Cas9 によって作製した nrf 2 変取り込み阻害薬（SSRI）の冬季うつ病への有効性も疑問

異体は社会性が低下していた．同様に，Nrf 2 欠損マウ視されている，そのため，冬季うつ病の発症機序の解明

スがうつ病様行動を示すことや，うつ病モデルマウスにと，高照度光療法に代わる新たな治療薬の開発が期待さ

おいて NRF2 アゴニストによる治療が抗うつ効果を示れている．

す こ と が 報 告 さ れ て い る（Martín-de-Saavedra et al.,

1 つ目に紹介した研究では，メダカの光感受性や色覚

2013）．さらに，nrf 2 は夏の条件において手綱核で発現が季節によって変化していることを明らかにした．ましていた．手綱核は魚類から哺乳類まで保存されている

た，これらの季節変化が眼におけるオプシン遺伝子のダ神経核であり，抗うつ薬のケタミンの作用部位という報イナミックな発現変動によってもたらされていることも告もあることから，うつ病への関与が指摘されている．

明らかにすることができた．興味深いことに色覚の季節

これらの事実から，NRF2 は冬季うつ病の新たな治療標

変化はヒトにおいても報告されている（Jordan & Mollon,

的になる可能性があることを示唆しており，この研究を1993; Welbourne et al., 2015）．また，SAD 患者は健常者もとにメダカがヒトの冬季うつ病の理解と創薬に貢献すと比べて冬に網膜の光感受性が低下しており，夏またはることが期待される．

高照度光療法によって網膜の光感受性が回復する．これ
らの事実は，ヒトにおいても網膜の光感受性や色覚が季節によって変化することを示唆しているが，その分子メカニズムは明らかではなかった．そこで，メダカで明らかとなったメカニズムが哺乳類においても共通しているかを検討したところ，マウスにおいてもメダカと同様，

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脊椎動物における温度受容機構の進化的変化と環境適応のつながり
齋藤 茂1)
2022 年 12 月 5 日受付，2023 年 1 月 6 日受理

動物は環境温度を鋭敏に感じとり適した温度を選択する，または危険な温度を忌避するなどの行動
応答を介し外界の温度変化に能動的に適応する能力を発達させてきた．末梢の感覚神経から入力される温度情報は適切な行動応答に欠かせないことから，様々な種が多様な環境に適応する進化過程で温度受容機構は変化してきたと考えられる．近年，温度受容体を起点とした分子的なアプローチによる
種間比較解析が進み，その機能が種間で異なることが明らかとなってきた．本総説では特に，環境適応に関連した温度応答行動，また温度受容体の進化的変化，およびその構造基盤を解明した最新の研究を紹介する．

The association between the evolutionary changes of the thermosensory systemand environmental adaptation in vertebrates
Shigeru Saito1
Animals evolved the ability to sense and behaviorally respond to changing ambient temperatures. Sensory inputs
from peripheral neurons are essential for exerting proper behavioral responses, thus the evolutionary changes of thethermosensory system likely played a fundamental role in the adaptation processes to diverse environments. In recent
years, comparative analyses of temperature receptors were performed in various animal species, which revealed thedivergence of their functional properties among species. The purpose of this review is to summarize the recent
advances in the researches focusing on the evolutionary changes in both behavioral responses and temperature
receptors related to the environmental adaptation, as well as the structural basis for the functional changes oftemperature receptors.
キーワード：温度受容体，環境適応，温度応答行動，温度感受性 TRP チャネル，構造基盤
Temperature receptors, environmental adaptation, behavioral responses, thermosensitive TRP channels,
structural basis

1. はじめにど様々な生理機能に影響を与え，時に生死をも左右し得る環境要因である．しかし，生物は極地のような寒冷地

温度は生体恒常性に欠かせない代謝機能や運動機能なから砂漠のような灼熱の地域まで多様な温度条件の環境

連絡先
齋藤 茂
生理学研究所（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. 0564-59-5287
e-mail：sshigeru@nips.ac.jp⚑）自然科学研究機構 生理学研究所 細胞生理研究部門（〒444-8787 愛知県岡崎市明大寺町字東山 5-1）
自然科学研究機構 生命創成探究センター 温度生物学研
究グループ（〒444-8787 愛知県岡崎市明大寺町字東山 5-1）
Division of Cell Signaling, National Institute for Physiological
Sciences, National Institutes of Natural Sciences, Japan（5-1 Higashiyama, Myodaiji, Okazaki, Aichi, 444-8787,
Japan）
Thermal Biology Group, Exploratory Research Center onLife and Living Systems, National Institutes of Natural
Sciences, Japan（5-1 Higashiyama, Myodaiji, Okazaki, Aichi, 444-8787, Japan）

齋藤 茂

72

図 1：温度受容における TRP チャネルの役割（A）温度受容のシグナル伝達経路．一次感覚神経に存在する TRP チャネルが温度刺激により開口し，神経細胞内に陽イオンを流入させる．ヒトやげっ歯類の TRPV1 は 43℃以上の高温だけでなく，唐辛子の辛み成分であるカプサイシンによっても活性化される．
（B）ヒトの TRP チャネルの分子系統樹．ヒトやげっ歯類
では TRP 遺伝子ファミリーは 28 種類ほどのメンバーで構成され，そのうち星印を付した 11 種類が温度刺激により活性化される．統計的な信頼性を表すブートストラップ値を系統樹の各節に示している．TRPC2 はヒトでは偽遺伝子化しているためマウスのチャネルを用いた．
（C）ヒトやげっ歯類の温度感受性 TRP チャ
ネルが受容する温度．矢印の開始点は各 TRP チャネルが活性化され始める温度（活性化温度閾値）を示す．

に適応し，
地球上のほとんどの地域に分布を広げてきた．

る進化過程で変化してきたと考えられる．

多様な環境へ適応する進化過程で様々な生理機能が変化

神経系が発達した動物では環境温度は表皮下に分布す

し，生存可能な温度域が生物種間で変化してきたと考える末梢神経で受容され，温度刺激によって生じたシグナ

られる．生存可能な温度域を測る指標として，個体が正ルが中枢に伝達される．末梢の感覚神経で発現する常な姿勢を維持しながら活動できる温度の上限（臨界最TRP チャネルが温度受容体として 1997 年に同定されて

高温度，脚注）や下限（臨界最低温度），また，致死温度

以来，マウスなどのモデル生物を用いた研究が盛んに行が多くの動物種で決定され，生息地の温度条件に関連しわれ，温度受容の分子機構の解明が飛躍的に進んだた種差が生じていることが示されてきた（Araujo et al.,（Caterina et al., 1997; Julius, 2013）．それにより温度受

2013; Sunday et al., 2011, 2012）．温度耐性の進化的変化

容体を起点とした分子的アプローチにより温度受容機構には様々な遺伝子が関わってきたと予測され，例えば，を種間で比較することが可能となり，様々な動物種を対不凍タンパク質（津田，山内の稿参照），ヒートショック

象 に し た 研 究 が 展 開 さ れ て き た（Bagriantsev &タンパク質，代謝に関わる酵素などの遺伝子の比較解析

Gracheva, 2015; Laursen et al., 2015; Saito & Tominaga,が行われ，その進化機構に分子レベルで迫る研究が展開

2015, 2017）．本稿では特に，温度受容機構の進化的変化

さ れ て き た（Boothby, 2019; M. L. Liao et al., 2019;と環境適応のつながりの解明に取り組んだ最新の研究を

Tangwancharoen et al., 2018）
．

紹介する．

ところで，臨界最高（最低）温度や致死温度は個体がいやおうなしに不適な高温や低温に曝された際の耐性能を表す指標であり，いわば受動的な温度暴露に対する適

2．動物の温度受容の仕組み

応機構を反映している．一方で動物は環境の温度を鋭敏動物は表皮の温度変化を介して環境の温度を感じていに感知し適した温度の場所に移動する，または組織を損る．脊椎動物では温度は表皮下に分布する一次感覚神経

傷し得る低温や高温を忌避するなど，行動応答を介したの自由終末によって受容され，物理刺激である温度が電能動的な適応機構も発達させてきた．そのような点を考

気的なシグナルに変換され，そのシグナルが脊髄を通し

慮すると温度選択行動および，その制御に欠かせない温脳 に 伝 わ り 温 度 感 覚 が 生 じ る（図 1A）（Julius, 2013;度受容機構は温度耐性と協調しつつ多様な環境に適応す

Patapoutian et al., 2003）．温度受容の初期過程で重要な

温度受容機構の進化と環境適応

73

役割を担う温度受容体の分子実体は長らく不明であった（Gracheva et al., 2010; Kurganov et al., 2014; Laursen et

が，高温の受容体として Transient Receptor Potentialal., 2015; Oda et al., 2016; Saito et al., 2014; Saito et al.,Vanilloid 1（TRPV1）が 1997 年にラットから初めて同定

2017; Saito et al., 2012; Saito & Tominaga, 2017; Sato et

された（Caterina et al., 1997）．この発見が 2021 年のal., 2014; Viswanath et al., 2003）．

ノーベル医学・生理学賞の受賞対象になったことは記憶

また，TRP チャネルは温度だけでなく，機械刺激のよに新しい．TRPV1 は当初，唐辛子の辛み成分であるカ

うな物理刺激や，
化学物質でも活性化される特徴を持つ．

プサイシンの受容体として同定された．カプサイシンは

例えば，TRPV1 は高温とカプサイシンだけでなく酸刺灼熱感を生じさせることから TRPV1 の高温に対する応

激 に よ っ て も 活 性 化 さ れ，ま た 低 温 受 容 体 で あ る

答性が調べられ 43℃以上の高温でも活性化されること

TRPM8 はミントの成分であるメントールによって活性が明らかとなり，カプサイシンによって灼熱感がもたら化される．また，TRPA1 はワサビの辛み成分であるア

される興味深い生理現象の分子機構が解明された．

リルイソチオシアネートや他にも様々な香辛料に含まれTRPV1 の発見を皮切りに，TRP 遺伝子ファミリーにる複数の刺激性の化学物質によって活性化される．温度含まれる 11 種類のイオンチャネルが温度受容体として感受性 TRP チャネルは一次感覚神経だけでなく様々な機能することが明らかとなり，特に温度感受性 TRP

組織で発現し，温度感覚以外の温度に関連した生理機能チャネルと呼ばれている（図 1B）．これらのうち，4 種に関与することも知られている．温度感受性 TRP チャ類が TRPV サブファミリーに，5 種類が TRP melasta-

ネルの詳細な生理機能については本稿の主眼ではないた

tin（TRPM）サブファミリーに，1 種類ずつが TRP an-

め 他 の 総 説 を 参 照 し て ほ し い（Julius, 2013; Laing &kyrin（TRPA）および TRP canonical（TRPC）サブファ

Dhaka, 2016; Patapoutian et al., 2003; Talavera et al.,

ミリーに含まれる．TRP 遺伝子ファミリーのチャネル

2020；富永真琴＆西田基宏，2019）．

には温度受容以外の細胞内シグナル伝達に関わるものも存在することから，進化過程で遺伝子重複によりコピー数が増加し，温度受容体として機能するチャネルが各サ
ブファミリー内で独立に生じてきたと考えられる．

3．温度ニッチに連動した高温耐性と忌避温度の
進化的変化

多くの TRP チャネルは非選択的陽イオンチャネルで温度適応機構の解明には生理的，生態的な類似性を保あり，活性化に伴いナトリウムイオンやカルシウムイオ

ちつつ異なる温度ニッチに適応した近縁種の比較解析がンを細胞内に流入させる（図 1A）．一次感覚神経細胞に有効であり，筆者らは無尾両生類を用いた研究を進めておいて TRP チャネルを介した陽イオンの流入がトリきた（Saito et al., 2016; Saito et al., 2022; Saito et al., 2019;

ガーとなり，更に電位依存性ナトリウムチャネルなどがSaito & Tominaga, 2017；齋藤＆富永，2019）．両生類の活性化され神経発火につながると考えられている．それ

繁殖には水場が必要不可欠であるが，産卵する季節や利ぞれの温度感受性 TRP チャネルは活性化される温度が用する水場の環境が種間で異なる．例えば，ニホンアカ

異なり，ヒトやげっ歯類では TRPV1，TRPV2，TRPM3

ガエルは早春の氷が張るような寒冷期，シュレーゲルア

は高温で，TRPV3，TRPV4，TRPM2，TRPM4，TRPM5

オガエルは春，カジカガエル，ツチガエル，リュウキュ

は体温近傍の暖かい温度で活性化される（図 1C）．一方

ウカジカガエルは春から盛夏にかけて産卵する（図で，TRPM8，TRPA1，TRPC5 は低温で活性化される．

2A）．リュウキュウカジカガエルは温暖な南西諸島に分

これらの TRP チャネルにより哺乳類が受容する温度域

布し，それ以外の 4 種は本州，四国，九州に広く分布しがほぼカバーされている（Bandell et al., 2007; Dhaka et

同所的に生息する．繁殖期や産卵する水場の環境の違い

al., 2006; Laing & Dhaka, 2016）．ヒ ト や げ っ 歯 類 のにより，これらの種の幼生は異なる温度ニッチに適応しTRPA1 の温度感受性については議論があり，低温で活てきたと考えられる．そこで幼生が経験する温度を調べ性化されるという報告がある一方で，温度刺激による活るため，生息地での継時的な水温計測を行ったところ，性化が認められない，または，低温と高温のどちらでも涼しい時期に成長するニホンアカガエルのような種は高活性化されるという報告もある（Bandell et al., 2007;

温をほとんど経験することがないのに対して，浅い水た

Talavera et al., 2020）．一方，鳥類，爬虫類，両生類などまりに盛夏にも産卵するリュウキュウカジカガエルは日の脊椎動物や，昆虫などの無脊椎動物では TRPA1 は低射が強い時間帯に 40℃近くの高水温に曝されることが温ではなく，
高温により活性化され，魚類のゼブラフィッ

分かった（Saito et al., 2022）．

シュでは低温と高温で活性化されることが知られている

そこで，これら 5 種の高温耐性および忌避温度を比較

74

齋藤 茂

図 2：無尾両生類の温度応答特性の種間比較（A）日本在来の 5 種の無尾両生類の繁殖時期．
（B）5 種の無尾両生類の臨界最高温度，
忌避温度，TRPA1 の比較．順化温度（飼育温度）によって臨界最高温度および忌避温度が変化するため異なる色で示している．TRPA1 の活性化温度閾値と活性の強さを矢印で示した．矢印が太いほど活性が大きく，灰色の矢印は活性がほぼ失われていることを表す．無尾両生類は 1 つのバリン残基が異なる 2 種類の TRPA1 スプライシングバリア
ントを保有しており，バリン挿入型を V（＋）
，非挿入型を V（－）と表示している．ニ
ホンアカガエルでは 2 種類の TRPA1 スプライシングバリアントの活性化温度閾値が大きく異なり，活性化温度閾値が低い TRPA1（V－）が高温応答行動に大きく寄与すると推測される．忌避温度が低いニホンアカガエルの TRPA1（V－）の活性化温度閾値はカジカガエルの TRPA1（V＋）より 13℃ほど低かった．
（C）3 種の無尾両生類の TRPA1（V＋）と TRPA1（V－）の高温応答の比較．忌避温度が低い種ほど TRPA1 の高温に対する活性が大きい．リュウキュウカジカガエルの TRPA1（V＋）と TRPA1（V－），カジカガエルの TRPA1（V－）は 45℃ほどの高温刺激を加えてもほとんど応答しなかった．

した．高温耐性の指標として，オタマジャクシが正常な結果，臨界最高温度と相関した種差が認められ，これら姿勢で遊泳できる温度の上限（臨界最高温度，脚注）をの 2 つの要素が生息地の温度環境に連動して変化してき決定したところ，5 種間で生息地の温度条件から予測さたことが分かった．忌避温度の種差は臨界最高温度の種れる順序で違いが生じていた（図 2B）．次に忌避温度を差より 2.6 倍ほど大きく，更に，2 つの要素の関係性が種間で比較した．2 つの円形のチャンバーを細い通路で種間で異なっていた．ニホンアカガエルやシュレーゲル

つないだ容器を作製し，それぞれのチャンバーを異なる

アオガエルの幼生では忌避温度は臨界最高温度よりも温度に設定し，オタマジャクシが各チャンバーに滞在す

ずっと低いのに対して，リュウキュウカジカガエルやツる時間を計測することにより忌避温度を決定した．そのチガエルの幼生では忌避温度は臨界最高温度より僅かに

温度受容機構の進化と環境適応

75

低い温度であった（図 2B）．すなわち，高温に曝される

TRPA1 の温度応答性が高く維持されているため高温刺機会が多い種では，進化過程で増強させた耐性能を最大

激をより強く受容し，鋭敏に忌避すると考えられる．

限に活用できるように忌避温度が設定されており，一方筆者らは生息地の温度環境と連動した TRPA1 の機能

で涼しい環境に適応した種では忌避温度は臨界最高温度

差をアフリカに生息するツメガエルにおいても見出してよりもずっと低く保守的に設定されていることが明らかいる．温度条件が異なる生息地に分布する 4 種のツメガとなった（Saito et al., 2022）．

エルを比較したところ，涼しい地域に生息する 2 種ではTRPA1 の高温に対する活性が大きく，暑い地域に生息

4．環境適応に関連した温度感受性 TRP チャネ
ルの機能進化する 2 種では小さいことを明らかにした（図 3）（Saitoet al., 2016; Saito et al., 2019; Saito & Tominaga, 2017）．
更に，爬虫類においても温度ニッチと関連した TRPA1

感覚神経において温度センサー分子としてはたらくの機能差が報告されている．同所的に分布し利用する微TRP チャネルの機能変化は温度感覚の種間多様性を生

小環境が異なる 3 種のアノールトカゲを用いた比較解析

み出してきたと考えられる．無尾両生類において高温忌において TRPA1 の活性化温度閾値が高温を好む種と，避応答の種間差を生み出した分子基盤を解明するため，

中温および低温を好む種の間で異なることが報告されて高温センサー分子として機能する TRPA1 を忌避温度がいる（Akashi et al., 2018）．

最高，中程度，最低であったリュウキュウカジカガエル，

TRPV1 の温度応答特性も生息地の環境に応じて変化

カジカガエル，ニホンアカガエルから単離し比較したしてきたと考えられる．砂漠のような高温環境に適応し（Saito et al., 2022）．これら 3 種は多くの脊椎動物が保有たラクダの TRPV1 は高温に対する活性がほぼ失われてする既知の TRPA1 転写産物に加え，既知の TRPA1 転いる（Laursen et al., 2016）．一方，寒冷な環境に適応し写産物の 277 番目に 1 つのバリン残基が挿入されるだけているサケ科に属するアマゴの TRPV1 の活性化温度閾

の新規のスプライシングバリアントを保有しており，バ

値は約 29℃であり，40℃以上で活性化される哺乳類やツリン挿入型を TRPA1（V＋），非挿入型を TRPA1（V－）

メガエルの TRPV1 と比較して著しく低いことが分かっと命名した．興味深いことに 2 種類の TRPA1 スプライ

た（Yoshimura et al., 2022）．同様に，冷涼環境に生息す

シングバリアントの温度応答特性は種ごとに異なっているメキシコサンショウウオの TRPV1 の活性化温度閾値

た．ニホンアカガエルではどちらの TRPA1 も高温にも約 31℃と低いことが知られている（Hori & Saitoh,

よって活性化された．カジカガエルでは TRPA1（V＋）2020）．冷涼な環境に生息する種は高温暴露に脆弱であは高温によって活性化されるが，TPPA1（V－）はほとるため TRPV1 の温度感受性が高く維持されていると考んど活性化されなかった．リュウキュウカジカガエルでえられる．

はどちらの TRPA1 スプライシングバリアントも高温に対する活性がほとんど失われていた．TRPA1 の高温に対する活性をスプライシングバリアントごとに比較した

5．低温受容体の機能進化と環境適応

ところ，どちらの場合も忌避温度が最も低いニホンアカ

低温センサー分子である TRPM8 にも生息環境と関ガエルでは TRPA1 の高温に対する活性が高く，一方で連した違いが生じている．TRPM8 の低温に対する活性忌避温度が最も高いリュウキュウカジカガエルではを哺乳類と鳥類の複数種で比較したところ，生息地の温TRPA1 の高温応答はほとんど認められなかった．忌避

度条件に応じた種差が存在し，温暖な地域に生息するア

温度が中程度のカジカガエルでは TRPA1 の高温に対す

フリカゾウでは活性が最も高く，南極に生息するコウテ

る活性はリュウキュウカジカガエルとニホンアカガエル

イペンギンでは活性がほぼ喪失していることが報告されの間に位置していた（図 2C）．また，ニホンアカガエル

た．更にコウテイペンギンの TRPM8 をマウスに導入の TRPA1 スプライシングバリアントはどちらも高温でした個体は低温忌避行動が減弱し，TRPM8 の機能が失活性化されるがその活性化温度閾値（活性化され始める

われたノックアウトマウスと類似した温度選択行動を示温度）は 12℃ほど異なっていた（図 2B）．ニホンアカガ

すことが明らかとなった（Yang et al., 2020）．これらのエル TRPA1（V－）の活性化温度閾値はこれまで調べら

結果は TRPM8 の低温応答特性の変化は実際に個体レれた種のなかで最も低く，カジカガエルにおいて活性をベルの温度応答行動を変化させることを示している．

保持している TRPA1（V＋）よりも 13℃ほど低かった．

また，冬眠する恒温動物であるシリアンハムスターおニホンアカガエルのように低温環境に適応した種はよびジュウサンセンジリスでも TRPM8 の低温に対す

76

齋藤 茂

TRP チャネルの機能のなかでも温度応答特性に自然選択が特異的に働いたことを意味している．
上述のように恒温動物では低温環境への適応進化に
TRPM8 が関与してきたことを支持する結果が得られているが，変温動物ではそのような研究例は現時点では報告されていない．至適温度が異なるネッタイツメガエルとアフリカツメガエルの間で TRPM8 の温度応答特性が比較されたが 2 種間で違いは認められなかった（Myers et al., 2009）．筆者らが行った無尾両生類を用い
図 3：ツメガエルの高温センサーの温度応答特性の種間比較
温度条件が異なる地域に生息する 4 種のツメガエルの
TRPA1 および TRPV1 の温度応答特性を比較した．TRPA1の高温に対する活性は生息環境に関連した違いが生じていた．一方，TRPV1 の繰り返しの高温刺激に対する反応はネッ
タイツメガエルで遅く，他の 3 種では速いことからネッタイ
ツメガエルに至る進化系統で変化したと推測される．アフリ
カツメガエルとネッタイツメガエルの TRPV1 の高温応答特性の違いに関わる 3 つのアミノ酸置換（E232Q，P188L，
R156K）が生じた時期を系統樹に示した．数字は TRPV1 におけるアミノ酸の位置，アルファベットはアミノ酸の種類を表す．例えば，E232Q は TRPV1 の 232 番目の座位においてグルタミン酸（E）からグルタミン（Q）へアミノ酸が変化したことを表す．3 つのアミノ酸置換のなかで TRPV1 の高温応答特性が変化した時期に生じた変化は 1 つだけであった（R156K）．

た行動解析では，寒冷環境に適応したニホンアカガエルの幼生は 10℃以下の温度を生息地で経験するが 10℃を明瞭に忌避した．また，ツチガエルの幼生は越冬できるため高い低温耐性を有していると予測されるが，室温より僅かに低い 22℃を明瞭に忌避した（Saito et al., 2022）．
変温動物は環境温度の低下に伴い採餌や，捕食者からの逃避などの生存に欠かせない運動機能が低下するため低温環境に留まることは適応的に不利であると推測される．そのため低温側の忌避温度は，実際に耐えることができる温度よりも高く設定されているのかもしれない．
一方で，恒温動物は，冬眠機構を獲得した種を除けば，低温環境でも活動を維持する必要があるため低温受容を減弱させる変化は適応的であるのかもしれない．

る活性が著しく低下しており，加えてジュウサンセンジ
リスでは TRPV1 の高温に対する活性も減弱していることが報告された（Laursen et al., 2016; Matos-Cruz et al.,2017）
．TRPM8 の温度応答性の喪失は冬眠機構の獲得

6．温度適応に関連した TRP チャネルの機能進化の構造基盤に伴った現象であるという仮説が提唱されているが，比温度適応の進化過程において TRP チャネルのどのア

較対象の種が限られているため他の冬眠哺乳動物や近縁

ミノ酸置換により温度応答特性が変化したのか，また，な非冬眠哺乳動物を用いた詳細な比較解析が必要であ

それによってどのような構造的変化が生じたのかは興味る．

が持たれる．TRP チャネルは 4 つのサブユニットによ極端な低温を経験する種における TRPM8 の温度応り構成される．1 つのサブユニットは 6 個の膜貫通ドメ

答性の減弱は，高温環境に適応したリュウキュウカジカ

インを持ち，第 5 および第 6 膜貫通ドメインの間にポア

ガエルの TRPA1 やラクダの TRPV1 の高温活性がほぼドメインが存在し，4 つのサブユニットの中心にイオン

失われている現象と類似しており，極限環境に適応したが透過するポアが形成される（図 4）．N 末端および C

種ではセンサー分子の温度応答性を落とし，末梢から入末端側の領域は細胞内に位置し，TRPV，TRPC および力される刺激強度を低減させるような適応進化機構が存

TRPA サブファミリーのチャネルには N 末端側にアン在することを示唆している．興味深いことに，いずれのキリンリピートドメインと呼ばれる細胞内のドメインが種においても温度応答以外のチャネル機能は維持されて複数存在し，C 末端側は N 末端側の領域と相互作用している．コウテイペンギンおよびジュウサンセンジリスのいる（Cao et al., 2013; Gao et al., 2016; M. Liao et al., 2013;

TRPM8 はメントールで活性化される（Matos-Cruz et al.,Paulsen et al., 2015）．

2017; Yang et al., 2020）．ラクダやジュウサンセンジリ

本稿で紹介した研究において TRP チャネルの温度応スの TRPV1 はカプサイシンに，リュウキュウカジカガ

答特性を変えるアミノ酸置換が幾つか特定されている．

エルの TRPA1 はシンナムアルデヒド（シナモンに含ま高温に対する活性が異なるジュウサンセンジリスとラッれる刺激性の化学物質）に対する活性が維持されている

トの TRPV1 の比較により，細胞内のアンキリンリピー（Laursen et al., 2016; Saito et al., 2022）．これらの現象はトドメインの 2 つのアミノ酸置換が種差に関与すること

温度受容機構の進化と環境適応

77

図 4：TRPV1 および TRPM8 の温度応答特性の種間差に関与するアミノ酸の位置（A，B）ラット TRPV1 の立体構造と模式図．1 つのサブユニット（A 右）と 4 量体の立体構造（A 左）．ジュウ
サンセンジリスとラット（シアン），または，ネッタイツメガエルとアフリカツメガエル（マゼンタ）の TRPV1
温度応答特性の種差に関わるアミノ酸の位置を示した（A，B）．（C）ジュウサンセンジリスとラット（マゼンタ），および，アフリカゾウとコウテイペンギン（白）の TRPM8 の温度応答特性の種差に関わるアミノ酸の位置．ARD：アンキリンリピートドメイン，TM：膜貫通ドメイン，PH：ポアヘリックスドメイン．楕円および筒状の構造はそれぞれアンキリンリピートドメインおよび膜貫通ドメインを表す．

が報告されている（図 4A，B）（Laursen et al., 2016）．まCruz et al., 2017）．また，コウテイペンギンとアフリカ

た，至適温度が異なるネッタイツメガエルとアフリカツ

ゾウの TRPM8 の温度応答性の種差にはポアドメイン

メガエルにおいても TRPV1 の繰り返しの高温刺激に対に位置する 1 つのアミノ酸置換が関与しており（図 4C），する応答性が異なり，その違いにアンキリンリピートド

更にポアドメインを構成するアミノ酸の疎水性の度合い

メインの 3 つのアミノ酸置換が部分的に関与することをが高い種ほど低温に対する活性が高い傾向があることが筆者らは明らかにした（図 3，図 4）（Saito et al., 2016）．

示されている（Yang et al., 2020）．

リュウキュウカジカガエル，カジカガエル，ニホンアカ

それでは，これらの研究で同定されたアミノ酸置換がガエルの TRPA1 の 2 種類のスプライシングバリアント

進化過程において TRP チャネルの機能変化を実際に生の差異は 6 番目と 7 番目のアンキリンリピートドメイン

み出してきたのだろうか．ジュウサンセンジリスのの間に挿入される 1 つのバリン残基のみであり，この部

TRPV1 の例では，ラットとの比較で同定された 2 つの位が温度応答特性に大きな影響を与えることが明らかにアミノ酸を他の種で比べた場合，TRPV1 の高温応答性なった（Saito et al., 2022）．しかし，このバリンだけではが維持されている複数種においてジリスと同じ種類のア

3 種間の TRPA1 の機能差を説明できないことからバリ

ミノ酸が保持されていた．つまり，2 つのアミノ酸置換ンと相互作用する未同定のアミノ酸が種間で変化するこはラットにいたる進化系統で生じたことを意味しておとにより温度応答特性の種間差が生み出されてきたと推り，ジリスの進化系統で TRPV1 の温度応答性の喪失に測される．TRPM8 ではジュウサンセンジリスとラット

関わったアミノ酸置換ではないことが分かる（Laursenの比較解析により，膜貫通ドメインおよびそれらをつな

et al., 2016）．またツメガエルの TRPV1 の場合は，温度

ぐループ領域に分散する 6 個のアミノ酸置換が温度応答応答性の変化はネッタイツメガエルに至る系統で生じた特性の違いに関与することが報告された（図 4C）（Matos-が，上述の 3 つのアミノ酸置換のうちネッタイツメガエ

78

齋藤 茂

ルの進化系統で生じたアミノ酸置換は 1 つだけであり，く，または，ひっくり返るなど正常な姿勢で行動できな

残りの 2 つは TRPV1 の温度応答特性が変化していない

くなる温度．オタマジャクシの場合は水温を上昇させて進化系統で生じたことが分かっている（図 3）（Saito et

いく過程でふらつく，または仰向けに泳ぐなどの行動がal., 2019）．このように進化過程で機能変化に関与したア

生じた温度を臨界最高温度として決定した．

ミノ酸置換を特定する際には複数の近縁な現生種を比較したうえで祖先状態を考慮し変化が生じた時期を調べる必要がある（Dean & Thornton, 2007; Yokoyama, 2013）．
環境適応に関連した TRP チャネルの温度応答性の変化にはチャネル構造の様々な部位に生じたアミノ酸が関与しており，また僅かな数のアミノ酸置換で大きく変化し得ることが分かってきた．今後，詳細な種間比較解析
や突然変異体チャネル解析，更には低温電子顕微鏡などを用いた構造解析が進むことで環境適応に関連した温度センサーの機能変化の分子メカニズムがより深く解明されるだろう．

7．今後の展望
本稿で紹介した研究ではほとんどの場合 TRP チャネ
ルの温度応答特性と温度応答行動の相関関係を示す段階に留まっており，TRP チャネルの機能変化が実際に個

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体レベルの行動応答の変化につながるのかは検証されてBoothby, T. C. (2019). Mechanisms and evolution of resistanceいない．近年，様々な種でゲノム編集が可能となってきto environmental extremes in animals. Evodevo, 10, 30. doi:

たため今後は遺伝子改変動物を用いた実証的な研究が進んでいくだろう．末梢のセンサー分子の機能変化は，他の生理機能に影響を与えずに温度感覚を変化させるため，温度適応の標的分子として進化過程で利用されやす
いと考えられる．しかし，末梢から中枢に至るまでのシ
グナル伝達経路や中枢での情報処理の変化により温度感
覚の種間差が生み出されてきたことも十分に考えられる．今後，温度受容の異なる階層に関わる遺伝子を対象にした研究が発展し，温度適応機構の統合的な理解が進
むことが望まれる．

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謝辞
執筆にあたりご助言をいただいた生理学研究所の齋藤
くれあ特任研究員，橋本照美技術支援員，また研究を進めるにあたり多くの支援をいただいた富永真琴教授に感謝申し上げます．

脚注
臨界最高（最低）温度：環境の温度を徐々に上昇（または下降）させた際に個体が平衡感覚を喪失し，ふらつDhaka, A., Viswanath, V., & Patapoutian, A. (2006). Trp ionchannels and temperature sensation. Annu Rev Neurosci,
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冬眠しないトガリネズミの越冬戦略
大舘 智志1)2022 年 12 月 20 日受付，2022 年 12 月 28 日受理

北海道などの寒冷地域に生息し冬季間も活動するトガリネズミ類の越冬生態について概観した．トガリネズミ類はおもに土壌表面や土壌中に生息している小型無脊椎動物を食べている．トガリネズミ
類では冬期には餌資源量の減少が考えられるが，ある程度の安定した餌の供給は保たれていると考えられている．またトガリネズミ類では冬期には一旦，体サイズや頭骨サイズが縮小し，越冬後に急激にサイズが増大する．この現象はデーネル現象と言われており，トガリネズミ類の越冬生態と密接に関わっていると思われるが，そのメカニズムはほとんど解明されていない．

Wintering strategy of soricine shrews, which do not hibernate
Satoshi D. Ohdachi1
Wintering ecology of soricine shrews, which are active in winter in cold regions, was reviewed. Shrews mainly
feed on small invertebrates on and in soil. Food resource for shrews seems to be reduced in winter but stable foodsupply may be maintained during winter. Sizes of body and skull tend to become smaller in winter of the birth year andthen rapidly become larger toward summer in soricine shrews. It is called Dehnelʼs phenomenon and seems to berelated to their wintering ecology, but the mechanism to explain it has not been clarified.
キーワード：トガリネズミ・デーネル現象・代謝率・越冬・餌資源
soricine shrew, Dehnelʼs phenomenon, metabolic rate, wintering, food resource

1. はじめにで気温や湿度などの環境変化や飢餓に弱いとされ（Merritt, 2010），中緯度よりも高緯度に生息する小型哺餌資源獲得に注目すると哺乳類が越冬するには 3 つの乳類にとって越冬は生存上もっとも重要な課題の一つで選択肢がある．
（1）暖かく餌が豊富な地域に移動しそこある．ここで小型哺乳類とはおおよそ 5 キログラム以下で越冬する，（2）エネルギー消費を制限するために冬眠の哺乳類をさす便宜的な呼称であり（Merritt, 2010），日をしたり，不活発な時間を増加させて餌の摂取量を下げ

本では齧歯目（ネズミ類とリス類），兎形目（ウサギ類），

る，（3）耐寒対策をして餌を摂取し続け冬を越す．
（1）

真無盲 腸 目（トガリネズミ類とモグラ類など），翼手目

しん む もうちょうもく

は移動能力の高い大型哺乳類では可能であるが，体が小（コウモリ類）や小型の食肉目のイタチ科などが含まれさく移動能力が限られている非飛翔性の小型哺乳類ではる（Ohdachi et al., 2015）．

冬眠するか，その場で餌を食べ続けて活動するかの越冬

北海道のほとんどの場所では冬季には気温が低く積雪戦略をとっている．小型哺乳類は定義上，体が小さいのがあり，北海道は日本では典型的な寒冷地とされている．

連絡先
大舘 智志
北海道大学低温科学研究所〒060-0819 札幌市北区北 19 条西 8 丁目
Tel. 011-706-7474
e-mail：ohd@lowtem.hokudai.ac.jp⚑）札幌市北区北 19 条西 8 丁目 北海道大学低温科学研
究所
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido
University, Kita-19 Nishi-8, Kita-ku, Sapporo 060-0819,
Japan

82

大舘 智志

北海道には小型哺乳類として 9 種のネズミ類（住家棲 3

アカネズミ，エゾヤチネズミやリス類は昆虫などの動物

種も含む），3 種のリス類，3 種のウサギ類（外来種 1 種質も食することがある．冬眠しないアカネズミ（中田，も含む），5 種のトガリネズミ類と 20 種のコウモリ類，62021；島田，2022），キタリス（林田，1988）やキタナキ

種の陸棲イタチ類（移入種 3 種も含む）の 46 種が生息しウサギ（Kawamichi, 1971；川道，1994）などは葉や種子ている（Ohdachi et al., 2015）．この内，冬眠するのはリなどを貯食することにより冬季間の餌の確保を保証してス科のシマリス Tamias sibiricus（川道美枝子，2000）といる．一方，冬でも活動するトガリネズミ類は昆虫類なコウモリ類である（川道武男，2000；船越，2020）．ただどの小型無脊椎動物，イタチ類は小型の脊椎動物や無脊しコウモリ類については，最近，札幌市において 12 月か

椎動物をおもな餌としている（Ohdachi et al., 2015）．動ら 2 月の厳冬期の野外でコウモリ類の音声が記録される物質の餌は冬期においても長期の貯食には適しておらことがわかり，冬眠中も時々覚醒し活動をしていることず，またトガリネズミやイタチ類では長期間の貯食は知が示唆されている（河合久仁子，私信：2022 年度日本哺られていない．つまり，これらの冬眠しない小型哺乳類

乳類学会大会ポスター発表）．また北海道を代表する大は冬季間に生命を維持するために生きた動物を餌として型獣であるヒグマ Ursus arctos も冬眠する（坪田，2000，

確保しなくてはならない．さらにトガリネズミ類は厳冬

2011；坪 田，下 鶴 の 稿 参 照）
．北 海 道 の ア カ ネ ズ ミ

期の終わり頃に性成熟の準備をし始め，春に一斉に繁殖

Apodemus speciosus は冬眠はしないが，冬期に日内休眠

を 開 始 す る の で（Churchfield, 1990; Ohdachi andを行うことが知られている（森田，2000）．以上のように

Maekawa, 1990a, Bellocq and Smith, 2003），生命を維持コウモリ類とシマリスを除く北海道の小型哺乳類は厳冬するだけでなくて生殖活動を開始するための準備も必要

期でも餌を摂取し活動している．北海道における冬眠しであり，そのためにも冬期には十分なエネルギー源とタない小型哺乳類は，アカネズミ，ハントウアカネズミ

ンパク源を確保しなくてはならない．

Apodemus peninsulae，ヒメネズミ A. argenteus，タイリ

さてこれらの冬眠しない小型哺乳類の中でも，特にトクヤチネズミ Craseomys rufocanus，ムクゲネズミ C.

ガリネズミ類は基礎代謝率が高く大量の餌を必要とし，

rex，ヒメヤチネズミ Myodes rutilus，住家棲ネズミ類（ドまた数時間～6 時間程度，餌を食べないと餓死してしま

ブネズミ Rattus norvegicus，クマネズミ R. rattus，ハツう（Churchfield, 1990; Taylor, 1998）．一方，冬期にはトカネズミ Mus musculus），キタリス Sciurus vulgaris，タガリネズミ類の主要な餌である無脊椎動物の現存量が減

イ リ ク モ モ ン ガ Pteromys volans，ユ キ ウ サ ギ Lepus

り餌不足に陥ることが考えられる．このように餌資源獲

timidus，キタナキウサギ Ochotona hyperborea，アナウ

得の視点でみるとトガリネズミ類の越冬は生存にとってサギ Oryctolagus cuniculus（渡島小島に生息する移入

クリティカルなイベントである．またトガリネズミ類で種），ク ロ テ ン Martes zibellina，ニ ホ ン テ ン Martes

は厳冬期に体サイズや頭蓋サイズを一旦減少させ，そのmelampus（国内移入種），ニホンイタチ Mustela itatsi（国後，春に向かって大きくするという哺乳類としては特異

内移入種），アメリカミンク Neovison vison（移入種），オ

な成長パタンを持つことが知られているが，これも彼ら

コジョ Mustela erminea，イイズナ Mustera nivalis，オオの重要な越冬戦略の一つと考えられている．これはデー

アシトガリネズミ Sorex unguiculatus，バイカルトガリ

ネル現象（Dehnelʼs phenomenon）と呼ばれており哺乳

ネズミ S. caecutiens，ヒメトガリネズミ S. gracillimus，

類学の視点だけでなく，最近は脳機能の回復の視点から

チ ビ ト ガ リ ネ ズ ミ S. minutissimus，ニ ホ ン ジ ネ ズ ミ

も多くの科学記事などで取り上げられている（Lazaro et

Crocidura dsinezumi（江戸時代以前の移入種と思われ

al., 2017; Lazaro et al., 2021）．本稿では，高代謝でありな

る）の合計 25 種となる（阿部，2005；Ohdachi et al., 2015）．

がら冬眠せずに厳しい冬を越すトガリネズミ類の越冬生

冬眠する北海道の 20 種のコウモリ類の主な餌は昆虫

態について概観する．

類であるが（Ohdachi et al., 2015；船越，2020），冬眠中に覚醒しても餌はほとんどないと思われるのでなぜ覚醒するのか謎である（佐藤の稿参照）．冬眠するシマリスは

2．トガリネズミとは：分類と生態について

貯食も同時に行うことが知られ（川道美枝子，2000；塚トガリネズミ類とは，多くの読者にとっては聞き慣れ本の稿参照），近縁のトウブシマリス Tamias striatus でない哺乳類であると思われるので，この章でトガリネズ

は冬眠期間中の覚醒時に摂食することが確認されているミ類について簡単に説明する．トガリネズミとは広義に（French 2000）．またネズミ類，リス類，ウサギ類は基本は真無盲腸目トガリネズミ科の動物のことを示し，齧歯

的に植物食であるが（Ohdachi et al., 2015；中田，2021），

目の“ネズミ”類とは系統的に全く異なる動物である．トトガリネズミ類の越冬83

ガリネズミはかつて食虫目という分類群に属していたが，この分類群は分子系統学の知見により多系統であることが判明し現在では無効となっている．トガリネズミを含む真無盲腸目はコウモリやイヌ，ネコ，ブタ，ウシ，
クジラなどを含むローラシア獣類に，“ネズミ”を含む齧
しんしゅげつ歯目は霊長類やウサギ類を含む真主囓類という分類群に属している（長谷川，2014，2020）．つまりトガリネズミと“ネズミ”は人間とコウモリと同程度に系統的に離れた動物である．トガリネズミ科にはトガリネズミ亜科，ジネズミ亜科，モリジャコウネズミ亜科の 3 つの亜科が含まれているが，後二者は近縁な一つの単系統群にまとめられる（Dubey et al., 2007）．トガリネズミ科では，トガリネズミ亜科は 184 種，
ジネズミ亜科は 245 種，
モリジャ
コウネズミ亜科は 25 種の合計 454 種が知られており，
哺乳類のなかでは 2 番目に大きな分類群である（Burgin
et al., 2020）．そしてトガリネズミ亜科の動物をトガリ
ネズミ類，ジネズミ亜科をジネズミ類と略称され，本稿でもそれに従う．トガリネズミ類は主にユーラシアと北アメリカ（と南アメリカの最北端）の冷涼な地域に，ジネズミ類は主にユーラシアとアフリカの温暖域～熱帯域に，モリジャコウネズミ類はアフリカ中部の熱帯域に分布している（大舘，2011；Neves et al., 2018）．
トガリネズミ類とジネズミ類（とモリジャコウネズミ類）の形態は似ており，尖った鼻先と小さな眼，発達した触毛ヒゲ，前後肢ともに 5 本の指を持っている（図 1）．
トガリネズミ科の動物は一般に小型であり（約 180 g 以
下，多くは数十 g 以下），なかには世界最小の哺乳類と

図 1：トガリネズミ類の外観．A：世界最小の哺乳類の一つのチビトガリネズミ Sorex minutissimus（2017 年 12 月，北大総合博物館のトガリネズミ展にて撮影）．B：デーネル現象がはじめて報告されたヨーロッパトガリネズミ S. araneus（2016年 9 月ポーランドのビャウォヴィエジャ Białowieża にて撮影）．

されるチビトガリネズミ（トガリネズミ亜科）やコビト
ジャコウネズミ Suncus etruscus（ジネズミ亜科）のよう結論はできないが，少なくとも肉眼で確認できるようなに 2 グラム前後の体重しかない極小の種もいる．トガリ

典型的な冬眠や日内休眠はトガリネズミ類では観察されネズミ科の動物の寿命は野外では 2 年を超えることはほていない．このように北方系のトガリネズミ類と南方系

とんどない（大舘，2011）．餌は小型節足動物やミミズ，のジネズミ類の形態は似ているが対照的な生理システム

ナメクジなどが主で，中には魚類や両生・爬虫類などをや生態学的特性を持つことが多い（Innes, 1994）．

捕食する種もいる（阿部，1985；大舘，2011）．トガリネ

日本には 7 種のトガリネズミ亜科と 5 種のジネズミ亜

ズミ類（亜科）は一般に基礎代謝率が高く高体温である科の合計 12 種のトガリネズミ科動物が分布しているが，ジネズミ類（亜科）はこれに比して基礎代謝率は低（Ohdachi et al., 2015）．このうち，北海道にはオオアシ

く体温も低い（Churchfield, 1990; Taylor, 1998）．またト

トガリネズミ，バイカルトガリネズミ（北海道に生息す

ガリネズミ類（亜科）は冬眠したほうが有利と思われるるものは慣例的にエゾトガリネズミとよばれる），ヒメにも関わらず，確実な冬眠は確認されておらず，このこ

トガリネズミ，チビトガリネズミ（北海道に生息するもとは従来より大きな謎とされている（Lyman, 1982）．さのはトウキョウトガリネズミと呼ばれる事がある）4 種

らにトガリネズミ亜科では日内休眠は見られないが，のトガリネズミ類（トガリネズミ亜科）と南方にはニホ

ジャコウネズミ Suncus murinus を含むジネズミ亜科でンジネズミ（ジネズミ亜科）が生息している
（大舘，
2021）
．

は日内休眠は普通に見られる（Taylor, 1998）．ただし著

バイカルトガリネズミは本州，四国と佐渡に生息してい者の知る限り，トガリネズミ類の体温を通年に渡り計測

るシントウトガリネズミ Sorex shinto と，チビトガリネ

した研究例はないので，冬眠や日内休眠の有無の厳密なズミは本州中部に生息しているアズミトガリネズミ S.

84

大舘 智志

hosonoi と，それぞれ姉妹種の関係にある（Ohdachi et

変わらないという餌条件は，トガリネズミ類が冬眠せず

al., 2001; Ohdachi et al., 2006）．またオオアシトガリとヒに越冬することを可能にしている．

メトガリは北海道・サハリン（樺太）～北東アジア大陸

北海道でも冬期に積雪が少ない苫小牧などの地域でに分布している東アジア特産種である（Ohdachi et al.,は，ミミズを主な餌とするオオアシトガリが比較的少な

2015）．一方，バイカルトガリは北海道・サハリン～ユー

いことは（Ohdachi and Maekawa, 1990b），越冬中の餌ラシア大陸北部に分布する旧北区種（Palaearctic spe-の利用可能量と関係しているのかもしれない．北海道でcies），チビトガリは北海道・サハリン～ユーラシア大陸

はトガリネズミ類は自然状態の良いハビタットならどこ

北 部 と ア ラ ス カ 西 部 に 分 布 す る 全 北 区 種（Holarcticにでも生息し，しかも 4 種も共存しているので，北海道

species）である（Ohdachi et al., 2015）．

はトガリネズミ類の越冬生態の研究を推し進めるには適次に北海道に生息する 4 種のトガリネズミの餌利用でした調査地域の一つである．著者はかつて冬期の生態にあるが，オオアシトガリはミミズを主要な餌として，こ注目して調査を試みたことがあったが，積雪下での捕獲の他にイモムシ，クモ，ザトウムシなどの節足動物などが困難で，調査を諦めた経験がある．しかし現在は著者を食べている（Ohdachi, 1995b）．バイカルトガリはイモらの研究グループではトガリネズミ類の飼育技術を確立

ムシとクモ，ザトウムシ，ジムカデなどが主要な餌であしたので実験室内で越冬生態や生理についての研究がでるが，ミミズもわずかだが利用する（Ohdachi, 1995b）．

きる状況になった．今後，トガリネズミ類の越冬に関す

ヒメトガリネズミはジムカデ，クモ，ザトウムシやイモる研究が進むことが期待されている．

ムシなどを主な餌としている（Ohdachi, 1995b）．チビトと こ ろ で，サ ー モ ニ ュ ー ト ラ ル・ゾ ー ン（thermo-

ガリもヒメトガリと同様に地表性の小型節足動物を主に

neutral zone）より低い温度では，小型哺乳類の寒さ対策

食べている（Namba and Ohdachi, 2009）．また，活動空として震えによる発熱は効率的ではなく，褐色脂肪組織間については，オオアシトガリは半地下棲，他の 3 種は（brown adipose tissue）の代謝が最も重要であるとされ

地表活動棲でありチビトガリはさらに草の上を利用するている（Himms-Hagen, 1976）．トガリネズミ類は温帯

こ と が で き る（Ohdachi, 1995a, 1997; Ohdachi et al.,北部～北極域に分布しているので，トガリネズミ類は冬2010；河原，2013）．

期の間はサーモニュートラル・ゾーンよりも低い温度に北海道のトガリネズミ類の越冬中の生態や生理についさらされ続けていることになる．この事と関連しているては全くわかっていないが，ヨーロッパや北米の種ではと思われるが，トガリネズミ類の脂肪組織は夏期でも冬

いくつかの研究例はある（Aitchison, 1987; Churchfield,

期でもほとんどすべてが褐色脂肪組織（brown adipose

2012）．トガリネズミ類の主な餌の土壌無脊椎動物の現tissue）からなっている（Hyvärinen, 1994）．北海道のト

存量は地表では少なくなるが，地中は温度がそれほど下ガリネズミにおいて褐色脂肪組織については，著者の知がらないこともあり地中における餌の現存量は夏とはさる限り調べられていないが，冬眠せずに厳冬期でも活動ほどかわらないことがヨーロッパの研究例で分かっていし続けるトガリネズミ類の褐色脂肪組織の動態の把握はる（Churchfield, 1982; Churchfield et al., 2012）．しかし，

トガリネズミ類の越冬生態を解明する上で今後の重要なそれでも，夏と比べて冬の餌条件は相対的に悪くなって研究課題となろう．

いると考えられる．例えば，ヨーロッパトガリネズミの夏の重要な餌であるミミズは冬期には減るので，冬は嗜好性の高いあるいは好適な餌の不足が起こりうる

3．デーネル現象（Churchfield et al., 2012）．この場合は他の小型節足動物

ポーランドの A. デーネル August Dehnel（図 2）は，などの利用可能な餌を補償的に食べているらしい．またヨーロッパトガリネズミ Sorex araneus で冬期に頭骨の次章のデーネル現象の説明で述べるがトガリネズミ類は高さが低くなることを報告した（Dehnel, 1949）．その冬期に体重を減らすので，餌の総摂取量を減らすことに後，トガリネズミ類では体サイズと頭骨サイズは厳冬期

より，餌不足を回避しているという説がある（Churchfieldに減少し春に向かって急激に増大することがいくつも報

et al., 2012）．またトガリネズミ類は冬期には代謝率を告された（Yaskin, 1994; Lazaro et al., 2017; Lazaro et al.,

下げたり，長く巣に籠もってじっとして餌量を下げると2019）．例えば，ドイツ産のヨーロッパトガリでは脳頭いう説もある（Aitchison, 1987）．いずれにせよ，冬期，蓋の高さが生まれた年の夏期よりも冬期に約 20％も縮特に積雪量が多い場合には地中はさほど気温が下がらんで，次の夏期にはもともとの大きさよりも 15％大きくず，また土壌の小型節足動物のバイオマスは夏とあまりなることが報告されている（Lazaro et al., 2017）．このトガリネズミ類の越冬85

図 2：デーネル博士の記念のレリーフと石碑（2016 年 9 月，ポーランドのビャウォヴィエジャにて撮影）．A：ポー
ランド科学アカデミー哺乳類学研究所の建物内のレリーフ．B：哺乳類学研究所に隣接する森林内でのデーネル博士を記念する石碑と筆者．

ように小型哺乳類が冬期に体サイズや頭骨サイズを減少

al., 2013）．小型イタチ類やヨーロッパモグラではデーネさせる現象は発見者にちなんでデーネル現象と呼ばれてル現象が餌資源の減少により引き起こされたわけではないる（Lazaro and Dechmann, 2021）．

い，と い う 研 究 結 果 も あ る（LaPoint et al., 2017;

トガリネズミ科では北方系のトガリネズミ亜科でデーNovakova et al., 2022）．

ネル現象が報告されているが，南方系のジネズミ亜科で結局，デーネル現象がなぜ起こるかという究極要因には今のところ報告はない．何種かのネズミ類（齧歯目）

ついての明確な回答はなく，現在，ヨーロッパの研究者でもデーネル現象は報告されている（Yaskin, 1984）．まを中心に研究されている状況である．さらにはこの現象

たヨーロッパでは，北方に生息しているヨーロッパモグがおこる生理的な至近要因についてもまったくわかって

ラ Talpa europaea（真無盲腸目）でデーネル現象は見らいない．北海道に生息するトガリネズミ類も具体的な分れるが，より南方に生息している近縁種のイベリアモグ

析データはないが冬期の頭蓋骨が小さいことは経験的に

ラ T. occidentalis で は 見 ら れ な い（Novakova et al.,

わかっている．ただし積雪が深い場所が多い北海道では

2022）．さらに北半球の冷涼地域に生息し 2 年以上の寿

冬期のサンプルが少ないので，今後，北海道のトガリネ

命を持っている小型イタチ科動物（食肉目）のオコジョズミ類でもデータを収集してデーネル現象についての詳やイイズナは，生まれた年の夏期よりも越冬中に体サイしい研究報告が望まれる．

ズや頭骨サイズが減少し，次の年の夏に最大値を示すことが報告されている（LaPoint et al., 2017）．このようにデーネル現象はトガリネズミ以外の北方系の小型哺乳類の何種かにおいて知られている．

4．まとめ
このように寒冷地域に生息するトガリネズミ類は餌不では，なぜデーネル現象が起きるのかという究極的要足が懸念される冬期にも冬眠せずに餌を求めて活動し続因であるが，従来は冬期の餌資源量の減少と関連づけらける．しかも彼らは基礎代謝率が高く飢餓に非常に弱れて論議されることが多かった（Lazaro et al., 2017）．

い．そして厳冬期には体サイズや頭骨サイズを減少させ

しかし，どうもそのような単純な理由ではないことが分春に向けて増大するという特異な生理的反応（デーネル

かってきた．トガリネズミ類では資源量の不足により直現象）をする．しかし，なぜ彼らは体サイズや頭骨サイ

接的にデーネル現象が引き起こされるのではないが，体ズを減少させるという“はなれ技”をしてまで，厳しい冬

サイズを減少させることによって必要な総エネルギー量期にも高い活動を維持して冬を越すのであろうか？

を下げるためという説が挙げられている（Churchfield

ところでトガリネズミ類（トガリネズミ亜科）の多く

et al., 2012）．また基礎代謝率を下げて熱ロスを下げるの個体は春～秋に生まれて冬を越して春に繁殖を開始

ために体サイズを減少させるという説もある（Taylor et

し，遅くとも次の冬の前に死亡するという生活サイクル

86

大舘 智志

を持っている（茂原，1985；Dokuchaev, 1989；大舘，2011）．

リネズミ科動物が 5 種（トガリネズミ亜科は 4 種）も生

トガリネズミ類は原則的に春生まれだろうと秋産まれだ

息しているのでトガリネズミ類の生態や生理の研究を行

ろうと冬を越さないと繁殖を始めないが，メスのうち少うのに適している．そして現在，飼育技術も向上し飼育数個体は生まれた年の冬前に繁殖を開始する．当年個体

下での繁殖も試みられている．今後，トガリネズミの研で繁殖を開始するメスの比率は北海道のような「南方」

究を総合的に進めるために広い分野の研究者が増えてくでは数％（大舘，2011），東シベリアのような「北方」でれることを心から望む．

は数十％に達する（Dokuchaev, 2005）．これは冬を越すのがより厳しい地域では冬前に子供を生んでしまったほうが適応的であるということなのかもしれない．一方，

謝辞

オスでは冬を越す前に繁殖を開始する個体は稀である

中田圭亮，岩佐真宏，坪田敏男，河合久仁子，崎山智（Bellocq and Smith., 2003; Dokuchaev, 2005；大 舘，樹の各氏には北海道の哺乳類の冬眠や越冬生態に関する

2011）．つまり多くのトガリネズミ類のオスはどの地域情報を教えていただいた．山口良文氏には初期の原稿にでも冬を越さないと繁殖を開始しない傾向にある．

対して批評を加えていただいた．以上の方々に御礼申し

一般に哺乳類では精子形成には高体温は不利であり，上げる．

多くの哺乳類の成獣オスでは精巣は体腔から飛び出した
睾丸という器官に収まり，精巣は体腔内の体温よりも低い温度が保たれている（Moore and Quick, 1924; Mäkelä
et al., 2019）．一般に精巣が高温であると正常な精子形成が阻害される．しかしトガリネズミ類は基礎代謝が高く高体温にも関わらず，睾丸を持たずに生涯体腔内に精巣はとどまっている．つまりトガリネズミのオスの精巣は精子形成に不利な高体温に常にさらされていることになる．
一方，トガリネズミ科でも南方系のジネズミ亜科ではトガリネズミ亜科と異なりオス・メスともに生後数ヶ月以内に繁殖を開始するのが一般的である（織田，1985；
Ohno et al., 1992）．ジネズミ亜科は一般にトガリネズミ亜科よりも体温が低いので（Churchfield, 1990; Taylor,1998），睾丸がなくとも精子形成も問題がないのかもしれない．一方，トガリネズミ亜科では代謝率が高くなる
方向に進化し，高体温は系統的制約であり，この制約下
でトガリネズミ類は効果的に精子形成を行わねばならな
いと思われる．そこで著者は，トガリネズミ類のオスが冬を越さないと繁殖を始めないのは，体腔内の精巣が接する体表面の温度を下げて精子形成を正常に行うために低温暴露が必要なためである，という仮説を立てた．現在，このことを検証するためにトガリネズミ類の繁殖生理について，鳥取大学（元東海大）の佐藤陽子博士らと共同研究を進めている．もしこの仮設が正しければ，トガリネズミ類のほとんどが寒冷地域に分布していること
を繁殖生態との関連で説明できるかもしれない．また前章で説明した厳冬期に体サイズを減少させること（デーネル現象）と繁殖との関連についても興味深いことである．
北海道にはこの興味深い生態と生理を有しているトガ

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コウモリの越冬生態

─冬のエネルギー配分に関わる多様な行動特性と気候変動の影響について─
佐藤 雄大1)2022 年 12 月 22 日受付，2023 年 1 月 16 日受理

調査手法や解析技術の発達により，コウモリの野外個体群を対象とした生態研究が幅広く行われ，哺乳類の中でも特異な進化をとげた生活史戦略の一端が解明されてきた．このうち越冬生態について
は，種による違いだけでなく，同種の個体群間や個体間でもバリエーションがみられている．最近では，冬眠の利益とコストというトレードオフの観点に基づく最適理論が導入され，野外で観察される
体温調節行動や越冬場所利用のパターンが，どのように決定されるのかについても明らかとなってきた．こうした知見は，気候変動によってコウモリの冬眠および繁殖フェノロジーに生じる影響を予測・評価する上でも有用な情報となることが期待されている．

Hibernation ecology of bats─ brief review in terms of wintering energy considerations
and climate change effects ─Takahiro Sato1
Recent advances in research methods and analytical techniques have enabled us to study a variety of ecologicaland behavioral aspects of bats in the field. Various studies have showed that the hibernation ecology of bats varies
among species, among populations, and even among individuals in a population. Furthermore, the optimal hibernation
theory, which takes into account the trade-offs between costs and benefits of hibernation, has been explained how
torpor expression and hibernation site use are determined. Here, we briefly review the new aspects of hibernation
ecology of bats, and also discuss about the influences of climate change on the phenology of hibernation andreproduction.
キーワード：越冬生態，トレードオフ，繁殖戦略，気候変動，コウモリ目
Hibernation ecology, Trade-offs, Reproductive strategies, Climate change, Chiroptera

1. はじめに哺乳類や鳥類のような恒温動物は，高い体温を維持する仕組みを獲得したことで幅広い環境条件のもとで活動を

季節変化の大きな環境下では，気象条件とともに，食可能にしたが，その体温を安定して維持し続けるには多物の利用可能性も時空間的に大きく変動する．特に冬期

くのエネルギーが必要である（Grigg et al., 2004）．体サは，多くの動物が厳しい低温環境と餌不足に直面する．

イズの小さな種では，体表面積あたりの熱損失率が高い

連絡先
佐藤 雄大
徳島大学大学院社会産業理工学研究部〒770-8506 徳島県徳島市南常三島町 2-1
Tel. 088-656-9132
e-mail：satoj@tokushima-u.ac.jp⚑）徳島大学大学院社会産業理工学研究部〒770-8506 徳島県徳島市南常三島町 2-1
Graduate School of Technology, Industrial, and Social
Sciences, Tokushima University, 2-1 Minamijosanjimacho, Tokushima 770-8506, Japan佐藤 雄大90

図 1：コウモリの冬眠．写真はそれぞれ，積雪地域における越冬ねぐら周辺の環境（A），コウモリが冬眠する
トンネル内部の様子（B），群れを形成して冬眠するユビナガコウモリ（C），単独で冬眠するモモジロコウモ
リ（D）を示す．

ため，外気温の低い環境下では体温維持のコストが極めそのことが多様なニッチへの適応放散を可能にしたと考て大きい（同サイズの外温動物の 30-100 倍）（Nagy et

えられている（Jones and Teeling, 2006）．一方，コウモal., 1999; Speakman and Thomas, 2003）．そのため，多く

リにとって，飛翔や，飛翔中のエコーロケーションは著の種が，環境条件の季節的変化に対応した生活史戦略をしいエネルギー消費を伴う行動でもある（Neuweiler,

獲得している．鳥類では，より温暖な地域へ渡りをする

2000; Shen et al., 2010）．コウモリは高い飛翔能力を獲得種が多くみられるが，哺乳類では体温・代謝率を能動的した反面，表面積の大きな翼の存在により，外気に熱をに調節する休眠によって，エネルギー消費を最小限に抑奪われやすい（Speakman and Thomas, 2003）．気温低

え，厳しい環境条件をやり過ごすことができる（Ruf and

下や餌量の減少は，他の小型哺乳類と同様，コウモリにGeiser, 2015）．冬の間，長期間にわたって低体温・低代

とっても極めて過酷な状況となる．それゆえ，亜寒帯か謝状態となる冬眠は，寒冷地に適応した小型哺乳類を特ら亜熱帯までを含む幅広い環境下において，多くのコウ

徴づける生存戦略といえるだろう（Geiser, 2013）．

モリが冬眠する（Webb et al., 1996; Stawski et al., 2014）．

コウモリは，齧歯類に次ぐ種多様性を有し（1,000-

冬眠するコウモリ（図 1）は，越冬に必要なエネルギー

1,200 種，哺乳類全体の約 20％），他の哺乳類にはない特源のほぼすべてを，冬眠開始までに蓄えた脂肪に依存す

異な進化を遂げた分類群である（Altringham, 2011）．そる．寒さが厳しく餌資源も枯渇する条件下では，できるの大きな特徴として，コウモリは哺乳類の中で唯一，翼だけ長く低体温・低代謝状態を維持することで脂肪消費によって自力飛翔できることが挙げられる．その高い移を最小限に抑え，生存と翌シーズンの繁殖のためにエネ

動能力により，コウモリは極地を除く全大陸に分布してルギーを節約することができる．しかし，他の冬眠する

おり，亜寒帯から熱帯にかけて幅広い気候帯に生息する哺乳類と同様，すべての冬眠するコウモリが，蓄積脂肪（Altringham, 2011）．食性も多様で，昆虫食を中心に，の著しい消費を伴う中途覚醒（Thomas et al., 1990）に

果実・花蜜食から肉食（小鳥や魚，小型脊椎動物など），

よって休眠を中断する．長期間におよぶ低体温・低代謝

血液食まで存在する（Kunz et al., 2011）．これらの餌資は，体内における代謝老廃物の蓄積や免疫機能の低下，源を獲得するため，小型コウモリではエコーロケーショ

さらには捕食圧や凍結リスクの増大につながるとされてン（反響定位）による高度な空間認識能が発達しており，いる（Humphries et al., 2003; Stawski et al., 2014）．それ

コウモリの越冬生態

91

ゆえ，中途覚醒には，冬眠に伴うそのような生理・生態（Pseudogymnoascus destructans）によるもので，感染し的コストを低減する役割があると考えられてきたたコウモリは冬眠中に中途覚醒を頻発した後，衰弱死し（Humphries et al., 2003）．Boyles et al（2020）によると，てしまう（Reeder et al., 2012; Warnecke et al., 2012）．感

冬眠中におけるコウモリの体温調節は，低体温・低代謝

染影響を調べた研究によると，WNS 到来以前には，ねによってエネルギー消費を抑えられる利益と，冬眠に伴ぐら内の比較的温暖な場所で冬眠していたコウモリが，う生理・生態的コストとのトレードオフに基づいて決定

WNS 到来以降には，同じねぐらのより寒冷な場所で冬されると指摘している（“optimal hibernation theory”）．

眠するようになっていた（Loeb and Winters, 2022）．

最近ではこのようなトレードオフの観点に基づき，多く

WNS の原因菌は 10℃を下回る低温下では増殖しにくいの研究が，休眠の発現（ここでは個体が低体温・低代謝ため（Blehert et al., 2009; Verant et al., 2012），より寒冷状態となることを指す）や越冬場所選択に対する様々なな場所で冬眠した個体は感染による影響の顕在化を免要因の効果を検証している（栄養状態，物理環境，餌資れ，生き延びることができたと推察される．

源，感染症など）．それらの研究には，バイオロギング技

コウモリの利用するねぐら（洞窟，樹洞，トンネル，術や，動画撮影装置，解析ツールの急速な発展により（例

家屋，橋梁など）は，その構造や立地によって，内部にえば，Hayman et al., 2017; Keicher et al., 2022; Meier et

様々な微気候（温度，湿度，大気圧，通気性など）を形

al., 2022），野外個体群にも適用可能な手法が増えたこと成する．上述の WNS 感染による影響からもわかるようが大きく貢献している．こうした技術発展も相まって，に，どのような微気候を選択するかは，冬眠期を生き延コウモリの越冬生態には，単一個体群内の個体レベルかびる上で重要な意味をもつ．従来は，種レベルで冬眠にら，個体群間，あるいは種間で様々なバリエーションがもっとも適した温度範囲が存在し，個体はそのような条みられることがわかってきた（Stawski et al., 2014; Willis,

件の場所をねぐらとして利用すると考えられてきた

2017; Boyles et al., 2020）．

（Day and Tomasi, 2014）．しかし，長期間におよぶ越冬

こうした近年の研究動向を踏まえ，本稿は，（1）コウ

場所利用に関する研究から，最近では，必ずしも種内のモリの越冬生態に注目し，個体，個体群間，種間の各階あらゆる個体が一定の温度条件を選ぶわけではないこと

層でみられる特徴について，比較的新しい研究事例を交も指摘されている（Boyles et al., 2017; De Bruyn et al.,

えて解説するとともに，（2）コウモリに特有の，冬眠と2021）．例 え ば，ホ オ ヒ ゲ コ ウ モ リ 属 の 1 種 で あ る

繁殖機会の関係性についても考察した上で，（3）近年顕Myotis sodalis の野外個体群では，同じ洞窟内であって在化しつつある気候変動が，コウモリの冬眠や繁殖のも，室内実験から推定される最適温度（エネルギー消費

フェノロジーに及ぼし得る影響について，今後の課題もが最小となる温度帯：3-6℃，Day and Tomasi, 2014）よ

踏まえながら紹介したい．

りも幅広い温度条件で冬眠することがわかっている（Boyles et al., 2017）．このことは，これまで想定されて2．越冬生態の特徴
2.1．個体レベル ─越冬場所選択─

いた以上に，
個体間でエネルギー事情にばらつきがあり，
ねぐら内部の微気候を幅広く使い分けている可能性を示唆している．

個体内では，栄養状態の継時的変化によって，休眠に入る長さや冬眠場所の選択性も変わってくると考えられ2.2．個体レベル ─雌雄差─

る．越冬期間の後半になるほど，また，撹乱などで覚醒

冬眠中，エネルギー節約をどの程度優先するかは，個頻度が増加するほど蓄積脂肪は少なくなり，飢餓のリス

体の栄養状態だけでなく，性別によっても異なる．特に

クが大きくなる（Altringham, 2011）．そのような状況に雌雄差については，興味深いことにコウモリ特有の繁殖直面すると，個体は脂肪消費を少なく抑えられるよう，戦略が関係している．温帯域に生息し，冬眠するコウモより低温な場所を選択し，長くて深い休眠に入ることがリの多くは受精遅延と呼ばれる特徴的な繁殖周期をもつ

室内実験によって明らかとなっている（Boyles et al.,（Racey, 1979; Racey and Entwistle, 2000）．この繁殖周2007; Wojciechowski et al., 2007）．冬眠場所の選択に関期のもとでは，繁殖へのエネルギー投資のタイミングにする類似の現象は野外個体群でも観察されており，その顕著な雌雄差が存在する（Willis, 2017）
（図 2）
．オスで

最たる例は，アメリカ東部を中心に洞窟棲コウモリの大は夏から秋にかけて，精子形成や交尾相手獲得のために量死を引き起こした white-nose syndrome（WNS）の感

エネルギー投資が最大となる．一方，メスのエネルギー

染拡大によるものである．この感染症は好冷真菌の 1 種

投資は，胎児の成長とそれに続く子の哺育のため，春か

92

佐藤 雄大

で 60 日以上も中途覚醒せずに低体温（表面体温で 10℃前後）になることが知られている（Norquay and Willis,
2014; Czenze et al., 2017b）．このような地域では，冬眠中，中途覚醒のタイミングが特定の時間帯に集中しないという特徴もある（活動期には日没後 2-3 時間に活動量が集中）（Czenze et al., 2013）．一方，低緯度地域では冬が短く，外気温も比較的温暖になりやすい．この場合，
外気温の上昇に伴って昆虫類が活動的になるため
図 2：雌雄による繁殖へのエネルギー投資時期の違い．

（Taylor, 1963），コウモリが採餌できる機会も増加する．
実際に，冬期気候が比較的温暖な地域（概ね最低気温 0℃以上）では，ねぐらを出て採餌することが確認されていら夏にかけてピークとなる．この場合，メスの方が，冬る（Whitaker et al., 1997; Bernard et al., 2021）．緯度勾

眠中のエネルギー消費を低く抑え，良好な栄養状態を維配に沿って同種内の体温調節行動を比較した研究は少な持して春以降の繁殖に備える必要性が高いといえる．北いものの，冬の外気温が 10℃以上になることもある地域

米内陸部に生息するトビイロホオヒゲコウモリ（Myotis

では，概して冬眠期間が短く，休眠の最大持続日数も

lucifugus）の野外個体群を対象とした研究によると，メ10-20 日間と短い傾向にある（Park et al., 2000; Hope andスは，冬眠に入る時点でオスよりも脂肪を多く蓄積し，Jones, 2012; Czenze et al., 2017a）．また，高緯度地域とその消費ペースも緩やかである（Jonasson and Willis,は対照的に，中途覚醒のタイミングは日没前後の時間帯

2011）．同様に，冬眠中の体温調節パターンにも雌雄差に集中する（Park et al., 2000; Hope and Jones, 2012）．外がみられる．個体の体温変化を追跡すると，中途覚醒時

環境の影響をほとんど受けない洞窟内部でも，個体の覚の活動時間は，メスの方がオスよりも 22％短い（Czenze醒タイミングに概日リズムがみられることは興味深い特et al., 2017）．また，中途覚醒中のオスの表面体温は 30℃

徴の一つといえる．こうした特徴は，餌昆虫の出現する以上で安定するのに対し，メスの表面体温は恒温状態に時間帯に活動時間を合わせることで，採餌できる機会を達した後，覚醒の合間に一時的な低下（25℃前後）もみ

最大限に利用するためのものと考えられている．温帯域られる（“heterothermic arousals”, Jonasson and Willis,に生息するコウモリと同様，熱帯から亜熱帯に生息する

2012; Czenze et al., 2017）．これらの結果から，メスは中種でも，冬期における休眠の持続日数は，低緯度地域の途覚醒に係るエネルギー消費を節約することで，コン

個 体 群 の 方 が 短 い こ と も 報 告 さ れ て い る（Stawski,

ディションを維持している可能性が示唆される（“thrifty

2012）．採餌によって越冬に必要なエネルギーを補填でfemale hypothesis”, Jonasson and Willis, 2011）．越冬中

きる場合，低緯度地域の個体群ほど，長期間にわたって

におけるエネルギー消費率の雌雄差は，冬眠明けのタイ

低体温を維持する必要性は低いのだろう（冬眠時の生ミングにも影響している．冬眠明けの時期は，メスの方理・生態的コストの回避）．

がオスより早く，また，メスの中でもコンディションの冬眠研究で注目されることの多い休眠時代謝率は，そ良い個体ほど早い傾向がみられる（Norquay and Willis,の最小値や温度変化に対する反応も含め，互いに 1,000

2014; Czenze and Willis, 2015）．

km 以上離れた個体群間でもほとんど違いがみられない（McGuire et al., 2022）．飛翔能力のあるコウモリでは，2.3．個体群レベル

越冬に適した環境条件を備える場所間（ねぐら内・ねぐ同種の個体群間でも，越冬生態は緯度勾配に沿って異ら間の両方）を移動することができるため（Kim et al.,なる可能性が指摘されている（Boyles et al., 2020）．高緯

2019; De Bruyn et al., 2021），生理的性質に地域差が生じ度地域ほど冬が長く，気温も低いため（例，図 1A），採にくいのかもしれない．

餌する機会はなく（Czenze et al., 2013），飢餓に陥るリ
スクも高い．それゆえ，高緯度地域に生息する個体群ほ2.4．種間レベル

ど，冬眠前に蓄えた脂肪をできるだけ消費しないよう，

同じ環境条件のもとでも，越冬生態に種間差がみられ

中途覚醒頻度を少なく抑えなければならないだろう．冬ることもある．これには，群れの形成や採餌生態といっの低温が厳しいカナダ内陸部（北緯 53 度）で越冬する個た行動特性が関係していると考えられる．冬眠中に体を体群では，冬眠期間が 8ヶ月間にもおよび，個体は最長

密に寄せ合う群れ形成（例，図 1C）は，洞窟で冬眠する

コウモリの越冬生態

93

コウモリによくみられる特徴であり，数十頭から，時に（水生昆虫の成虫）を好む傾向がある（Jones and Rayner,

数千頭を超える大規模なものになる．こうした群れ形成

1988）．このような採餌生態にみられる種間差は，晩秋

は，単独でいる時よりも熱損失や水分損失を低く抑える

から初冬にかけての活動頻度に違いを生じさせ，冬眠開効果があるとされている（Boyles et al., 2008; Boratynski

始時期にも影響しているのだろう．

et al., 2012, 2015）．群れで冬眠する種について個体の体温変化を調べた研究によると，中途覚醒のタイミングは個体間で同調性を示し，越冬後期には日没前後の時間帯

3．冬眠による機会喪失にも同調することが明らかとなっている（Czenze et al.,あらゆる行動戦略と同様，個体が冬眠に入ることは，

2013; Czenze and Willis, 2015）．このような同調性は，産必然的に他の行動をとる機会が失われることも意味す

熱効率を高め，体温上昇に伴うエネルギーコストを低減

る．冬眠するコウモリにとって，長期間の休眠状態に入している可能性を示唆するものである（Boyles et al.,

ることで喪失する重要な機会の一つは，交尾であると考2008）．こうしたエネルギー節約のメリットは，体表面えられる（Boyles et al., 2020）．いくつかの種では，冬の積あたりの熱損失率が高い，体サイズの小さな種ほど大間，オスが精巣上体尾部に精子を貯蔵し（Racey and

きいと考えられる．また，冬眠時の群れサイズは種にEntwistle, 2000），冬眠中のメスに交尾することが知ら

よって大きく異なり，日によって気温が変動しやすい場

れている（Thomas et al., 1979; Boyles et al., 2006）（図 3）．

所ほど小さくなる傾向もある（Boyles et al., 2008）．例えこのような行動をとるオスにとって，休眠する頻度が高ば，気温変化の影響を受けやすい場所（落葉下や樹洞，

くなるほど，交尾できる機会を逸してしまうリスクも大建物など）で冬眠する種は，その多くが単独から数頭のきくなる．特に受精遅延する種は，交尾から受精までの群れでみられる（Boyles and Robbins, 2006; Mormann

長いタイムラグと少ない産子数という特徴をもつため，and Robbins, 2007）．一方，大規模な群れで冬眠する種

より多くの交尾機会獲得が，受精成功を左右すると考えは，そのほとんどが内部環境の安定した洞窟等で確認さられている（Orr and Zuk, 2013; Fasel et al., 2019）．このれる．ただし，このような違いについては，体温調節だことから，オスの越冬生態については，少なからず性選けでなく，越冬場所として利用可能な空間スペースの大択による影響を受けている可能性がある．既存研究できさも関係しているのだろう．

も，オスは，メスに比べて冬眠入りの時期が遅いこと

採餌生態にみられる種間差も，越冬戦略に影響する要（Norquay and Willis, 2014; Meier et al., 2022），中途覚醒因の一つである．同所的に生息するコウモリ間でも，形中の活動時間が長い（Czenze et al., 2017b）ことを踏ま態的特性やエコーロケーションの種類によって，採餌環

え，交尾機会獲得との関係性を考察している（Norquay

境や捕食方法，餌の種類，サイズに違いがある（Siemers

and Willis, 2014; Willis, 2017）．ただし，高緯度地域に生and Schnitzler, 2004）．それゆえ，同じ越冬環境のもと息する種では，冬の間に採餌する機会がほとんどないたでは，それぞれの種の採餌生態（特に餌の種類と捕食方

め，交尾にエネルギーを投資した場合，蓄積脂肪を消費法）によって，餌を得られる可能性が異なるだろう．採し切ってしまうリスクも大きい．交尾機会の獲得につい餌できる機会が頻繁にある場合，エネルギー節約のためては，採餌によってエネルギーを補填できる場合（冬期に休眠利用を優先する必要性は，それほど高くないかも

気候が温暖な地域など）でのみ重要度が高いという可能しれない．直接的に種間の体温調節行動を比較したもの

性もある．

ではないが，興味深い例として，ドイツ西部で越冬する
ホオヒゲコウモリ属 2 種（ノレンコウモリ Myotis nattereri とドーベントンコウモリ M. daubentonii）を対

4．気候変動の影響象とした研究が挙げられる．この 2 種は，体重が同程度

近年，急速に進行する気候変動に伴い，冬眠する哺乳で，同じねぐらで冬眠する．個体識別タグを利用した 7

類を取り巻く環境変化と個体群に対する影響の顕在化がシーズンに及ぶ調査の結果，ノレンコウモリの方がドー懸念されている（Wells et al., 2022）．既に，高緯度地域

ベントンコウモリよりも 2ヶ月ほど遅れて冬眠に入るこや高標高帯では，気温上昇に伴って植物の成長時期にずとが明らかとなった（Meier et al., 2022）．前者は，地表れが生じており（Prevey et al., 2017），同時に昆虫類の発面からの拾い食いが可能で（Swift and Racey, 2002），冬

生 時 期 に も 影 響 が み ら れ つ つ あ る（Forrest, 2016;の間，動かない昆虫も捕食することができる．一方，後Harvey et al., 2020）．このような変化は，コウモリの者は水辺で採餌し，発生時期に季節性のある飛翔性昆虫

フ ェ ノ ロ ジ ー に も 影 響 を 及 ぼ し 得 る（Linton and佐藤 雄大94

図 3：冬眠期に観察される強制交尾．写真は日本に広く生息するコキクガシラコウ
モリ．

Macdonald, 2018）．例えば，冬の気温上昇は，休眠に入になるだろう．こうした懸念から，最近では，生活史イ

る長さや頻度を変化させ，越冬成功率を左右するかもし

ベントのタイミングに生じた変化をモニタリングする重れない（Wells et al., 2022）．また，餌となる昆虫類のフェ要性が指摘されている（Wells et al., 2022）．同様に，複ノロジー変化は，春以降，コウモリの繁殖シーズンにお数の種を対象として，冬眠にかかわる生理的性質が温度ける餌の利用可能性を左右する可能性もある（Meyer et

変化にどのように反応するかを調べ，気候変動に対するal., 2016）．コウモリは概して妊娠期間が長く，出産はご

脆弱性を理解することも重要であろう．例えば，北米にく短期間に集中する（Barclay and Harder, 2005）．それ生息する 13 種について，温度変化に対する休眠時代謝

ゆえ，昆虫の発生ピークがずれると，母子がもっともエ率の反応と，水分損失率を複数の地域で測定・比較したネルギーを必要とする時期に，餌不足に陥るかもしれな研究では，種または種群レベルで明瞭な違いがみられてい．これまで，気候変動がコウモリに与える影響についいる（McGuire et al., 2021）．代謝速度が上昇し始める環ては，分布や多様性の変化に注目した研究が大半を占め

境温度の下限値は，2℃未満から 8℃と，種によって大きており，冬眠や繁殖周期との関係を調べた研究はまだ少な違いがある．一方，水分損失率については，損失率のない（Festa et al., 2022; Meier et al., 2022）．このことは，高い種群と，
低い種群の 2 グループに分けられた．特に，Wells et al（2022）が指摘するように，依然として生活史

水分損失率の高いグループには，white-nose syndrome

イベント（冬眠，繁殖，渡りのタイミングなど）に関すによって個体群が著しく縮小した種も含まれていた．こる知見が，種や地域によって偏っていることも影響してうした知見は，気候変動に伴う環境変化に対し，それぞいるのだろう．特に，日本を含むアジア圏では，生息すれの種が潜在的にどの程度，対応できるかを予測する上る種の多様性に反して，気候変動の影響に関する知見はで有用な知見となるだろう（McGuire et al., 2021, 2022）．

極めて限られている（Festa et al., 2022 によるシステマ「はじめに」で述べたように，近年では，野外個体群にティックレビューで，日本はゼロ）．

も適用可能な調査手法（温度感知型テレメトリー発信器，

冬眠するコウモリは，同サイズの冬眠しない哺乳類よ高解像度赤外線サーモグラフィー，個体識別用 PIT タ

りも少ない産子数，遅い性成熟，長い世代時間といった，グ，音声録音装置など）が充実化しつつある．これらのslow life 型の生活史戦略を獲得している（Turbil et al.,技術を活用し，日本でも気候変動がコウモリの越冬戦略

2011）．こうした生活史形質をもつ種では，ひとたび個やフェノロジーに及ぼす影響を，個体，個体群，あるい

体数が減少すると，個体群が元の状態に回復するのは極は群集レベルで定量的に予測・評価していく必要性があめて困難となる．気候変動に起因する生活史イベントのる．

ずれが繁殖成績を低下させるものであった場合，冬眠するコウモリの多くは，個体群縮小の危機に曝されること

コウモリの越冬生態

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doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 99

哺乳類の寒冷適応における褐色脂肪組織の役割
加藤(鈴木) 美羅1），岡松 優子1）2022 年 12 月 15 日受付，2023 年 1 月 16 日受理

哺乳類には，白色と褐色の 2 種類の脂肪組織が存在する．白色脂肪組織はエネルギーを中性脂肪として貯蔵する役割を担うのに対し，褐色脂肪組織はミトコンドリアの脱共役タンパク質 1（UCP1）により熱を産生する非震え熱産生の部位である．哺乳類は寒冷刺激を受けると交感神経を介して褐色脂
肪組織の熱産生を活性化し，体温の低下を防ぐ．寒冷刺激が長期に渡ると褐色脂肪組織が増生するとともに，白色脂肪組織中に UCP1 を発現するベージュ脂肪細胞が誘導され（白色脂肪の褐色化），個体レベルの熱産生能が増大して寒冷環境に適応する．本稿では，寒冷適応における脂肪組織の変化とその分子機序を概説するとともに，動物種による褐色脂肪組織の発達や機能の違いについて紹介する．

The role of brown adipose tissue in adaptation to cold environment
Mira Kato-Suzuki1 and Yuko Okamatsu-Ogura1
Brown adipose tissue is a site for non-shivering thermogenesis by mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1). Coldstimulation activates heat production in brown adipose tissue via the sympathetic nervous system, preventing adecrease in body temperature. Prolonged cold stimulation causes the hyperplasia of brown adipose tissue, and induces
UCP1-expressing beige adipocytes in white adipose tissue. This remodeling of adipose tissues increases thethermogenic capacity at the individual level and improves adaptation to the cold environment. In this section, themolecular mechanisms of adipose tissue remodeling during cold adaptation and species-dependent differences in thedevelopment and the function of brown adipose tissue in mammals are discussed.
キーワード：褐色脂肪，寒冷適応，熱産生，脱共役タンパク質 1
Brown adipose tissue, cold adaptation, Thermogenesis, UCP1

1. はじめに

ともに，熱産生が活発化して体温が維持される．このような適応的熱産生は，骨格筋による震え熱産生とそれ以恒温動物である哺乳類が寒冷にさらされると，立毛や外の非震え熱産生に大別され，後者の非震え熱産生を担皮膚血管の収縮により体表からの熱放散が抑えられるとうのが褐色脂肪組織である．本稿では，哺乳類について
寒冷環境での体温維持や寒冷適応における褐色脂肪組織

連絡先
岡松 優子
北海道大学大学院獣医学研究院生化学教室〒060-0818 札幌市北区北 18 条西⚙丁目
Tel. 011-706-5205
e-mail：y-okamatau@vetmed.hokudai.ac.jp⚑）北海道大学大学院獣医学院生化学教室
Laboratory of Biochemistry, Faculty of Veterinary
Medicine, Hokkaido University (Kita 18, Nishi 9, Kita-ku,
Sapporo, 060-0818, Japan)の役割について概説する．

2. 褐色脂肪組織による熱産生
2.1 脱 共 役 タ ン パ ク 質 1（Uncoupling protein 1：
UCP1）
哺乳類には，白色と褐色の 2 種類の脂肪組織が存在す
る（図 1）．白色脂肪組織に存在する白色脂肪細胞は余剰なエネルギーを細胞内の大きな単一の脂肪滴（単房性脂加藤(鈴木) 美羅，岡松 優子

100

図 1：3 種類の脂肪細胞
哺乳類には白色および褐色脂肪組織が存在する．寒冷などの交感神経性刺激により，白色脂肪組織においてベー
ジュ脂肪細胞と呼ばれる多房性脂肪滴と豊富なミトコンドリアを含む褐色脂肪細胞様の細胞が出現する．褐色脂肪細胞とベージュ脂肪細胞はミトコンドリア内膜に脱共役タンパク質 1（UCP1）を発現し，エネルギーを熱として散逸する．

肪滴）に中性脂肪として蓄積し，必要に応じて脂肪酸と（Saito et al., 2020）．交感神経末端から放出されるノルア

して血中に放出して全身にエネルギーを供給する．まドレナリンは褐色脂肪細胞の アドレナリン受容体に結た，様々なアディポカインを分泌し，全身代謝を制御す

合し，細胞内ではアデニル酸シクラーゼ，プロテインキ

る．非震え熱産生を担う褐色脂肪組織はミトコンドリア

ナーゼ A（PKA），ホルモン感受性リパーゼなどの酵素と血管に富む茶褐色の脂肪組織である．構成する褐色脂が順次活性化し，中性脂肪から脂肪酸が遊離する．遊離肪細胞は中性脂肪を蓄える脂肪細胞としての特徴は有し

脂肪酸は熱産生の基質として利用されると同時に，ているものの，形態は白色脂肪細胞とは著しく異なり，

UCP1 を直接活性化する．白色脂肪組織ではノルアドレ

小さい脂肪滴を複数含む（多房性脂肪滴）．豊富なミト

ナリンにより同様のシグナル経路が活性化し，中性脂肪コンドリアには熱産生を担う脱共役タンパク質 1から遊離した脂肪酸が血中に放出される．褐色脂肪組織（UCP1）が存在する．ミトコンドリアでは，電子伝達系

は脂肪酸を積極的に取り込んで熱産生の基質として利用により生じる内膜を隔てたプロトン濃度勾配を利用してする．体温調節におけるこの熱産生経路の重要性はATP が合成されるが，UCP1 は ATP 合成を伴わずにプ

UCP1 欠損マウス（Enerbäck et al., 1997）のみならず，

ロトン濃度勾配を解消し，そのエネルギーが熱に変換さノルアドレナリンやアドレナリンを産生できないドーパれる．脊椎動物では 5 種類の UCP が同定されており，

ミ ン -ヒ ド ロ キ シ ラ ー ゼ 欠 損 マ ウ ス（Thomas &中でも UCP1 と比較的近縁な分子として UCP2 と UCP3

Palmiter, 1997）やアドレナリンが存在するが，ヒトにおけるアミノ酸の相同性は UCP1-

タイプ（ 1， 2， 3）を欠損した -less マウス（Jimenez

UCP2 間で 56％，UCP1-UCP3 間で 58％であり，UCP2

et al., 2002）などが寒冷に暴露されると体温を維持できや UCP3 の全身レベルでの熱産生への寄与は明確にはず，死に至る（寒冷不耐性）ことからも明らかである．

示されていない．

なお，齧歯類の褐色脂肪細胞には受容体の全てのサブ

および アドレナリ

ン受容体が発現しており，上記の UCP1 活性化・熱産生
2.2 褐色脂肪組織による熱産生の制御の制御には 3 アドレナリン受容体が重要である．一方，褐色脂肪組織における熱産生は，交感神経によって支

ヒト褐色脂肪細胞の制御にどの受容体サブタイプが主に配されている．図 2A に示すように，寒冷刺激は体表の機能しているかについては議論があるところであり， 3

温度受容器 transient receptor potential（TRP）チャネル

よりも 1 や 2 アドレナリン受容体が主要な役割を果た（齋藤の稿参照）で感受され体性感覚神経を介して脳にす可能性も報告されている（Blondin et al., 2020; Riis-

伝わり，褐色脂肪組織を支配する交感神経が活性化する

Vestergaard et al., 2020）．

寒冷適応と褐色脂肪組織101

図 2：交感神経による UCP1 の活性化と発現調節
A）寒冷刺激は体性感覚神経を介して脳に伝わり，交感神経を介して褐色脂肪組織を活性化する．交感神経末端から放出されたノルアドレナリンは アドレナリン受容体を介してアデニル酸シクラーゼ（AC）を活性化，サイクリック AMP（cAMP）の濃度上昇によりプロテインキナーゼ A（PKA），ホルモン感受性リパーゼ（HSL）が順次活性化して，中性脂肪から脂肪酸が遊離する．遊離脂肪酸は熱産生の基質として利用されると同時に，
UCP1 を直接活性化する．B）活性化された PKA は cAMP 応答配列結合タンパク質（CREB）をリン酸化し，ペルオキシソーム増殖因子活性化レセプター（PPAR） 共役因子-1 （PGC-1 ）の遺伝子発現を誘導する．PGC-1
は，PPAR /レチノイド X 受容体（RXR）ヘテロダイマーなどと複合体を形成して UCP1 遺伝子発現を増強し，さらに核呼吸因子（NRF）のコアクチベーターとしてミトコンドリアの増生を促す．p38MAPK も PGC-1 の発現や活性を亢進させる．R：レチノイン酸，L：PPAR リガンド．

3. 寒冷適応における脂肪組織の変化とその機序
3.1 褐色脂肪細胞の UCP1 量の増加

ノルアドレナリンの刺激は CREB や p38 MAPK の経路
を介して PGC-1 の発現・活性を高め，UCP1 やミトコ
ンドリアを増加することで褐色脂肪組織の熱産生機能の

上述のように，哺乳類は寒冷刺激を受けると交感神基盤を作る．PGC-1 欠損マウスでは寒冷刺激による褐

経-褐色脂肪組織-UCP1 の経路を活性化して熱産生する色脂肪組織での UCP1 発現誘導がおこらず，寒冷不耐性

ことにより体温の低下を防ぐが，寒冷刺激が長期間にわとなる．

たると，褐色脂肪組織の UCP1 量やミトコンドリアが増加して熱産生能が亢進する（図 2B）．UCP1 遺伝子のプ

3.2 褐色脂肪組織の増生

ロモーター領域には，褐色脂肪細胞特異的にノルアドレ

寒冷環境下では，UCP1 量に加えて褐色脂肪細胞そのナリンで活性化されるエンハンサー領域が存在し，転写ものの数も増加して組織が増生する．細胞数の増加は褐

因子 cAMP 応答配列結合タンパク質（CREB），ペルオ

色脂肪組織を支配する交感神経を外科的に切除すると抑キシソーム増殖因子活性化受容体（PPAR ）
，甲状腺ホ

制され，
ノルアドレナリン投与により回復することから，

ルモン受容体（TR），レチノイド X 受容体（RXR）など

褐色脂肪組織の増生においてもやはり交感神経の活性化の結合領域が含まれる．上述の通りアドレナリン刺激にが必須であると考えられる（Géloën et al., 1992）．褐色より活性化する PKA は転写因子 CREB をリン酸化し，脂肪組織には，UCP1 を発現する成熟褐色脂肪細胞に加活性化した CREB は直接 UCP1 遺伝子プロモーターにえて，前駆脂肪細胞，間質細胞，血管内皮細胞など間質結合するだけでなく，PPAR coactivator-1 （PGC-1 ）血管細胞群（Stromal-Vascular fraction）と呼ばれる複数の遺伝子発現を誘導する．PGC-1 は，PPAR /RXR ヘの非脂肪細胞から構成されている．寒冷環境では前駆褐

テロダイマーなどと複合体を形成しして UCP1 遺伝子

色脂肪細胞が増殖して褐色脂肪細胞へと分化して褐色脂発現を増強し，さらに Nuclear respiratory factor（NRF）

肪細胞数が増加し，熱産生能が増強する．前駆褐色脂肪のコアクチベーターとしてミトコンドリアの増生を促細胞には 3 アドレナリン受容体は発現しておらず， 1

す．PKA の下流で p38MAPK 経路も活性化し，PGC-1

アドレナリン受容体を介したシグナル経路により増殖が遺伝子の発現を誘導するとともに PGC-1 をリン酸化し制御される．ノルアドレナリンは，CCAAT/エンハンてコアクチベーター活性を亢進させる．以上のように，

サー結合タンパク質（C/EBP） や PPAR といった脂加藤(鈴木) 美羅，岡松 優子

102

肪細胞への分化に必須の因子の発現を抑制することで，褐色脂肪組織中で血管内皮細胞増殖因子の発現が増加し細 胞 増 殖 を 進 行 さ せ る．ま た，ノ ル ア ド レ ナ リ ン はて血管新生が活発化し，褐色脂肪細胞が産生する熱は血PKA 経路の下流にある Src や ERK1/2 などのシグナル液により効率よく全身に運ばれる．我々は，マウスを室

伝達因子を介して，DNA 合成に欠かせない酵素である

温 10℃の寒冷環境で 3 週間飼育した際の UCP1 量と熱

リボヌクレオチド還元酵素の遺伝子発現を増加させるこ産生能の変化について単離褐色脂肪細胞を用いて調べたとが報告されている（Fredriksson & Nedergaard, 2002）．

が，褐色脂肪細胞あたりの UCP1 量は寒冷馴化によりこのような前駆褐色脂肪細胞の増殖・分化に加えて，2.7 倍に増加したのに対し，ノルアドレナリンで活性化

成熟褐色脂肪細胞も増殖して組織増成に寄与する．我々

した際の熱産生量の増加は 1.3 倍程度にとどまったは，マウス褐色脂肪組織における細胞増殖マーカーの発（Okamatsu-Ogura et al., 2013）．熱 産 生 能 の 増 大 に は

現を組織学的に解析し，寒冷刺激により速やかに成熟褐

UCP1 以外の構成因子も増加する必要があるため，単純

色脂肪細胞が増殖し，その後数日をかけて前駆褐色脂肪に UCP1 の量を増やすだけでは足りないと考えらえる．

細胞を含む間質血管細胞群が増殖することを見出した．

その観点からも，UCP1 量のみならず褐色脂肪細胞その間質血管細胞群の増殖は 1 アドレナリン受容体によりものを増加させることは個体の熱産生能の増加と寒冷適制御されたのに対し，成熟褐色脂肪細胞の増殖は 3 ア

応において重要であると考えられる．

ドレナリン受容体を介して制御されていた（Fukano etal., 2016）．さ ら に，成 熟 脂 肪 細 胞 に 特 異 的 な aP2

3.3 白色脂肪組織の褐色化（Fabp4）プロモーターを用いて細胞周期抑制タンパク

寒冷環境においては褐色脂肪組織のみならず白色脂肪質 p27 を過剰発現させたトランスジェニックマウスで組織にも大きな変化が生じる．図 3A に示すように，マは，寒冷刺激に応じた成熟褐色脂肪細胞の増殖が抑制さ

ウスの白色脂肪組織のほとんどの領域は単房性脂肪滴をれ，褐色脂肪組織の増生が阻害されることを実証した

含む白色脂肪細胞が占めるが（Day 0），寒冷環境で飼育（Okamatsu-Ogura et al., 2017）．一般に，分化した細胞

すると徐々に多房性脂肪滴を持つ脂肪細胞が生じる．こは増殖能を失うが，褐色脂肪細胞は分化後にも増殖能をの細胞はベージュ（ブライト）脂肪細胞と呼ばれ，褐色維持する特徴的な性質を有すると考えられる．後に，誘脂肪細胞と同様に UCP1 を発現してノルアドレナリン

導型の褐色脂肪細胞であるベージュ脂肪細胞（後述）もの刺激に応じて熱を産生する．このような白色脂肪組織

同様に分化後の増殖能を有することが報告されているの変化は褐色化（Browning）と呼ばれ，哺乳類の寒冷適（Park et al., 2021）．

応変化の一つである．褐色脂肪細胞とベージュ脂肪細胞

以上のように，寒冷環境において交感神経が持続的には，形態と機能の両面で多くの類似点があるが発生過程活性化すると，UCP1 タンパク質レベルと褐色脂肪細胞

での細胞起源が異なり，褐色脂肪細胞は筋肉と共通のの数が増加して，個体の熱産生能が増大する．さらに，

Myf5 陽性細胞から生じるのに対し，ベージュ脂肪細胞

図 3：交感神経性刺激によるベージュ脂肪細胞の出現
A）C57BL6/J マウスを寒冷曝露し，そけい部白色脂肪組織を HE 染色により解析した．寒冷曝露により多房性脂肪滴を含む細胞が出現した．B）血小板由来成長因子受容体（PDGFR） 陽性前駆細胞は白色 / ベージュ脂肪細胞の共通の前駆細胞であり，寒冷などの交感神経性刺激（青矢印）によりベージュ脂肪細胞へ分化する（Lee etal., 2012）．

寒冷適応と褐色脂肪組織

103

は白色脂肪細胞と共通の Myf5 陰性細胞から生じる．体からのカルシウム流出と再取り込みを繰り返すカルシウ

温調節におけるベージュ脂肪細胞の寄与には不明な点がムサイクリング，中性脂肪の分解と再合成を繰り返す回

残されているが，分泌因子を介して全身の糖代謝や脂質路 な ど が 知 ら れ て い る（Okamatsu-Ogura & Saito,

代謝を制御するなど，ベージュ脂肪細胞に特徴的な機能

2021）
．

も報告されている（Okamatsu-Ogura & Saito, 2021）．寒冷刺激などにより出現したベージュ脂肪細胞では，刺激が解除されるとマイトファジーによりミトコンドリアが分解され，白色脂肪細胞に変化することが報告されている（Altshuler-Keylin et al., 2016）．

4. 様々な動物種における褐色脂肪組織と寒冷適
応
ここまでに述べてきた熱産生や寒冷適応に関する細胞

ベージュ脂肪細胞が白色脂肪細胞からの転換と前駆細分子機構は主にマウス・ラットなどの実験動物から得ら胞からの分化のいずれにより生じるのかについては議論れた知見であるが，寒冷適応における褐色脂肪組織の役がある．一部のベージュ脂肪細胞は，既存の白色脂肪細

割には動物種ごとの生態・生理による違いがある．体の胞 か ら 直 接 転 換 し て 生 じ る が，成 熟 脂 肪 細 胞 標 識

サイズに比して体表面積が大きい小動物ほど熱産生への（AdipoChaser）マウスを用いた研究では，ベージュ脂肪寄与が高く，寒冷適応に不可欠である．また，成体の体細胞の多くは前駆細胞に由来することが示されているサイズにかかわらず，哺乳類は出生の際に子宮からの娩（Wang et al., 2013）．前駆ベージュ脂肪細胞マーカーに出により急激な環境温度の低下を経験する．新生子期についても複数の報告があり，複数種の前駆細胞に由来す

は震え熱産生機能が未熟であるため，この時期には褐色る可能性もある．例えば，マウス白色脂肪組織中に存在脂肪組織による熱産生が不可欠な役割を担っている．

する血小板由来成長因子受容体 （PDGFR ）を発現す
る PDGFR 陽性細胞は，寒冷刺激に応じてベージュ脂

4.1 早成性新生子の褐色脂肪組織

肪細胞に，高脂肪食摂取では白色脂肪細胞に分化するこ哺乳類は新生子の出生時の発達状態によって早成性ととが報告されている（図 3B）（Lee et al., 2012）．また，晩成性に分けられる．ウシやヒツジなど草食獣の多く

血管内皮細胞から分泌される PDGF-CC がベージュ脂肪や，一般的な小型哺乳類よりも妊娠期間が長いモルモッ細胞を誘導し，全身のエネルギー消費を高めることが報ト（マウス・ラットの 20 日前後に対し，モルモットは 60

告されている（Seki et al., 2016）．PDGFR 陽性細胞の日）などは，母体内で成長し発達してから生まれる早成数は加齢や肥満により低下し，白色脂肪組織の褐色化能性である．例えば産後すぐに目が開き，身体は体毛で覆を低下させる（Shin et al., 2017; Shin et al., 2019）．一方

われ，すぐに歩行が可能であるなどの特徴がある．こので，PDGFR や PDGFR 欠損マウスでは， 3 アドレナ

グループでは，褐色脂肪組織は胎子期に発達し，ほぼ完

リン受容体作動薬によるベージュ脂肪細胞の誘導が促進成した状態で出生する（図 4A）．出生に伴う環境温度のされる（Sun et al., 2020）など不明な点も多く，さらなる低下に対応して褐色脂肪組織が熱を産生して体温維持に研究が必要である．

寄与するが，出生直後から萎縮して熱産生機能を失う．
しかし，出生後に寒冷環境で飼育すると萎縮のスピード

3.4 UCP1 に依存しない熱産生経路
体サイズが小さい小型動物において，褐色/ベージュ

は遅くなることから，環境温度の影響が大きいことがわ
かる．

脂肪細胞による非震え熱産生は寒冷環境での体温維持にそれでは，寒冷環境に生息する動物種では褐色脂肪組

必須であり，上述の通り UCP1 欠損マウス寒冷不耐性の織は消失しないだろうか．ゼニガタアザラシ（Phoca

ため室温 4℃では体温が低下して死に至る．しかし，マvitulina）は 4 月から 5 月下旬の出産期，北海道の沿岸部

イルドな寒冷環境（18℃）で 3 週間順化させると，UCP1に生息している．成体のゼニガタアザラシは厚い皮下脂

欠損マウスも野生型マウスと同様に 4℃で体温を維持す

肪により体温を維持するが，新生子はほとんど体脂肪をる（Golozoubova et al., 2001）ことから，UCP1 に依存しもたない．我々がゼニガタアザラシの新生子の褐色脂肪ない熱産生機構が存在することが示唆されてきた．近

組織を調べたところ，生後 1 週間以内の新生ゼニガタア

年，エネルギーを無駄遣いする回路（futile cycle）によ

ザラシの頸部，肩甲間，腋下，心膜部に UCP1 を発現す

る熱産生の分子機序が明らかになってきている．褐色/

る褐色脂肪細胞が存在した（Sakurai et al., 2015）．しかベージュ脂肪細胞においては，UCP1 以外にもリン酸化

し，1 歳では脂肪細胞は新生子の脂肪細胞と比較してはと脱リン酸化を繰り返すクレアチンサイクルや，小胞体

るかに大きな脂質滴を含み，UCP1 の発現量も少なかっ加藤(鈴木) 美羅，岡松 優子

104

図 4：新生子の褐色脂肪組織とハムスター褐色脂肪組織の発達
A）早成性の新生子の褐色脂肪の発達は出生時に完了しており，その後退縮する．晩成性の新生子では出生後の寒冷刺激により発達する．未熟な新生子では出生後しばらくしてから発達する．B）シリアンハムスターの肩甲間脂肪組織を用いて HE 染色を行い，褐色脂肪組織の生後発達を評価した．脂肪組織の間質において前駆細胞が増殖して組織全体を置換し，褐色脂肪細胞へ分化することで褐色脂肪組織が形成された．

た．よって，他の大型哺乳類と同様に，ゼニガタアザラ

や猫では，
生後 2-3 日で褐色脂肪組織機能が最大となり，

シも褐色脂肪組織が年齢とともに消失することが示唆さ

1 週間程度で白色脂肪組織に置き換わり，成体では確認れた．一方，出生時に毛皮が密集しているズキンアザラ

されない．しかし，イヌにおいても 3 アドレナリン受シ（Cystophora cristata）や産毛のあるウェッデルアザラ

容体アゴニストの投与により白色脂肪組織の褐色化が誘シ（Leptonychotes weddellii）では新生子にも褐色脂肪組

導され，熱産生能を持つベージュ脂肪細胞が誘導される織が見られないとの報告もあり（Pearson et al., 2014），（Omachi et al., 2007）．

新生子期の体温調節方法の違いにより褐色脂肪組織の発達に種間差が生まれるのかもしれない．

4.3 ハムスターの褐色脂肪組織
褐色脂肪組織は冬眠哺乳類から発見された組織であ

4.2 晩成性新生子の褐色脂肪組織

り，冬眠からの覚醒時に活発に熱を産生して体温を上昇

早成性の新生子とは異なり，晩成性の新生子はとてもさせる．冬眠哺乳類であるシリアンハムスターにも豊富

未発達な状態で産まれる．例えば，目は閉じたままで，な褐色脂肪組織が存在するが，特徴的な形成機構を有す

身体は体毛に覆われない丸裸の状態である．早成性の新る．他種動物では肩甲間に大きな褐色脂肪組織が存在す

生子が 1 もしくは数匹（頭）で生まれるのに対し，このるが，新生ハムスターでは白色脂肪組織が存在しており，グループの動物は多産であり，多くは 5 匹以上の仔を産

図 4B に示すように出生後に徐々に褐色脂肪組織へと転む．生後間もなくは，仔は群れることで身を寄せ合って換する．我々は，白色脂肪組織中で前駆細胞が増殖し，寒さから身を守るが，体温を一定に維持する能力は既に組織を置換して褐色脂肪細胞へと分化することで白色脂持っている．これらの動物では，胎子期に褐色脂肪組織

肪組織から褐色脂肪組織へと転換することを明らかにしが形成され始めるが，出生後に急激に発達して数日で機た（Okamatsu-Ogura et al., 2018）．若齢では褐色脂肪組能が最大となる．このグループにはラットやマウスが含織を持たないため，14 日齢頃までのハムスターは室温まれる．UCP1 mRNA は胎児期には低レベルであり出23℃でも体温を維持できず，褐色脂肪組織が完成すると生後 12-20 時間で 10 倍に増加するが，新生子を室温

ともに恒温性を獲得する（Tsubota et al., 2019）．恒温性

35℃の温暖な条件で飼育すると認められない（Obregón

を獲得するまでは，同腹仔で群がり，母親に覆い被され

et al., 1989）ことからラット新生子では出生後の寒冷刺ることで体温を維持していると考えられる．温暖環境で激により褐色脂肪組織が発達すると考えられる．小型齧

飼育しても白色から褐色への脂肪組織転換のスピードに歯類では機能的な褐色脂肪組織が生涯にわたり豊富に存違いはないので（Nagaya et al., 2019），外気温の影響で在するが，その他の動物では速やかに退縮し，例えば犬はなく細胞にプログラムされた機序により組織が発達す寒冷適応と褐色脂肪組織

ると考えられる．なぜハムスターにのみ特殊な組織形成

105

4.4 ヒトの褐色脂肪組織機構が存在するのかは不明だが，冬眠哺乳類ゆえの寒冷

ヒト褐色脂肪組織は新生児に豊富に存在し，体重の約耐性が褐色脂肪組織形成の遅延を許容している可能性は5％を占める．上記のような晩成性動物と同様に，発達ある．ハムスター以外にこのような発達過程をたどる動に伴って減少して成人には存在しないと考えられていた物種は今までのところ報告されていないが，他の冬眠哺が，現在では成人にも機能的な褐色脂肪組織が存在し，乳類の褐色脂肪組織形成機構の解析が待たれる．

実験動物で得られた知見に一致してエネルギー消費量の白色脂肪組織が褐色脂肪組織に転換するという現象制御に寄与することが明らかになっている．2.2 で述べは，3.3 で述べた白色脂肪細胞と褐色脂肪細胞が異なる

た通り，交感神経-褐色脂肪組織-UCP1 が活性化すると細胞系譜を持つという事実と矛盾するようにも思われ

褐色脂肪細胞では熱産生の基質として脂肪酸の取り込み

る．しかし，脂肪細胞の種類による細胞系譜の違いにつが活発化するが，同時にグルコースの取り込みも増加す

いては議論のあるところであり（Sanchez-Gurmaches etる（Inokuma et al., 2005; Okamatsu-Ogura et al., 2020）．

al., 2012; Shan et al., 2013），分類は必ずしも明確ではな

この代謝特性を利用して，寒冷刺激等で活性化したヒト

い．また，褐色脂肪細胞の多房性脂肪滴は肥満や加齢に褐 色 脂 肪 組 織 を 検 出 す る こ と が で き る（Saito et al.,

よ っ て 単 房 性 に な り 得 る（Sellayah & Sikder, 2014;2009）．図 5 は，放射ラベルしたグルコース誘導体（18F-

Shimizu et al., 2014）ことや，上述のように一部のベーFDG）の集積を陽電子画像診断法（PET）により検出し

ジュ脂肪細胞は白色脂肪細胞からの転換により発生する

た結果である．夏において，寒冷条件で認められる鎖骨ことが示されている．これらを考え合わせると，ハムス

上窩の集積は温暖条件では認められない．同時に撮影しターの新生子の肩甲間に存在する白色脂肪様細胞も，いている CT 像からは脂肪組織であることが確認できるの

わゆる白色脂肪細胞と同一ではなく，未熟な褐色脂肪細で，寒冷刺激により活性化した褐色脂肪組織であると言胞であることや，転換前のベージュ脂肪細胞であるといえる．同一被験者の同じ撮影を冬季に行うと，鎖骨上窩う可能性も考えられる．実際，肩甲間に存在する白色脂の集積が増えるとともに傍脊柱にも集積が認められた．

肪様細胞は典型的な白色脂肪組織に存在する白色脂肪細ヒト褐色脂肪組織の存在量には個人差が存在するが，実胞とは遺伝子発現パターンに違いがあることを見出して験動物から得られた知見と同様に，ヒトにおいても寒冷いる（Mae et al., 2021）．これらの詳細を明らかにするに環境により褐色脂肪組織が増生すると考えられる．実験はさらなる研究が必要であろう．

的にも，1 日のうち 2 時間を室温 16 度で過ごす寒冷暴露

図 5：ヒトの褐色脂肪と寒冷適応
18F-FDG-PET/CT によるヒト褐色脂肪の検出：寒冷刺激（18℃，2 時間）によるフルオロデオキシグルコース（fluorodeoxyglucose：FDG）の集積を PET-CT により検出した．脳や心臓などの糖代謝活性の高い部位に加え，肩部や腋下，傍脊柱に集積がみられる．この集積は，夏よりも冬に増加した．

加藤(鈴木) 美羅，岡松 優子

106

を 6 週間続けるとヒト褐色脂肪組織が増加することも示されている（Yoneshiro et al., 2013）．
興味深いことに，成人の褐色脂肪組織は主にベージュ
脂肪細胞で構成されていることが報告された（Shinoda
et al., 2015）．新生児の褐色脂肪組織は齧歯類に存在する褐色脂肪細胞（古典的褐色脂肪細胞）からなるものの，成長とともに消失することが示唆されている．褐色脂肪の量や活性が民族間（Bakker et al., 2014）や，出生時期により（Sun et al., 2018）異なることが報告されており，今後の研究の進展が期待される．

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5. 最後に
本稿では哺乳類の寒冷適応における褐色脂肪組織の役
割を紹介した．様々な動物の褐色脂肪細胞やベージュ脂
肪細胞について，種間の違いやその理由を明らかにする
ことは，熱産生機構の根本的な理解につながるだろう．
近年，褐色脂肪組織の量や機能が出生前の環境により規定されるとの報告が相次いでいる．例えば，受精時期に父親が寒冷刺激を受けると子供の成長後の褐色脂肪量が増加し（Sun et al., 2018），母親が肥満していると胎児の褐色脂肪組織の発達が阻害され出生後の熱産生能が低下

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暑がりの人がいたり，同じ食事量でも太りやすさが異な

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るなど，褐色脂肪組織に関連する体質の個人差を規定す
る分子機序についての理解が進むことが期待される．

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低温科学 81 （2023） 109-117
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 109

概日時計の温度補償性と Ca2＋ シグナルの役割
金 尚宏1，2，3），榎木 亮介4，5）2022 年 12 月 1 日受付，2023 年 1 月 16 日受理

概日時計は自律振動性，同調性，温度補償性という三つの重要な性質を持つ．概日時計の分子メカ
ニズムの研究は，リズムに異常を示す時計遺伝子の変異体の発見から進展した．動物において，概日性の遺伝子発現リズムは転写翻訳フィードバックループによって生み出されている．この転写翻訳
フィードバックループは概日性の Ca2＋-CaMKII シグナルの活性化によって制御されており，CaMKIIは転写因子 CLOCK をリン酸化することで活性化する．概日時計の特性として，生理的な温度範囲において周期が約 24 時間に保たれる温度補償性が知られている．概日時計の周期がいかにして低温で維持されるのかは不明な点が多かったが，近年の研究から，Na＋/Ca2＋交換輸送体（NCX）に依存した低温で活性化する Ca2＋ シグナルが転写翻訳フィードバックループの振動速度を調節することが分かってきた．

Temperature compensation of circadian clock and the role of Ca2+ signaling
Naohiro Kon1，2，3 and Ryosuke Enoki4，5
Three important features of the circadian clocks are autonomous oscillation, entrainment and temperaturecompensation. Molecular mechanisms of the clocks were clarified by the discoveries of clock genes, and the circadianrhythms are generated by transcriptional and translational feedback loops. The feedback loops are regulated byrhythmic phosphorylation of CLOCK by circadian Ca2+-CaMKII signaling. In response to temperature decrease, NCX
promotes Ca2+ influx to activate CaMKII for regulation of the feedback loop in the temperature compensation of period
連絡先
金 尚宏〒464-8601 愛知県名古屋市千種区不老町 名古屋大学
ITbM 棟 505 室
Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), Nagoya
University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, 464-8601, Japan.
Tel. 052-789-4070
e-mail：kon.naohiro@itbm.nagoya-u.ac.jp
榎木 亮介〒444-8787 愛知県岡崎市明大寺町字東山 5-1
Higashiyama 5-1, Myodaiji, Okazaki, Aichi 444-8787, Japan.
Tel. 0564-59-5258
e-mail：enoki@nips.ac.jp⚑）名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所（ITbM）
Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), Nagoya
University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, 464-8601, Japan.
⚒）名古屋大学大学院 生命農学研究科 動物科学専攻
動物統合生理学教室
Laboratory of Animal Integrative Physiology, Graduate

School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University,
Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, 464-8601, Japan.
⚓）Suntory Rising Stars Encouragement Program in life
Sciences（SunRiSE）, SunRiSE, Suntory Foundation for Life
Sciences, Suntory World Research Center, 8-1-1 Seikadai,
Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto, 619-0284, Japan
〒619-0284 京都府相楽郡精華町精華台 8-1-1 サントリーワールドリサーチセンター サントリー生命科学財団⚔）自然科学研究機構生理学研究所 バイオフォトニクス
研究部門
Division of Biophotonics, National Institute for Physiological
Sciences, National Institutes of Natural Sciences,
Higashiyama 5-1, Myodaiji, Okazaki, Aichi 444-8787, Japan.
⚕）自然科学研究機構生命創成探究センター バイオフォ
トニクス研究グループ
Biophotonics Research Group, Exploratory ResearchCenter on Life and Living Systems (ExCELLS), National
Institutes of Natural Sciences, Higashiyama 5-1, Myodaiji,
Okazaki, Aichi 444-8787, Japan.

金 尚宏，榎木 亮介

110length.
キーワード：概日時計，温度補償性，Ca2＋シグナル，CaMKII，Na＋/Ca2＋交換輸送体
Circadian clock, temperature compensation, Ca2+ signaling, CaMKII, Na+/Ca2+ exchanger

1. 概日リズムと時計

温度に非依存というわけではなく，むしろ積極的に周期を補償するメカニズムが存在すると考えられるようにな

動物の睡眠や覚醒，植物の光合成活性などは，環境変り，温度補償性という呼び方が定着した．温度補償性は化を一定にした条件下でも約一日周期のリズムが観察さ

内温動物の概日時計にも観察され，哺乳類の培養細胞のれる．これらのリズムは概日リズムと呼ばれ，英語では転写リズムも生理的な温度範囲でほぼ一定の周期に保た

サーカディアンリズム（circadian rhythm）と表される．

れている．

この概日リズムを生み出しているのが概日時計という生物時計である（海老原史樹文，深田吉孝，1999；岡村均，
深田吉孝，2004；海老原史樹文，吉村崇，2012）．概日時

2．哺乳類の概日時計の存在場所

計は，動物や植物だけでなく，真菌，シアノバクテリア

哺乳類の概日時計は睡眠，覚醒，あるいは摂食などをのような原核生物にも存在している．概日時計を持つこ

強く制御する一方で，絶食，断眠，あるいは内分泌器官とによって，生物は環境の周期的な変化を予測することの除去によって大きな影響を受けない（Richter, 1965）．

が可能となり，
生存競争で有利に働くと考えられている．

1972 年，外科的な切除実験から，脳の視床下部領域に存

概日時計の重要な特性は 3 つあり，一つ目は「自律振動

在する視交叉上核（Suprachiasmatic nucleus）に概日時性」である．恒暗条件下において，ショウジョウバエの計の中枢が存在することが分かった（Moore & Eichler,

歩行活動リズムは 24.4 時間，ハツカネズミの輪回し行

1972; Stephan & Zucker, 1972）．視交叉上核は約 2 万個動リズムでは 23.6 時間というように，約一日周期のリの神経細胞から構成されるネットワークを形成しておズムが継続する（Refinetti, 2016）．概日時計の二つ目のり，個々の細胞レベルで代謝や活動電位の概日リズムが重要な特性は，環境サイクルとの「同調性」である．概観察される．この視交叉上核の中枢時計は全身の組織に日時計の位相（時刻）は，明暗や温度などの同調因子に存在する末梢時計の位相を調節している（Yamazaki et

よって調節される．そのため，概日時計の周期が 24 時

al., 2000）．そして，時計遺伝子の発現リズムはいくつか間より少しずれていても，環境サイクルに同調することの不死化した培養細胞株においても観察されることからができる．そして，概日時計の三つ目の性質は「温度補（Balsalobre et al., 1998），生体外という非生理的な条件

償性」である．温度補償性とは，季節や昼夜の寒暖に伴下においても概日時計は機能することが分かる．末梢細う温度変化に依らず，概日リズムの周期がほぼ一定に保胞のリズム位相を調節する代表的な因子としては，副腎

たれる性質である．温度係数 Q10 は，温度が 10℃変化し皮質から分泌されるグルココルチコイドの一種であるコ

た際の反応速度の変化を示す指標としてよく用いられルチゾールが知られており（Balsalobre et al., 2000a），ヒる．例えば酵素反応の場合，37℃での反応速度を 27℃でトの場合，血中コルチゾール濃度は明け方にピークを持の反応速度で割った値により Q10 を求められるが，一般

つ概日リズムを示す．その他，上皮成長因子，線維芽細的な生化学反応では Q10 は約 2 から 3 である．概日時計

胞増殖因子，エンドセリン，トランスフォーミング増殖

は生化学反応で構成されているにも関わらず，実際に観因子ベータやインスリンなど，多くの因子が末梢時計の察される概日リズムの Q10 は 0.8 から 1.2 の間に保たれ同調に関わっている（Balsalobre et al., 2000b; Kon et al.,ている．この温度補償性は，環境温度によって細胞の温2008）．このような末梢組織とは異なり，視交叉上核の度が強く影響される昆虫，植物，あるいは細菌において組織を in vitro で培養した場合では数十日に渡って遺伝

とりわけ重要である．本性質は 1950 年代まで，概日時

子発現リズムが維持される．これは，視交叉上核の個々計の周期の温度非依存性と呼ばれていた（Pittendrigh,の神経細胞はシナプス結合や神経ペプチドを介して同調

1954）．しかし，1957 年に渦鞭毛藻ゴニオラックスの生しており，単離した培養条件下でも脱同調が起こりにく物発光リズムの研究において，温度を下げるとリズム周

いためである．このような細胞間カップリングによる期はやや短くなる（Q10 が 1 よりも小さくなる）という個々の神経細胞のリズム同調は，中枢時計の安定な高振過補償現象（overcompensation）が見出された（Hastings

幅リズムを生み出す上で重要である．

& Sweeney, 1957）．この観察により，概日時計の周期は

概日時計とカルシウム111

3．リズム変異体と転写翻訳フィードバックループ
概日リズムの形成に関わる分子メカニズムは，いくつかの生物種においてリズム変異体が同定されたことにより飛躍的に理解が進んだ．1971 年，Konopka と Benzer
は最初のリズム変異体であるショウジョウバエ period（per）変異体を報告した（Konopka & Benzer, 1971）．
1973 年にはアカパンカビの胞子形成リズムに異常を示
す frequency（frq）変異体が報告され，1988 年には哺乳類におけるハムスターの tau 変異体，1994 年にはマウスの Clock 変異体が報告された（海老原史樹文，深田吉孝，1999；岡村均，深田吉孝，2004；海老原史樹文，吉村崇，
2012．
）．そして，1994 年には光合成細菌のシアノバクテ
リアにおいて kai 変異体群が報告された．1984 年に米国の 2 つの独立のグループからショウジョウバエの per遺伝子がクローニングされ，それに続いて哺乳類，植物，
真菌，
および細菌で時計遺伝子が続々と明らかになった．
各生物種における時計遺伝子を比較すると，動物，植物，
真菌，および細菌の時計遺伝子の配列相同性は限定的であることが分かった．そのため，これらの生物系統において時計遺伝子は独立に進化したと考えられている．しかし，いずれの種においても時計遺伝子は転写翻訳
フィードバックループを形成し，遺伝子発現の概日リズ
ムを生み出すという共通点を持つことが分かった．そして 2017 年，ショウジョウバエ per 遺伝子の報告を行った Jeffrey Hall，Michael Rosbash，Michael Young の 3

図 1：概日リズムを生み出す転写翻訳フィードバックループ（a）bHLH 型転写因子である CLOCK と BMAL1 はヘテロ二量体を形成し，E-box 配列に結合して Per 遺伝子や Cry 遺伝
子の転写を活性化する．
（b）転写・翻訳された PER・CRY タ
ンパク質は核に移行し，CLOCK-BMAL1 複合体による転写活性化を抑制する．この転写翻訳フィードバックループが約
24 時間の周期で繰り返し，時計遺伝子を含む多くの遺伝子群の概日性の発現リズムを生み出す．本図は先行文献より改変して使用した（金 尚宏，深田吉孝 2019）．

氏に，ノーベル生理学・医学賞が授与された．
哺乳類の転写翻訳フィードバックループにおいては，
CLOCK と BMAL1 が転写活性化因子として機能する．

マウス，Per1 と Per2 の二重欠損マウス，Cry1 と Cry2

こ れ ら の タ ン パ ク 質 に は DNA 結 合 モ チ ー フ で あ るの二重欠損マウスは行動リズムおよび遺伝子発現リズム

bHLH（basic helix-loop-helix）ドメインと PAS ドメインがほとんど消失することから，これらの因子は哺乳類のが存在する．PAS ドメインとは，PER タンパク質，ダ

転写翻訳フィードバックループを形成する中心的な因子

イオキシン受容体 AHR とヘテロダイマーを形成するである．さらに，このコアループと連動するサブループ

ARNT タンパク質，および発生に重要な転写因子 SIMが知られている．Bmal1 遺伝子などの転写制御領域にに共通して見られるドメインであり，タンパク質間の相は RORE（ROR/REV-ERB response element）が存在す

互作用に関わる．CLOCK と BMAL1 は PAS ドメイン

る．この RORE 配列に転写活性化因子 ROR と転写抑制を 介 し て ヘ テ ロ 二 量 体 を 形 成 し，Period（Per）や

因子 REV-ERB が拮抗的に結合し，Bmal1 遺伝子の転写

Cryptochrome（Cry）遺伝子の転写制御領域に存在するリズムが生み出されると考えられている．このようなサ

DNA シスエレメント（E-box）に結合して転写を活性化

ブループの存在により，遺伝子ごとに一日のさまざまなする（図 1）．転写・翻訳された PER タンパク質は CRY

時刻に発現ピークを示す転写リズムが生み出されていタンパク質と複合体を形成して核内へ移行し，CLOCKる．

と BMAL1 による Per・Cry 遺伝子の転写活性化を阻害

哺乳類の概日時計における翻訳後修飾の重要性は，ハする．このような転写翻訳フィードバックループによムスターの行動リズム周期が大きく変化する自然発生変り，E-box を介した Per・Cry 遺伝子の発現は約一日周

異 tau の責任遺伝子の同定から明らかとなった．ハムス

期の増減リズムを示す．Clock 変異マウス，Bmal1 欠損

ターは恒暗条件下で約 24 時間の自由継続周期を示すが，

金 尚宏，榎木 亮介

112

図 2：視交叉上核における各種リズムのピーク位相
各種リズムのピーク位相を赤いボックスにて示す．細胞内 Ca2＋ リズムのピーク位相は主観的明期の前半に観察され，それに続いて CaMKII の自己リ
ン酸化リズム，Ca2＋/cAMP 応答配列（CRE）に依存した転写リズム，E-box
配列に依存した転写リズムのピークが観察される．

tau 変異はヘテロ接合体で約 22 時間，ホモ接合体で約KaiC の脱リン酸化を促進する．その結果，KaiC にはリ

20 時間というリズムの短周期化を引き起こす．この tau

ン酸化リズムが生まれる．精製した KaiA，KaiB および変異の表現型は Casein Kinase I（CKI） の遺伝子変異

KaiC タンパク質を ATP と共に試験管内で混合するこに起因し，本変異によってキナーゼ活性が変化する．まとにより，KaiC のリン酸化リズムを再構成できること

た，ヒトの家族性睡眠相前進症候群を引き起こす変異とが示されている（Nakajima et al., 2005）．

して hPER2 の Ser662Gly 変異が同定された（Toh et al.,2001）
．この点変異は hPER2 の CKI との結合部位に存在 す る．試 験 管 内 に お け る リ ン 酸 化 ア ッ セ イ か ら，

4．Ca2＋ による概日リズムの制御

CKI は PER2 をリン酸化することが示された．CKI

哺乳類の視交叉上核において，細胞内の Ca2＋ レベル

による PER2 のリン酸化はユビキチンリガーゼ複合体

は概日リズムを示す．Ca2＋ 指示薬である fura-2-AM に

SCF- -TrCP により認識されてユビキチン化され，プロより細胞内 Ca2＋ レベルを定量すると，恒暗条件下で動テアソームにより分解される．

物にとって昼に当たる時刻（主観的昼）に採取したラッ

転写翻訳フィードバックループは多くの真核生物で共トの視交叉上核の神経細胞では，主観的夜に採取した細通したリズム生成機構だが，この機構が自律振動体を形胞と比べて Ca2＋ 濃度が高いことが示された（Colwell

成できるかは証明されていない．原核生物であるシアノ

2000）．この結果と一致して，
電気生理学的な解析によっバクテリアにおいては，転写翻訳フィードバックループて，昼間（ZT4-8，用語説明 2 参照）に採取されたラット

ではなく，時計タンパク質 KaiA，KaiB，KaiC の複合体の視交叉上核の細胞は，夜間（ZT13-20）に採取されたが自律振動体を形成することが証明された．KaiC タン

も の と 比 べ て，高 振 幅 の Ca2＋ 電 流 が 観 察 さ れ る

パク質は 6 量体を形成し，自己リン酸化活性と自己脱リ（Pennartz et al., 2002）．池田らは，組織培養した視交叉

ン酸化活性を持つ（Cohen & Golden, 2015）．概日リズム上核の神経細胞においても細胞質 Ca2＋ レベルは明瞭なの位相は KaiC の Ser431 と Thr432 という 2 つのアミノ

概日リズムを示すことを報告し，細胞内 Ca2＋ は自律的酸のリン酸化状態によって決定される．主観的昼（文末に概日振動していることを明らかにした（Ikeda et al.,の用語説明 1 参照）に両アミノ酸は脱リン酸化状態とな

2003）．Ca2＋リズムのピークはおよそ CT1-6（用語説明り，KaiA は KaiC に結合する．KaiA は KaiC のリン酸

2 参照）に観察され，これは視交叉上核の発火頻度の概化を促進することで，KaiC と KaiB との結合を促進す

日リズムと比べて 2 から 7 時間ほど先行している（Ikeda

る．一方で，KaiB は KaiA と KaiC との結合を阻害し，et al., 2003; Enoki et al., 2017）（図 2）．この Ca2＋リズム

概日時計とカルシウムは視交叉上核の領域内において，背側領域に比して腹側領域の方がより高振幅のリズムを示し，ピーク位相が遅れている（Enoki et al., 2012）．この視交叉上核内での領113

5．Ca2＋ シ グ ナ ル は CaMKII よ っ て 転 写 翻 訳
フィードバックループに伝達される域ごとのリズムのタイミングの差異は，PER2 タンパク

金らは，Rat-1 線維芽細胞を用いて概日時計の発振メ質の発現リズムにも観察されることから，視交叉上核内

カニズムを解析している過程で，Ca2＋依存性のリン酸化

では分子レベルでリズム振幅や位相に領域特異性が存在

酵素の活性が，転写翻訳フィードバックループの振動にすることが分かる（Enoki et al., 2017）．視交叉上核にお必須であることを見出した（Kon et al., 2014; Kon et al.,

ける Ca リズムの振幅の見積もりは，実験条件によっ

2015）．Bmal1 ルシフェラーゼレポーターを発現したて見積もり値に差はあるものの，いくつかの報告で行わRat-1 線維芽細胞に CaMKII 阻害剤の KN-93 を投与するれている（Harvey et al., 2020）．一例を挙げると，遺伝と，用 量 依 存 的 に 転 写 リ ズ ム の 振 幅 は 減 衰 し た．

子コード型 Ca センサーである Yellow cameleon 3.60

CaMKII は細胞内 Ca2＋ の上昇によって活性化するタンを用いた解析の場合，Ca2＋リズムのトラフおよびピーク

パク質リン酸化酵素である．細胞内で上昇した Ca2＋ は

値 は そ れ ぞ れ，約 85 nM お よ び 約 120 nM で あ っ た

カルモジュリンと結合し，Ca2＋-カルモジュリン複合体（Enoki et al., 2012）．重要なことに，視交叉上核の単一は CaMKII に結合する．これにより，CaMKII は自己リの神経細胞を他の神経細胞やグリア細胞との物理的な接ン酸化を介して活性化型となり，種々のタンパク質基質

触が無い条件下で培養した場合でも，概日性 Ca リズ

をリン酸化する．哺乳類において，CaMKII は CaMKII ，

ムは観察される（Hirata et al., 2019）．また，視交叉上核

CaMKII ，CaMKII ，CaMKII という 4 つの遺伝子ににおいては静止膜電位にも概日リズムが観察され，主観コードされており，CaMKII と CaMKII は脳に強く発的昼にピークを示す（Enoki et al., 2017）．興味深いこと現し，CaMKII と CaMKII は様々な組織に広範に発現に，この静止膜電位のリズムには Ca や PER2 で観察する．NIH3T3 細胞において，CaMKII および CaMKIIされるような視交叉上核内の領域特異性は観察されなを siRNA にてノックダウンした場合，Bmal1 ルシフェ

い．そのため，静止膜電位は視交叉上核内で均一となる

ラーゼレポーターによる発光リズムの振幅が大幅に低下ように制御されていると考えられる．

したことから，CaMKII は転写リズムの生成に必要であ

2＋

2＋

2＋

2＋

培 養 し た 視 交 叉 上 核 の 細 胞 に お い て，培 養 液 中 のることが分かった（Kon et al., 2014）．また，Rat-1 細胞

Ca2＋ イオンを欠乏させると，神経の発火リズムやグルにおいて CaMKII 阻害剤を投与すると，E-box により制コースの取り込みリズムが消失する（Shibata et al., 1984;

御されている Per1，Per2 などの遺伝子の発現は強く抑Shibata et al., 1987）．また，Ca 結合タンパク質である

制される一方，Bmal1 など RORE によって制御されてカルビンジン D28K の欠損マウスにおいて，自発行動のいる遺伝子は発現上昇した状態で転写リズムが停止す

概日リズムの自律性および光同調性が障害されることかる．そして生化学的な解析から，CaMKII は CLOCK のら（Kriegsfeld et al., 2008），Ca シグナルは視交叉上核

リン酸化を促進することで CLOCK と BMAL1 のヘテにおける概日リズムの生成に重要であると考えられていロ二両体の形成を促進し，E-box を介して遺伝子の転写

た．Lundkvist らは，細胞内 Ca イオンを BAPTA-AM

を活性化することが分かった（図 3）
．

2＋

2＋

2＋

によってキレートすると，Per1 や PER2 ルシフェラー

視交叉上核において，Ca2＋は CT1-6 にピークを示し，ゼレポーターによる転写リズムが消失することを報告し

CaMKII の自己リン酸化のピークは CT4 に観察されるた（Lundkvist et al., 2005）．さらに，電位依存性 Ca2＋

（Agostino et al., 2004）．この CaMKII の活性化ピークか

チャネル阻害剤を視交叉上核の培養スライスに投与する

ら少し遅れて Per1 遺伝子が発現ピークを示す（Ueda etと，Per1 ルシフェラーゼレポーターによる転写リズム

al., 2005）．末梢組織である肺においても，CaMKII の自は減衰する．また，人工受容体である DREADD システ

己リン酸化リズムと時計遺伝子の発現リズムはともにムによって Gq-Ca シグナルを人為的に制御すると，視CT10-14 においてピークを示す（Kon et al., 2015）．こ

交叉上核の時計遺伝子の発現リズムが影響されることがのことから，視交叉上核だけでなく，末梢の組織におい示された（Brancaccio et al., 2013）．これらの結果より，ても CaMKII の活性化リズムと E-box 依存的な転写リ

細胞内 Ca は転写翻訳フィードバックループの振動形

ズムはほぼ同じ位相でピークを示すことが分かった．視

成に深く関わっていることが分かったが，どういったシ

交叉上核に発現するアイソフォームの一つである

グナル分子が転写翻訳フィードバックループを制御する

CaMKII に関して，キナーゼ失活変異（ノックイン）マのかは明らかになっていなかった．

ウスの輪回し行動リズムを解析したところ，リズム周期

2＋

2＋

金 尚宏，榎木 亮介

114

図 3：哺乳類の概日時計の分子メカニズム
概 日 性 の Ca2＋ リ ズ ム は CaMKII の 活 性 リ ズ ム を 生 み 出 す．CaMKII は
CLOCK を リ ン 酸 化 し て CLOCK と BMAL1 の 結 合 を 促 す．活 性 化 し た
CLOCK-BMAL1 によって Per や Cry の遺伝子発現が亢進する．NCX は温度低下に応じて細胞内 Ca2＋流入を促進し，CaMKII を活性化することで転写翻訳フィードバックループを加速し，転写リズムの温度補償性を担う．本図は先行文献より改変して使用した（Kon et al. 2014; Kon et al. 2021）．

の長周期化と一過的なリズム消失が観察された（Kon et

SEA0400 の存在下では，転写リズムの温度補償性が大al., 2014）．視 交 叉 上 核 の 急 性 培 養 ス ラ イ ス を 用 い た

きく阻害されることが分かった．本結果から Ca2＋ シグ

PER2 ルシフェラーゼレポーターによるイメージング解

ナルが温度補償性に関わることが示唆されたため，筆者

析の結果，CaMKII 活性は単一の細胞レベルのリズム振らは Ca2＋ シグナルと温度の関係に関して文献を検索し幅の維持に加え，細胞間のカップリングにも重要な因子た．そして，Rapid cold hardening（RCH）という低温耐であることが分かった．

性 の 獲 得 機 構 に 着 目 し た．ニ ク バ エ の 一 種 で あ る
Sarcophaga crassipalpis で は，通 常 の 飼 育 温 度 で あ る

6．Ca2＋ による転写リズムの温度補償性の制御

25℃の状態から，－10℃で 2 時間飼育すると，80％以上の個体が死亡する（Lee et al., 1987）．しかし，25℃の状

転写リズムを生み出す転写翻訳フィードバックループ

態から，0℃で 1 時間飼育した後に，－10℃に暴露すると，は，遺伝子の転写や翻訳，タンパク質の核移行など，温死亡個体は 20％以下へと大きく減少する．この数分か度感受性の反応が多く含まれている．そのため私たちら数時間で獲得される低温耐性は RCH と呼ばれ，Ca2＋は，転写翻訳フィードバックループの温度補償性には，や CaMKII が関わることが知られていた（Teets et al.,

温度に応じて機能する細胞内シグナルが存在するのでは2013）．そこで私たちは，哺乳類の細胞においても温度ないかと着想し，温度補償性に関わる分子の探索を試み低下に応じて細胞内 Ca2＋レベルが上昇し，CaMKII が活

た．Rat-1 線維芽細胞の転写リズムを Bmal1 ルシフェ性化することで概日時計の温度補償性を担っているのでラーゼレポーターにより測定した際には，37℃での転写はないかと着想した．

リズムの周期は 23.3 時間に対し，32℃では 21.2 時間でCa2＋ 指示薬である Fluo-4 を用いて，マウス由来線維あることが分かった．そのため，培養細胞においても概芽細胞である NIH3T3 細胞における Ca2＋レベルを定量

日リズム周期の過補償現象が観察されることが分かった

イメージングしたところ，37℃から 27℃への温度低下に（Kon et al., 2021）．この細胞実験系を用いて，転写リズ

伴い，Fluo-4 の蛍光レベルの上昇が観察された．この温

ムの温度補償性に影響を及ぼす低分子化合物をスクリー

度低下による蛍光シグナルの上昇は，NCX 阻害剤であニングした．その結果，CaMKII 阻害剤 KN-93，あるいる KB-R7943 あるいは SEA0400 により阻害されたこと

は Na＋/Ca2＋ 交換輸送体の阻害剤である KB-R7943 やから，NCX は温度低下に応じて細胞内 Ca2＋レベルを上概日時計とカルシウム

115

昇させることが明らかとなった．またこの際，細胞内のわることが明らかとなった．すなわち，真核生物と原核CaMKII 活性も上昇することが分かった．さらなる解析

生物に保存された初めての時計因子として，NCX の存から，細胞内 CaMKII 活性の上昇は転写フィードバック

在が明らかとなった（図 4）．

ループの振動速度を早めることが分かった．そのため，低温で活性化する Ca2＋-CaMKII によって転写フィード
バックループの振動速度が加速されることで，温度補償性が成立することが示唆された（図 3）．

7．今後の展開
転写フィードバックループを構成する転写関連因子は

次に私たちは，低温性 Ca シグナルによるタンパク

各生物界で異なるため，これまで，概日時計機構そのも質リン酸化の亢進が昆虫や植物の組織でも観察されるののが生物界で独立進化したと考えられていた．しかし最かを調べた．外気温を 25℃から 4℃に変化させた場合，

近の私たちの研究から，真核生物と原核生物に保存されショウジョウバエの頭部組織ライセートにおいてた初めての時計因子として NCX の存在が明らかとなっ

CaMKII 活性の上昇が確認された．また，シロイヌナズ

たため，Ca2＋に基づいた祖先的な概日時計が共通祖先にナの地上部組織を用いたライセートにおいても，22℃か存在していたことが示唆された．NCX の機能保存性をら 4℃に変化させた際に，CaMKII の基質ペプチドであ考慮すると，NCX による低温性 Ca2＋シグナルが祖先的る syntide-2 に対するリン酸化活性の上昇が観察された．

な概日時計の形成に寄与したとも考えられる．もしかし2＋

シロイヌナズナにおいて CaMKII は存在しないが，Ca

たら，日内の環境変化に伴う温度サイクルが低温性やカルモジュリン依存性のリン酸化酵素は多く存在してCa2＋シグナルのサイクルを生み出し，起源的な時計を形いる（Liese & Romeis, 2013）．そのため，植物における成したのかもしれない．今後の研究によって NCX 依存

低温性 Ca シグナルを媒介するリン酸化酵素の発見は，的な Ca2＋ シグナルの理解が進めば，各生物界における概日リズムや低温応答の分子機構の理解に貢献すると考概日時計の進化や，起源が明らかになると期待される．

2＋

2＋

えられる．
哺乳類の視交叉上核における Ca2＋ シグナルの温度応
答を解析するため，光イメージング実験を行った．視交叉上核の培養スライスにおいて，35℃において観察された明瞭な概日 Ca2＋ リズムは，28℃においても継続したが，この際，リズムのピークおよびトラフはともに上昇することが分かった．この結果から，
環境温度の変化は，細胞内の Ca2＋ レベルを全体的に上昇させる形で細胞内へ情報伝達されることが分かった．
低温性 Ca シグナルは進化的にどの生物まで保存さ2＋れているのだろうか？ シアノバクテリアにおいても，
環境温度の低下は細胞内 Ca2＋ レベルを上昇させることが知られている（Torrecilla et al., 2003）．そのため，低温性 Ca2＋ シグナルはバクテリアのような原核生物においても保存された低温応答であると考えられる．また，
低温性 Ca シグナルを媒介する NCX は全ての真核生
2＋

物と原核生物に存在すると言われている（Emery et al.,2012）
．そこで，シアノバクテリアにおいて NCX をコードする yrbG 遺伝子のノックアウト株を作製し，概日リズムの温度補償性を解析した．その結果，野生型における PKaiBC：：luxAB レポーターの発光リズムの Q10 値は1.2 であったのに対し，yrbG 欠損株では 1.5 となり，転写リズムの温度補償が阻害されることが明らかとなった．これらの結果から，NCX に依存した低温性 Ca2＋シ
グナルは，生物界を超えて概日リズムの温度補償性に関用語説明
1．主観的昼・主観的夜
24 時間周期の明暗環境サイクルでは，昼間（明期）と夜間（暗期）に応じて動物の行動や生理は変化する．一方，環境変化の無い恒常的な環境（例えば恒常的な暗条件）でも約 24 時
間周期で昼と夜にみられる概日リズムが現れる．このような概日リズムの自由継続条件において，昼間に相当する生理現象がみられる時間帯を主観的昼と呼び，夜間に相当する生理現象がみられる時間帯を主観的夜という．一定の環境条件においても生物が「主観的に」昼と判断している時間帯と，「主観的に」夜と判断している時間帯があるという考え方に基づく用語である．
2．Zeitgeber Time（ZT）
・Circadian time（CT）
Zeitgeber（ドイツ語）は英語の Time giver を表し，環境サ
イクルに合わせた時間制を示す．例えば，明期 12 時間，暗期
12 時間という 24 時間の明暗サイクルで動物を飼育した場
合，明周期の開始時刻を Zeitgeber Time（ZT0），暗周期の開始時刻を ZT12 とする．
一方で Circadian time（CT）は，身の回りに存在する機械式の時計ではなく，生物の概日リズムに基づいた時間制である．概日リズムの周期は正確には 24 時間ではないが，この周期を 24 時間に見立て，24 等分して用いる．例えば周期が23 時間の概日リズムの場合には，1 Circadian Time は，23/
24 時間で 57.5 分に相当する．普通は，主観的昼の始まりを
CT0 とする．この位相は，生物が 24 時間の明暗サイクルに同調しているとき，明期の開始（ZT0）に対応する．

金 尚宏，榎木 亮介

116

図 4：各生物界における時計遺伝子と進化的保存性
転写リズムを生み出す時計遺伝子は動物界，真菌界，植物界，細菌界で配列の相同性が限定的である
ことから，独立進化したと考えられている．真核生物においては，カゼインキナーゼ 1（CK1）やカ
ゼインキナーゼ 2（CK2），グリコーゲンシンターゼキナーゼ 3（GSK3）などのリン酸化酵素は周期制御という観点で役割が保存されている．シアノバクテリアにおいては KaiA，KaiB，KaiC のタン
パク質複合体が自律振動体を形成する．NCX は現生の全ての生物種に保存されていることから，全生命の共通祖先から存在した遺伝子と考えられている．本図は先行文献より改変して使用した（Konet al. 2021）．

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シマリスの冬眠の分子生物学的研究
塚本 大輔1)，高松 信彦2)2022 年 12 月 19 日受付，2023 年 1 月 21 日受理

哺乳類の冬眠は，冬眠哺乳動物に特異的な遺伝子やタンパク質が発見されていないことから，哺乳類に共通の遺伝子の機能や発現を冬眠用に再調整することにより発動が制御されていると考えられている．我々は，シマリス（Tamias asiaticus）の冬眠関連タンパク質 HP の遺伝子発現の解析をきっかけに冬眠研究を開始し，HP 遺伝子の冬眠に伴う発現制御が転写レベルでエピジェネティックに制御されていることを明らかにした．さらに，哺乳類の概日性の体温変動による HSF1 の活性制御機構を利用することにより，シマリスの末梢組織において，概日リズムを形成する時計遺伝子 Per2 の発現が冬眠期の中途覚醒時に一過性に活性化されることを明らかにした．本稿ではこれらの成果について報告する．

Molecular biological studies on hibernation in chipmunks (Tamias asiaticus),a mammalian hibernator
Tsukamoto Daisuke1 and Takamatsu Nobuhiko2
Mammalian hibernation is thought to be regulated by readjusting the function and expression of genes common tomammals for hibernation, since no genes or proteins specific to hibernating animals have been found. We began ourhibernation research by analyzing the expression of the hibernation-related protein (HP) genes in chipmunks (Tamias
asiaticus), and found that HP gene expression is epigenetically regulated at the transcriptional level in association withhibernation. Furthermore, the expression of the clock gene Per2 is regulated in the chipmunk liver during interbout
arousal in the hibernation season, using the regulatory mechanism of HSF1 activity by circadian body temperaturefluctuations in mammals.
キーワード：シマリス，遺伝子発現，体温，肝臓，概年リズム
chipmunk, gene expression regulation, body temperature, liver, circannual rhythm

連絡先
塚本 大輔
北里大学理学部生物科学科分子生物学講座〒252-0373 神奈川県相模原市南区北里一丁目 15 番 1 号
S 号館 201
Tel. 042-778-9408
e-mail：tsukamot@kitasato-u.ac.jp⚑) 北里大学理学部生物科学科分子生物学講座
神奈川県相模原市南区北里一丁目 15 番 1 号 S 号館 201
Laboratory of Molecular Biology, Department of

Biosciences, School of Science, Kitasato University・S201,
1-15-1 Kitasato, Minami, Sagamihara, Kanagawa 252-0373,
Japan⚒) 北里大学理学部生物科学科分子生物学講座
神奈川県相模原市南区北里一丁目 15 番 1 号 S 号館 201
Laboratory of Molecular Biology, Department of
Biosciences, School of Science, Kitasato University・S201,
1-15-1 Kitasato, Minami, Sagamihara, Kanagawa 252-0373,
Japan塚本 大輔，高松 信彦

120

図 1：シマリスの非冬眠期と冬眠期の体温変動．非冬眠期は外気温約 23℃，明暗 12 時間サイクルで飼育した場合．冬眠期は外気温約 5℃，恒暗環境で飼育した場合．冬眠期には，約 6 日間の約 6℃の体温での深冬眠と，約 37℃にまで体温を上昇させる約 1 日の中途覚醒を繰り返す．深冬眠からの中途覚醒
では，体温は約 6℃から 3 時間程度で約 37℃にまで上昇する．図の体温は，直腸体温と深部体温をそれぞれプローブ（エー・アンド・デイ社）および 1ch 体温測定テレメトリーシステム（スターメディカル社）を用いて測定した値をもとに作図している．Tsukamoto et al.（2019）をもとに引用改変．

1. リス科の小型冬眠哺乳動物シマリスの冬眠適する餌が実る秋までは冬眠を開始しないようである（川道ほか，2000）．

1.1 シマリスについて
シマリスは齧歯目リス科シマリス属に属する成体体重

1.3 シマリスの冬眠と体温変動が約 100 g の小型のリスである．シマリス属の多くの種

シマリスの冬眠期間は 10 月ごろ～翌 3 月ごろである．

は北米に生息しており，アジアに生息しているのはチョ

冬眠開始のきっかけとなる環境要因および冬眠を終了さ

ウセンシマリス，Tamias asiaticus（別名シベリアシマリせる環境要因としては，生態研究から雪や気温などにつス，Tamias sibiricus）の 1 種のみである．我々が研究にいて検討されてきたが，今でも明らかになっていない

用いているシマリスもチョウセンシマリスである．リス（Kawamichi and Kawamichi, 1993; Kawamichi, 1996）．

科で冬眠するリスは，シマリス属の他に，ジリス属，マー

シマリスはリス科の中では小型で飼育しやすいことか

モット属，プレーリードック属に含まれている（川道ほら，その生態について，環境条件を整えた実験室での飼か，2000）．これら 3 属のリスはすべて地上で生活する

育により明らかになっていることも多い．我々も，非冬地上性であるが，シマリスは地上と樹上の両方で生活す

眠期（4 月～9 月）には，室温 23℃で，照明を午前 6 時にる半地上半樹上性である．

点灯し，午後 6 時に消灯する 12 時間-12 時間の明暗周期で飼育し，冬眠期（10 月～翌 3 月）には，室温 5℃での1.2 リス科の冬眠

恒暗条件下で飼育している．昼行性のシマリスの体温

リス科の冬眠は，季節性の冬眠である（Pengelley etは，非冬眠期には，1～2℃の範囲で概日性の変動を示し，

al., 1978; Kondo et al., 2006）．ジリス属とマーモット属

昼の活動時に約 38℃に上昇し，夜の休息時（睡眠時）には冬眠前に脂肪を蓄えて体重を増加させ，冬眠期間中は

約 36℃に低下する．一方，冬眠期には，4～5℃の外部環

食物をとらない．一方，シマリス属は冬眠前に脂肪の蓄

境温度の場合，約 6 日間の約 6℃の体温での深冬眠と，積をせず，冬眠巣に食物を貯蔵し，冬眠期間中の覚醒時

急速に体温を約 37℃にまで上昇させ，摂食したり排泄し（中 途 覚 醒 時）に 食 物 を 摂 取 す る（Broadbooks, 1958;

たりする約 1 日の中途覚醒を繰り返す（図 1）．シマリス

Kawamichi, 1996）．そのため，野生のシマリスは貯蔵にを 5℃の恒暗条件下で飼育しても，約 10 年間，ほぼ 1 年

シマリスの冬眠の分子機構

121

図 2：
（A）シマリス血中における冬眠関連タンパク質 HP 複合体の量の変動．
最大量を 1 とした相対値で示してある．
（B）非冬眠期，非冬眠期の冬眠直前＋期，および冬眠期のシマリス肝臓から調製した poly（A）-RNA を用いた HP25 mRNA のノーザンブロット解析．Kondo et al.（2006）をもとに引用改変．

周期で冬眠を繰り返すことが観察されている（Kondo et

で，C1q/TNF スーパーファミリーに属し，ヘテロ三量

al., 2006）．このことから，シマリスの冬眠は内在性の概体を形成している．血液中の HP 複合体の量は，冬眠期

年リズムによって制御されていると考えられるが，概年に先駆けて減少しはじめ，冬眠期の間は少なく保たれ，リズムの実体はまだ明らかになっていない．

冬眠期の終わり頃から増加するという，冬眠の発動とは逆相関の年周性の変動を示している（Kondo et al., 2006）

2. シ マ リ ス の 冬 眠 関 連 タ ン パ ク 質（Hibernation-related Protein，HP）
2.1 シマリスの冬眠関連タンパク質の発見（図 2A）．
2.2 リス科の HP の機能
2006 年，脳脊髄液中に HP-20，HP-25，HP-27 のヘテロ

1992 年に Kondo らのグループは，世界で初めて，冬三量体からなる複合体 HP20 c が存在し，その量は血中眠の発動と強い相関を示す物質として，シマリスの血液HP 複合体の量とは逆に冬眠期に増加することが明らか中において，非冬眠期に比べて冬眠期に著しく減少するになった．さらに，冬眠期のシマリス脳の脈絡叢に抗140 kDa の 冬 眠 関 連 タ ン パ ク 質（Hibernation-related

HP20 c 抗体を投与すると深冬眠が中断されることから，

Protein，HP）複 合 体 を 発 見 し た（Kondo and Kondo,

HP20 c は深冬眠の発現に関与することが示唆された

1992）．約 23℃で冬眠による体温低下を妨げた環境下で（Kondo et al., 2006）．冬眠するリス科のジュウサンセン

飼育しても，HP の血中量が年周性の変動を示したこと

ジリスやキバラマーモットの血中においても抗 HP 抗体

から，体温低下の影響を受けない冬眠の新しい分子マーに反応するタンパク質として HP が検出されたが，冬眠カーとして注目された．140 kDa の HP 複合体は，HP-しないリス科のタイワンリスでは検出されなかった

20，HP-25，HP-27 お よ び HP-55 で 構 成 さ れ て い る（Kondo and Kondo, 1993）．この結果から，HP は冬眠す

（Kondo and Kondo, 1992）．HP-20，HP-25，HP-27 はコる種に特異的なタンパク質であると期待されていたが，ラーゲンドメインと球状ドメインからなるタンパク質2013 年以降，ゲノム情報の蓄積などにより，非冬眠哺乳

122

塚本 大輔，高松 信彦

動物のウシやヒツジなどにも HP が血中に存在すること存在するが，翻訳領域が挿入変異によって破壊され，偽が明らかになってきた（Fujita et al., 2013; Seldin et al.,

遺伝子化しており，HP-25 遺伝子の転写活性化に必要な2014）．興味深いことに，ウシ HP の血中量も季節性のプロモーター領域の HNF4 結合配列も HNF4 が結合で変動を示しており，冬眠とは異なる季節性の生理現象のきない配列に変異していることが明らかになった調節に関与している可能性が考えられている（Seldin et（Kojima et al., 2001）．タイワンリス以外のリス科の非冬al., 2014）．冬眠するシマリスやジュウサンセンジリスな眠哺乳動物のキタリスなどにおいても同様の変異が見つ

どリス科の HP が，非冬眠哺乳動物の HP とは異なる冬

かったことから（鎌田，2020），リス科の冬眠哺乳動物と眠に関する機能を進化の過程で獲得しているのか，ある

非冬眠哺乳動物とで HP 遺伝子群の発現が進化の過程

いは哺乳類全般に共通する季節性の生理現象に関与してでどのように変化してきたのかを明らかにしていくこといるのかを明らかにしていくため，リス科の動物種ではは興味深いことである．一方，HP-27 遺伝子の転写はユ

まだ遺伝学的操作が困難であったことから，
現在我々は，

ビキタスな転写因子 USF によって活性化されることがベルギー VIB の Claude Libert 博士と東海大学の阿部幸明らかになった（Fujii et al., 2006）．ユビキタスな転写

一郎博士らと共同研究で，リス科の HP タンパク質を発因子 USF による HP-27 遺伝子の肝臓特異的な転写は，現するマウス個体を作出し，機能の解明を試みている．

プロモーター領域の USF 結合配列（5ʼ-CACGTG-3ʼ）内の CpG 配列のメチル化によって制御されていた．肝臓3. シマリスの冬眠に伴う HP 遺伝子の発現制御機構
3.1 シマリス HP 遺伝子の発現以外の HP-27 遺伝子非発現組織では CpG 配列がメチル化され，USF が結合できなくなっていた（Fujii et al.,2006）
．一方，シマリス肝臓において，HP 遺伝子群のプ
ロモーター領域の CpG 配列のメチル化状態は非冬眠期

我々は 1993 年 Kondo らと共に，血中 HP 量の変動がと冬眠期とでほとんど変化しておらず，HP 遺伝子群の遺伝子の発現レベルで制御されているかどうかを明らか

冬眠に伴う転写制御に CpG 配列のメチル化は関与してにするため，HP20 c 複合体を構成する HP-20，HP-25，

いないと考えられた（Fujii et al., 2006; Tsukamoto et al.,HP-27 cDNA をクローニングし，これらの遺伝子が肝

2018）
．

臓で特異的に発現していることを明らかにした（Takamatsu et al., 1993）．肝臓における HP mRNA 量

3.3 HP 遺伝子の冬眠に伴う発現制御機構の解明

は，血中 HP 複合体の量と同様，冬眠の発動と逆相関の

シマリス肝臓における HP 遺伝子群の mRNA 量が非年周性の変動を示した（図 2B）．つまり，血中 HP 量の冬眠期の活動時に比べ，冬眠期の深冬眠時に著しく減少

年周性の変動は，HP 遺伝子群の発現によって制御されしていることから，我々はまずその変動が転写レベルでており，肝臓の HP 遺伝子群の発現は冬眠の発動に関与制御されているのか，転写後の分解などにより制御されする年周リズム（概年リズム）によって制御されているているのかを明らかにするために HP 遺伝子群の一次と考えられた．

転写産物量について調べた．HP 遺伝子群の一次転写産
物量を RT-qPCR により非冬眠期の活動時と冬眠期の深3.2 HP 遺伝子の発現制御機構

冬眠時で比較解析した結果，深冬眠時に著しく減少してシマリス HP 遺伝子群の発現が冬眠に伴ってどのよいることが明らかになり，HP 遺伝子群は冬眠に伴ってうに制御されているかを明らかにするにあたり，我々は転写レベルで制御され，深冬眠時には転写が抑制されてまず，HP 遺伝子群が肝臓特異的に発現していることかい る こ と が 明 ら か に な っ た（Tsukamoto et al., 2017,

ら，HP 遺伝子群の肝臓特異的な発現制御機構について

2018）．そこで，HP 遺伝子群のプロモーター領域への解析した．その結果，肝臓に豊富に存在する転写因子

転写因子の結合量をクロマチン免疫沈降法（Chromatin

Hepatocyte Nuclear Factor 1（HNF1）が HP-20 遺伝子

Immunoprecipitation，ChIP）により解析した結果，非冬の，Hepatocyte Nuclear Factor 4（HNF4）が HP-25 遺眠期の活動時に比べ，深冬眠時には HNF1 の HP-20 遺伝子の主要な転写活性化因子であることが培養細胞およ伝子プロモーターへの結合量も，HNF4 の HP-25 遺伝

びシマリス肝臓を用いた解析から明らかになった（Ono

子プロモーターへの結合量も著しく減少していた

et. al., 2001; Kojima et al., 2000; Tsukamoto et al., 2017）．

（Tsukamoto et al., 2017, 2018）．さらに，HP-25 遺伝子

さらに，HP-25 mRNA を発現していないリス科の非冬の場合には，冬眠期に発現が増加する DNA 結合ドメイ

眠哺乳動物のタイワンリスにおいても，HP-25 遺伝子はン を も た な い 転 写 抑 制 型 の 核 内 受 容 体 Nuclearシマリスの冬眠の分子機構

123

図 3：シマリス HP-25 遺伝子の非冬眠期と冬眠期における発現制御機構．非冬眠期の活動時では，HP-25 遺伝子
は，プロモーター領域に転写因子 HNF-4 が結合し，コアクチベーター複合体がリクルートされ，転写活性化に関わるヒストン修飾が増加し，転写が活性化されている．一方，冬眠期の深冬眠時では，HNF-4 は転写抑制型の因子 SHP と相互作用することでプロモーター領域への結合量が低下し，コアクチベーター複合体も解離し，転写活性化に関わるヒストン修飾の量も減少することで，転写が抑制されている．H3K4，K9，K14：ヒストン H3 の 4
番目，9 番目，14 番目のリシン残基，KAT2B：Lysine acetyltransferase 2B，NCOA1：Nuclear receptor coactivator 1．Tsukamoto et al.（2017）をもとに引用改変．

Receptor subfamily 0 group B member 2［NR0B2（Small

ンスなどを用いた網羅的な遺伝子発現解析が行われ，冬Heterodimer Partner，SHP）］と HNF4 がヘテロ二量体

眠に伴って発現量が変動している遺伝子が明らかになっを形成することにより，HNF4 のプロモーター領域へのてきている（Hampton et al., 2013; Schwartz et al., 2013;

結合量が減少することが明らかになった（Tsukamoto et

Fu et al., 2021; Gillen et al., 2021）．その一方で，冬眠哺乳al., 2017）．プロモーター領域への転写因子の結合量の減動物に特異的な遺伝子やタンパク質が発見されていない少に伴い，深冬眠時にはヒストン修飾を制御するコアクことから，哺乳類の冬眠は，恒温動物に共通な遺伝子のチ ベ ー タ ー の CREB binding protein（CBP）や SET

発現や機能などを冬眠用に再調整することにより制御さ

Domain containing 1A, histone lysine methyltransferase

れていると考えられている（Yan et al., 2008; Morin and（SETD1A）の結合量も減少し，転写活性化に関わるヒStorey, 2009; Breukelen and Martin, 2015）．し た が っ

ストン H3 の 9 番目や 14 番目のリシン残基のアセチルて，冬眠の発現に関与している因子は，非冬眠期の約化，4 番目のリシン残基のトリメチル化なども減少して37℃の体温下だけでなく，冬眠期の極端な低体温下でもいた（Tsukamoto et al., 2017, 2018）（図 3）．以上の結果機能できるように進化している可能性が考えられる．

から，HP 遺伝子群の非冬眠期の活動時の転写活性化と冬眠期の深冬眠時の転写抑制の制御には，転写因子の結合量とヒストン修飾のエピジェネティックな制御が重要

4.2 シマリス肝臓における HSF1 による Hsp70 遺伝
子の発現制御機構であると考えられた．今後，この HP 遺伝子群の冬眠に

我々は，HP 遺伝子群以外にも，シマリスの冬眠に伴っ伴うエピジェネティックな転写制御機構をもたらす上流て発現量が変動している遺伝子を探索するため，非冬眠のシグナル経路を明らかにしていくことがシマリスの内期の活動時と冬眠期の深冬眠時の肝臓において，サブト在性の概年リズムの解明に繋がっていくと期待できる．

ラクション解析を行い，その結果をノーザンブロット解析および RT-qPCR 解析で確認し，Heat Shock 70 kDa

4. シマリスの非冬眠期と冬眠期の体温変動に伴う遺伝子発現制御機構
4.1 冬眠の制御と遺伝子発現

Protein（Hsp70）遺伝子が非冬眠期の活動時に転写が活性化され，冬眠期の深冬眠時に抑制されていることを明らかにした（Tsukamoto et al., 2019）．シマリス Hsp70
遺伝子の転写調節機構について解析した結果，ヒトやマ近年の分子生物学の解析技術の著しい進歩によって，

ウス同様，Hsp70 遺伝子の転写を活性化する主要な転写

種々の冬眠哺乳動物の様々な組織において次世代シーケ

調節因子は Heat Shock Factor 1（HSF1）であることが塚本 大輔，高松 信彦

124

明 ら か に な っ た．シ マ リ ス 肝 臓 に お け る HSF1 のける遺伝子発現の制御にも活用していると考えられた．

Hsp70 遺伝子プロモーター領域への結合を ChIP により
解 析 し た 結 果，Hsp70 遺 伝 子 プ ロ モ ー タ ー 領 域 へ のHSF1 の結合量は，非冬眠期の活動時に比べ，冬眠期の深冬眠時に著しく減少していることが明らかになった．
さらに，HSF1 タンパク質の量と局在をウエスタンブ

5. シマリスの冬眠期の肝臓における時計遺伝子の発現制御機構
5.1 冬眠期の末梢時計

ロットと免疫組織化学により解析した結果，非冬眠期の生体内の生理現象の日周リズムは概日時計によって制活動時では HSF1 は主に核に存在しているが，冬眠期の御されている（金の稿参照）．概日時計は全ての細胞が深冬眠時では核ではなく主に細胞質に局在していること

保持しているが，視床下部の視交叉上核（suprachias-が明らかになった（Tsukamoto et al., 2019）．夜行性のmatic nucleus，SCN）に存在する中枢時計から末梢組織

マウスの肝臓では，夜間の活動量の増加による体温上昇に同調するように働きかけることで個体としてのリズムに伴って HSF1 が活性化されて，細胞質から核へと移行が統合されている．SCN の中枢時計は，外界の光周期とし，Hsp70 遺伝子プロモーターに結合して，Hsp70 遺伝

同調している．リス科の冬眠哺乳動物は，自然界では光子の転写を活性化する（Reinke et al., 2008）．非冬眠期が届きにくい地中で冬眠しており，冬眠期の中途覚醒－のシマリスでも体温は 1～2℃の範囲で概日性の変動を深冬眠サイクルや年周性の冬眠サイクルの発現に概日リ示すが，シマリスは昼行性なので，昼の活動時に約 38℃

ズムがどのように関与しているかはわかっていない（川に上昇し，夜の休息時（睡眠時）に約 36℃に低下する．

道ほか，2000；Kondo et al., 2006）．概日リズムは時計遺

そこで，非冬眠期のシマリスの肝臓の HSF1 の局在を解伝子である Bmal1，Clock，Cry，Per 遺伝子の転写と翻析したところ，HSF1 は常に核に存在していたが，明期訳のフィードバックループにより形成される初期の活動量の増加による体温上昇に伴って核内の（Takahashi, 2017）．また，概日時計には温度補償性といHSF1 の量が増加し，Hsp70 遺伝子の転写が一過性に活う特徴があり，
外部温度がある程度の範囲で変化しても，性化されることが明らかになった（Tsukamoto et al.,

概 日 時 計 の 周 期 は ほ と ん ど 変 化 し な い

2019）（図 4A）．これらの結果から，非冬眠期のシマリ（Narasimamurthy and Virshup, 2017）．しかし，冬眠期

ス肝臓では，マウス同様，HSF1 は体温変動によって活の深冬眠時の体温は数℃にまで低下し，転写や翻訳もほ性が制御される日周性（概日性）の転写因子として機能

とんど停止していること（Storey and Storey, 2004）から，していると考えられた．

深冬眠時に概日時計が機能しているかどうかは興味深い問題である．深冬眠時の概日リズムは体温リズムの解析

4.3 シマリスの冬眠期の体温変動に伴う遺伝子発現制
御機構などによって行われているが，相反する複数の報告があり，まだ結論は出ていない（Grahn et al., 1994; Ruby et

小型冬眠哺乳動物の冬眠期の深冬眠時の低体温は，体al., 2002; Gur et al., 2009; Williams et al., 2012）．ただし，

温調節能が失われ環境温度に同調する外温性に変化した

SCN での時計遺伝子の発現の解析からは，深冬眠時には結果ではなく，体温調節能を保ったまま設定体温値を低中枢時計は停止していると考えられている（Revel et al.,

下させて維持されている（川道ほか，2000）．深冬眠から

2007; Ikeno et al., 2017）．一方，冬眠哺乳動物の末梢時計の中途覚醒では，体温は約 6℃から 3 時間程度で約 37℃についてはほとんど解析の報告がない．

にまで上昇する（図 1）．そこで，シマリスの冬眠期の深冬眠－中途覚醒サイクルにおける体温変動が，シマリス
肝臓における HSF1 の活性に及ぼす影響について解析し5.2 非冬眠期のシマリスの肝臓における時計遺伝子
Per2 の発現制御機構

た．深冬眠時には HSF1 は主に細胞質に存在し，Hsp70

マウスでは日周性の体温変動によって末梢組織の遺伝子の転写は抑制されている（図 4B）が，中途覚醒し

HSF1 の活性が制御されており（Reinke et al., 2008），活て体温が 30℃以上に上昇すると HSF1 は核内へと移行

動時の体温上昇によって活性化された HSF1 によってし，Hsp70 遺伝子の転写が一過性に活性化されることがPer2 遺伝子の転写が活性化され，末梢時計が日々リセッ

明らかになった（図 4B）（Tsukamoto et al., 2019）．これトされる（Buhr et al., 2010）．Per2 遺伝子は主要な概日

らの結果から，シマリスは，恒温動物に共通の非冬眠期時計遺伝子の 1 つであり，末梢組織由来の培養細胞がリの活動－休息サイクルの体温変動を利用した HSF1 の活ズムを同調させるときに初期にリセットされる遺伝子で性制御機構を，冬眠期の深冬眠－中途覚醒サイクルにおもある（Tamaru et al., 2011; Saini et al., 2012）．非冬眠期シマリスの冬眠の分子機構

図 4：（A）非冬眠期の各時間帯のシマリス 2 個体ずつのシマリスの肝臓核抽出液を用いた HSF1 のウエスタンブロッ
ト解析（上）．非冬眠期のシマリス Hsp70 遺伝子の HSF1 による発現制御機構（下）．非冬眠期では，HSF1 は常に核に存在するが，活動時の体温上昇に伴い活性化され，Hsp70 遺伝子の転写を活性化する．
（B）冬眠期の中途覚醒時と深冬眠時のシマリスの肝臓核抽出液を用いた HSF1 のウエスタンブロット解析．中途覚醒時で直腸体温 30℃以下の個体は深冬眠状態から中途覚醒し始めて 1 時間以内，中途覚醒時で直腸体温 30℃以上の個体は中途覚醒し始めてから 2 時間以上経過したときである（上）．冬眠期のシマリス Hsp70 遺伝子の HSF1 による発現制御機構（下）．冬
眠期では，深冬眠時に HSF1 は主に細胞質に存在しているが，中途覚醒時の体温上昇に伴い活性化され，核へと移行
し，Hsp70 遺伝子の転写を活性化する（下）．Tsukamoto et al.（2019）をもとに引用改変．

125

126

塚本 大輔，高松 信彦

図 5：非冬眠期と冬眠期のシマリスにおける体温変動による HSF1 の活性制御機構を利用した末梢時計のモデル．非冬眠期では，体温の概日リズムによって，活動時に活性化された HSF1 によって Per2 遺伝子の転写が活性化され，末梢時計が日々リセットされる．冬眠期では，深冬眠の間は末梢時計は停止しているが，中途覚醒の体温上昇に伴い転写・翻訳が再開し，活性化された HSF1 によって Per2 遺伝子の転写が活性化され，増加した Per2 によって一部の遺伝子群の発現が制御される．
再び深冬眠にはいるときの体温低下に伴い，転写・翻訳が抑制され，末梢時計は停止する．

のシマリスの肝臓においては，明期初期の活動量の増加

いても，マウス同様，体温の概日リズムによって末梢時に伴う体温上昇によって HSF1 が活性化され，標的遺伝計がリセットされていると考えられた（図 5）．

子 Hsp70 の転写が活性化されることから（Tsukamoto
et al., 2019）（図 4A），我々はシマリス肝臓での Per2 遺伝子の転写も HSF1 によって制御されているかどうかを

5.3 シマリスの冬眠期の体温変動と末梢時計遺伝子の発現制御検討した．その結果，Per2 遺伝子の場合も，明期初期に冬眠期のシマリス肝臓において，HSF1 は中途覚醒に

HSF1 結合配列（Heat Shock Element，HSE）への HSF1

伴い体温が 30℃以上に上昇すると核へと移行し活性化の結合量が増加し，転写が活性化される可能性が示唆さされる（Tsukamoto et al., 2019）（図 4B）．そこで，冬眠れた．これらの結果から，非冬眠期のシマリス肝臓にお期の深冬眠－中途覚醒サイクルにおける肝臓での Per2

シマリスの冬眠の分子機構

127

遺伝子の発現と体温との関係について解析した．その結するリス科の HP が冬眠に関わる何らかの機能を担って果，Per2 mRNA 量は，体温が約 6℃の深冬眠時では低いる可能性も大いに考えられる．小型冬眠哺乳動物の温レベルであるが，中途覚醒して体温が 30℃以上になると度 感 受 性 Transient Receptor Potential cation channel

一過性に増加し，完全に中途覚醒した体温 35℃以上の個

subfamily M member 8（TRPM8）チャネルでは，アミノ体では既に減少し始めることが明らかになった．さら酸変異による温度感受性の低下が低温耐性に関与していに，Per2 mRNA 量の変動と，Per2 遺伝子の HSE へのる可能性が報告されている（Matos-Cruz et al., 2017）（齋

HSF1 の結合も相関している可能性が示唆された．これ

藤の稿参照）．さらに，冬眠哺乳動物が生まれながらにらの結果から，冬眠期のシマリスの肝臓では，深冬眠へ

冬眠するために必要な能力を保持している可能性を示すの体温低下に伴い末梢時計は停止するが，中途覚醒の体結果も報告されている．ヒトとジュウサンセンジリスの温上昇により転写・翻訳が再開する中，HSF1 が一過性

iPS 細胞から分化させた神経細胞の低温耐性の比較や，に活性化されることで，Per2 遺伝子の転写が活性化さシリアンハムスターとマウスの初代培養肝細胞の低温耐れると考えられた（図 5）．

性の比較から，冬眠するジュウサンセンジリスやシリア
ンハムスターの細胞が低温耐性の能力を有していることが示されている（Ou et al., 2018; Anegawa et al., 2021）

6. 今後のシマリスを用いた分子レベルからの冬
眠研究（曽根の稿参照）．これらのことから今後は，冬眠に伴う

小型冬眠哺乳動物は，深冬眠時にはヒトなどの非冬眠

め，冬眠期の正確な体温変動の追跡だけでなく，冬眠期

哺乳動物では致死的な低体温にまで体温を低下させるの体温調節システムがどのように制御されるのかを明らが，全身の組織の健全性を保ったまま生命を維持していかにしていくことが重要であると考えられる．また，冬る．なぜ低体温でも組織は健全なのか，またなぜ急激な眠哺乳動物においても今後の技術改良等によりゲノム編

復温や虚血からの再灌流に相当する中途覚醒にも耐えら集などの技術適用が容易になっていくことで，進化の過れるのか，これらの答えに向かう冬眠研究は医療への応程で非冬眠哺乳動物と同じ遺伝子でも発現や機能を変化

用の可能性を大いに秘めている．哺乳類の冬眠は，哺乳させて複雑に絡み合った機構により制御されている哺乳類に共通の遺伝子の機能や発現などを冬眠用に再調整す

動物の冬眠の一端が解きほぐされていくことを期待してることにより制御されていると考えられている（Yan etいる．

組織の保護や可逆的な代謝抑制のメカニズム解明のたal., 2008; Morin and Storey, 2009; Breukelen and Martin,
2015）．そして我々は実際に，シマリスにおいて，概日性の体温変動を利用した HSF1 による遺伝子発現制御のシステムが，冬眠期の遺伝子発現制御に利用されていることを明らかにした．さらに，このシステムは冬眠期の中途覚醒時において，肝臓における時計遺伝子 Per2 の発現制御にも関与していると考えられた．この中途覚醒時の一過性の Per2 遺伝子の発現増加の生理学的意義は不明であるが，Per2 タンパク質により制御されている遺伝子群の発現を調節することで非冬眠期の覚醒ー睡眠サ
イクルをある程度回復させ，睡眠時の体温低下機構を利用して体温を下げて深冬眠にはいっている可能性も考えられる．このような冬眠のための生体システムの再調整
は個々の遺伝子（タンパク質）のレベルでも生じている可能性があり，冬眠に関わる遺伝子が非冬眠哺乳動物のオルソログとは異なる特徴を備えていることも考えられる．発見当初は冬眠哺乳動物に特有の遺伝子と期待された HP は非冬眠哺乳動物にも存在することが明らかになった（Fujita et al., 2013; Seldin et al., 2014）が，リス科
では冬眠する種に特異的に発現していることから，冬眠

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実験室における哺乳動物の冬眠・休眠誘導
堀井 有希1)，椎名 貴彦2)，志水 泰武2)2022 年 12 月 8 日受付，2023 年 1 月 23 日受理

一部の哺乳動物は，冬季に環境温度付近にまで体温を低下させる冬眠を行う．また，数時間の低体温を呈する日内休眠を行う動物種もある．冬眠や日内休眠のメカニズムを解明する手立てとして，実験室内でそれらを再現することは重要である．シリアンハムスターでは低温で暗期の長い環境において冬眠が誘発され，与える栄養素により冬眠誘発までの期間が変化する．また，マウスでは絶食，ス
ンクスでは寒冷環境が日内休眠を誘発する引き金となる．さらに，冬眠しない哺乳動物であるラット
は，薬理学的な方法によって冬眠様の低体温へ誘導することが可能である．本稿では，実験室における哺乳動物の冬眠・休眠の誘導についてまとめ，冬眠研究の展望を論じる．

Induction of hibernation and daily torpor of mammals in the laboratory
Yuuki HORII1, Takahiko SHIINA2 and Yasutake SHIMIZU2
Some mammals enter hibernation in winter and lower their body temperature to near ambient temperature. Miceand house musk shrews undergo daily torpor, in which they remain hypothermic for several hours. It is important toreproduce hibernation and daily torpor in the laboratory for elucidating their mechanisms. In the Syrian hamster,
hibernation is induced under the condition of low ambient temperatures and long dark periods, and the essential time
for hibernation induction varies depending on nutrient intake. Fasting and cold environment trigger the induction ofdaily torpor in mice and in shrews, respectively. Furthermore, rats, which are non-hibernators, can be induced tohibernation-like hypothermia with pharmacological methods. This article summarizes the induction of hibernation andtorpor in the laboratory and discusses the prospects for hibernation research.
キーワード：シリアンハムスター，スンクス（Suncus murinus），冬眠，日内休眠，人為的冬眠様低体温
Syrian hamster, house musk shrew (Suncus murinus), hibernation, daily torpor, artificial hibernation-likehypothermia

1. はじめに型齧歯類をはじめ哺乳動物の一部は，気温低下や食糧不足など冬季の厳しい環境を耐えるために，体温を大幅にほとんどの哺乳動物は，恒温動物と呼ぶにふさわしく，

下げ冬眠する．マウスなどは，特定の条件下で数時間の外気温がどのように変化しようとも 37℃程度の体温を単位で体温を低下させる日内休眠を行うが，哺乳動物の維持している．しかし，リスやハムスターなど一部の小日内休眠は多くの点で冬眠と類似性の高い行動である．

連絡先
志水 泰武
岐阜大学 応用生物科学部 獣医生理学研究室〒501-1193 岐阜県岐阜市柳戸 1-1
Tel. 058-293-2940
e-mail：shimizu.yasutake.b5@f.gifu-u.ac.jp⚑) 岐阜大学 糖鎖生命コア研究所 糖鎖分子科学研究センター 研究基盤部門

岐阜県岐阜市柳戸 1-1
Institute for Glyco-core Research (iGCORE), Gifu
University, 1-1 Yanagido, Gifu 501-1193, Japan⚒) 岐阜大学 応用生物科学部 獣医生理学研究室
岐阜県岐阜市柳戸 1-1
Laboratory of Veterinary Physiology, Faculty of Applied
Biological Sciences, Gifu University, 1-1 Yanagido, Gifu
501-1193, Japan

132

堀井 有希，椎名 貴彦，志水 泰武

変温動物の両生類や爬虫類が外気温の低下に伴い低体温

10℃以下となり，環境温度によっては 0℃付近に達するとなることとは対照的に，哺乳動物の行う冬眠や休眠はことがある（川道ほか，2000）．種によっては中途覚醒時制御された低体温である．例えば，冬眠中のハムスターに排泄や摂食を行う（Sonoyama et al., 2009）．

は，環境温度が上昇せずとも一定期間の低体温から中途

一方，クマ類の冬眠は小型齧歯類のものとは少し異覚醒し摂食や飲水，
排便や排尿を行う．このことからも，なった様式を取る．クマ類の冬眠時の体温は 30℃以上

哺乳動物の冬眠が受動的な低体温でないことがわかる．

であり，小型齧歯類の冬眠時と比較し，体温低下はわず

冬眠中の動物は，放射線照射や感染症に耐性があるとかである．中途覚醒は行わず，冬眠期間中は低体温状態

言われている（Musacchia and Barr, 1968; Ghosh et al.,が数ヶ月間に渡って維持される．また，冬眠期間中，飲2017; Sharapov, 1984）．また，有害化学物質を投与してまず食わずで過ごすことも特徴である（川道ほか，
2000）．

も組織傷害が起こらないこと，虚血再環流傷害が起こら「日内休眠」は，アカネズミやハツカネズミ（マウス）ないこと，さらには寿命が延長することや廃用性筋萎縮など特定の哺乳動物が，体温や代謝活動を低下させる現が起こらないこと（宮崎の稿参照），等々，医学領域で活象である．休眠期間が 1 日のうち数時間であり，体温の用可能な多くの特徴が認められる（Kemper and Ruben,

低下も冬眠ほど顕著ではない．冬眠と同様に，低温環境

1982; Kondo et al, 2006；川道ほか，2000）．このようなメ

や日照時間の短縮，食餌制限が日内休眠の引き金となるリットをヒトや伴侶動物で再現できれば，さまざまな疾（川道ほか，2000）．

病に対して新しい視点の治療法を提供できる可能性がある．それゆえに，冬眠の機序を解明し，冬眠しない動物

2.2 冬眠，睡眠，麻酔で共通する意識消失に人工冬眠を誘導するための研究は重要である（小野の休眠を含めた冬眠状態は，睡眠や麻酔と比較されるこ

稿参照）．このような研究を推進するためには，実験室とが多い．共通項は「意識の消失」である．意識という内で冬眠や休眠を誘発する必要がある．

のは定義の難しい言葉であるが，“覚醒していて外界の情報が認知できる状態”と考えてみる．認知とは，外界

2. 冬眠と休眠
2.1 自然界における冬眠と休眠の特徴の情報を受容し意味のあるものとして理解する過程で最も高度な営みであり，その前段階に感覚，知覚がある．
ここで，冬眠と睡眠，麻酔の異同を論議する上で重要な，哺乳動物は，代謝を調節することで，環境温度が上が感覚，知覚，認知という言葉について整理しておく．私

ろうが下がろうが，深部体温をある一定の範囲内に収めたちは通常の生活の中で，目から入った情報を画像としるように制御している．恒温動物と呼ばれる所以であて「見る」こと，耳から入った情報を音として「聞く」

る．ところが，哺乳動物の中には，代謝を低下させて体ことに違和感を感じることはないが，外界から与えられ温を著しく低下させる動物種が存在する．このような低る刺激は光であれ音であれ，全て感覚神経のインパルス

代 謝，低 体 温 に 陥 る 現 象 を 哺 乳 動 物 に お け る「休 眠に変換されている．モールス信号のような入力であるに（Torpor）」という．その中で，日周変動の一部として低も関わらず，目から入った情報が画像として認識される体温となる現象を「日内休眠（Daily torpor）」と呼び，比のは，目で光の情報をインパルスに変換し，その情報が較的長期間に渡って休眠状態を維持する現象を「冬眠視覚を処理する領域に送られ，画像として認識されてい（Hibernation）」と呼ぶ（Ruf and Geiser, 2015）．

るからである．このように外界の情報が受容され脳に送「冬眠」は，冬季の厳しい生育環境を乗り切るための適られることを「感覚」という．この感覚情報から，入力応といえる．冬眠する哺乳動物は，リス，ヤマネ，ハム

情報が何であるか認識することを「知覚」という．外界

スター，クマ，コウモリ，キツネザルなど多岐にわたるにある対象を知覚した後に，経験や知識，記憶などに基（川道ほか，
2000）．有名なのは，
リスやハムスターといっづいた思考，考察，推理によって，解釈する，知る，理た小型齧歯類とクマである．どちらの動物も冬眠する哺

解するにまで至ったことを「認知」と呼んでいる．例え乳動物として一般的に理解されているが，その冬眠様式

ば，
食べ物を紹介するテレビを見ているとき，目から入っには異なる点がある．リスやハムスターといった小型齧

た情報が画像になるのが「感覚」，その画像が食べ物とわ

歯類の冬眠は，冬眠期間中ずっと低体温状態にあるわけ

かることが「知覚」，美味しそうだ，自分も食べたいと感ではない．数日間の低体温の状態（深冬眠，持続的冬眠，じることが「認知」である．

休眠バウトとも呼ぶ）と半日～1 日程度の平常体温の状

冬眠，睡眠，麻酔は，意識の消失，つまり覚醒を保て態（中途覚醒）を交互に繰り返す．深冬眠の際の体温はない，認知ができないという点では同じであるが，感覚，実験室における冬眠・休眠誘導

133

知覚の有無において明確な違いがある．麻酔は，外科手

熊に授乳するという（川道ほか，2000；Shimozuru et al.,術ができるように無痛状態を確保しなければならないの2013）．冬眠前に充分に脂肪を蓄えるので，これが冬眠で，感覚や知覚が成立しないようにしておく必要がある．

中のエネルギー源になることは間違いないであろう．し一方，睡眠時には少なくとも感覚は機能している．覚醒

かしながら，哺乳動物には脂肪酸をグルコースに変換す

時よりも感度が低くなっているものの，ほとんどの感覚

る代謝経路が備わっていないことを考えると，子熊に与器から外界の情報が脳に入力され，それに基づく反応がえる糖質をどのように確保するのか等々，単純には説明起こっている．目覚まし時計の音，カーテンを開けられできないことが多い．一般的な哺乳動物では，飢餓時のたときの光，皮膚の痒みや痛み，嫌なニオイ，等々，五糖新生の基質は，骨格筋のアミノ酸が主体となるが，冬感のどこからでも睡眠を中断させる刺激を入れることが眠中にこの反応を多用すればアンモニアの処理が不可欠できる．麻酔による意識消失と睡眠時の意識消失の違い

であり，排尿しないことと矛盾する．また，骨格筋をす

を端的にまとめるなら，感覚が成立するかしないかとい

り減らすことは，春先になって冬眠からさめた後には大うことになる．冬眠中の動物は，体を触ったり，外気温

きな支障を来すと予想される．実際に冬眠中のクマの血を上げたりすれば，たちまち体温を上昇させて覚醒して漿グルコースレベルは低下しておらず（Græsli et al.,くる．そっと持ち上げる程度の刺激では覚醒することは2015），クマの冬眠時の筋肉のタンパク質減少量はわずないので，睡眠よりも感度は下がっていると思われるが，かである（Lohuis et al., 2007; Tinker et al., 1998）．エネ

明らかに感覚は機能している．したがって，意識は消失

ルギー維持のためにケトン体を活用することも予想できしているが感覚は機能しているという点からは，冬眠はるが，呼吸数が激減している冬眠中にはケトン体によっ睡眠に近い状況にあると言える．冬眠中の動物は，触れて酸性に傾いた血液に対して呼吸により補償をかけるこても体温を感じることができず，呼吸を目視で確認するとが困難であり，酸塩基平衡の問題を抱えるであろう．

ことも困難であるため，感覚を成立させる程度に脳が活

また，一般的な哺乳動物におけるケトン体の最大消費器動しているとは思えない状態であるが，間違いなく機能官である脳は活性が落ちている状態では，ケトン体の生している．

成に大きな意義を求めるのが困難である．このように，冬眠と睡眠には類似性は見出されるものの，睡眠の延クマは，エネルギーバランスの維持の仕組みや有害老廃

長線上に冬眠があるか否かは不明である．冬眠中の動物物の生成と除去の仕組みを考えると非常に興味深い動物

から脳波を記録することができないために，比較検討すであるが，実験室レベルで扱える動物ではない．

ることが困難であった．このことと関連して，興味深いそれに対して，ハムスターなど小型齧歯類は，入手が論文が発表されている．ジリスは冬眠期間を通して低体容易で，ラットやマウス等と同じ実験室内での飼育が可

温状態で過ごすのではなく，一定期間過ぎると中途覚醒能であるため，多くの研究室で使われている．リスは，を示す．この中途覚醒中には，徐波睡眠と同じような脳冬眠に関する多くの重要な発見を導いてきた動物種であ波 像 を 示 す と い う（Daan et al., 1991; Trachsel et al.,

るが，入手，飼育の面で難のある動物である．日内休眠

1991）．このことは，冬眠中は断眠状態にあり，体温を復のモデルとしてはマウスがよく活用されている．最近，帰させるという多大なコストをかけて中途覚醒するのは

私たちは食虫目のスンクスが日内休眠を示す有用なモデ

眠るためであるという解釈につながる．この解釈に従え

ル動物であることを見出し，注目している．

ば，冬眠と睡眠は全く異なる事象であるということになる．その後の検討で，中途覚醒中に発生する脳波像は，正常な睡眠とは異なるメカニズムであることも示唆されており（Larkin and Heller, 1999），結論を出すまでに更なる検討が必要であろう．

3. 実験室内における冬眠・休眠誘導
3.1 ハムスターの冬眠
シリアンハムスター（ゴールデンハムスター）は，夏季でも環境を制御することにより実験室内で冬眠を誘発

2.3 哺乳動物の冬眠と休眠のモデル動物

できることから，冬眠研究に使いやすい動物である．図冬眠する哺乳動物として認知度が高いクマでは，冬眠

1 に，冬 眠 中 の シ リ ア ン ハ ム ス タ ー を 示 し た．Curly

中の体温低下はそれほど顕著ではなく，せいぜい 30℃付

shape と呼ばれる丸まった姿勢をとるのが特徴である．

近までの低下にとどまる．特徴的なのは，冬眠期間中に冬眠中のハムスターに触れたときには，体温を感じるこ

いっさい摂食や飲水をしないし，排便や排尿もしないととができず死亡個体と区別できないことがしばしばある

いうことである．しかも雌のクマは冬眠中に出産し，子が，足蹠部の皮膚にチアノーゼ様の色変がないことが生堀井 有希，椎名 貴彦，志水 泰武

134

図 1：冬眠中に Curly shape を呈するシリアンハムスター

存していることの指標となる．

は全期間を眠り続けるのではなく，持続的冬眠期（深冬覚醒時のハムスターでは，心拍数が 350 回/分以上，呼眠）と中途覚醒期を冬眠期間中に何度も繰り返すことを吸数が 90 回/分程度であるのに対して，冬眠中には心拍特徴としている．深冬眠からの覚醒時の体温は，低下し数が 15 回/分，呼吸数が 2 回/分にまで低下する．このた状態から正常体温付近まで，30℃もの顕著な変化を起ような極端な心拍数や呼吸数の低下は，低体温に起因す

こす．また，心拍の回復にともない，全身の血流も著しる受動的な低下であるとともに，自律神経を介する調節く変化する．つまり，ハムスター等の冬眠の興味深い仕性の低下という要素も含まれると考えられる．いずれに組みを整理すると，①代謝を著しく低下させて低体温のせよ，心臓循環器系と呼吸器系は，低体温下での組織のまま長期間にわたり生命を維持する仕組みに加えて，②

酸素要求を満たすべく確実に機能している．また，脳も低体温の急激な回復に耐えうる生命維持の仕組みがある

機能しており，積極的に代謝活性や体温を調節していると考えられる．このような冬眠時の低体温からの覚醒にと考えられる．冬眠中のハムスターの体温は，外気温よともなう仕組みの解明は，虚血性疾患の再潅流障害などり数度高いレベルに維持されている．5℃の環境温度ににアプローチするための重要な手掛かりになると考えら設定し，実験室内で冬眠を誘発した場合，平均体温が 6℃

れている．

程度となる．一般的に，哺乳動物は 20℃以下に体温が低シリアンハムスターの冬眠を実験室内で誘発するため下すると，心臓や神経系が機能しなくなり凍死するには，秋から冬へ移行する時期の気温や日照時間を再現（Ivanov, 2000; Johansson et al., 1996）ことから，冬眠中するように環境を制御する必要がある．通常，冬眠を誘のハムスターには極度の低体温下でも生存を可能にする発するまでに 2～3ヶ月の期間を要することになるが，こ仕組みがあると言える．私たちは，この低温耐性機構に

れは冬眠研究を遂行する上でひとつの障壁となってい寄与する可能性のある低温ショックタンパク質においる．私たちは，冬眠誘発に対する気温や日照時間の影響て，冬眠時に特徴的な選択的スプライシングの変化が起に加えて，摂取する栄養素の重要性を考えて条件を検討

こることを明らかにした（Horii et al., 2019; Sano et al.,

した．ハムスターには，野生齧歯目が摂食すると考えら

2015）．低温ショックタンパク質は心臓，脳，肝臓，腎臓れる「木の実」を模倣して，ヒマワリの種子を与えた．

という多くの臓器に発現しており，RNA 結合タンパク

また，冬季の食物不足の状況を模して給餌の制限も行っ

質として多くのタンパク質の転写後調節に関与していた．ヒマワリの種子を充分に与えたのち給餌を制限した

る．冬眠時の特殊な制御機構によって，低温ショックタ

個体は，自由に摂食をさせた場合と比較して短期間で冬ンパク質が全身の細胞内で発現を効率化し，細胞機能を眠状態に入った（椎名ほか，2007）．しかし，市販のハム

調節することで冬眠する哺乳動物を生存へ導く可能性がスター用ペレットを与えたコントロール個体は，給餌をある．

制限しても短期間では冬眠状態に入ることができなかっ

さて，当然のことながら，低体温に陥るということはた．また，ヒマワリの種子を給餌したハムスターでは，同時に平常体温へと回復するフェーズが存在するというペレットの場合より有意に高体重であった．これらの結ことである．前述のように，ハムスターの冬眠というの

果は，低温および短日環境に加えて，食物の量と組成，

実験室における冬眠・休眠誘導

135

図 2：マウスにおける絶食誘導性日内休眠時の体温変化
マウスの皮下温度を経時的に測定した．グレーの背景は暗期，白の背景は明期を表す．

そして体重の増加が冬環境における冬眠行動の誘発に深環境下であっても，体温が波打って低下する日内休眠をく関連することを示唆するものである．ヒマワリの種子再現することができる．

の重要性は，飼料にヒマワリ油を添加するとシマリスの

ま た，絶 食 以 外 に も，恐 怖 に 関 連 す る 2-methyl-2-

深冬眠の持続時間が長くなったという報告からも支持さ

thiazoline（2MT）の香りによってマウスが低代謝を引きれる（Dark, 2005）．過去の報告で多価不飽和脂肪酸が起こし，10℃以上の体温低下を引き起こすことが報告さ

豊富な食物油が哺乳動物の冬眠の持続時間と深さを増強れている（Matsuo et al., 2021）．さらに，2MT の刺激にするというものがある（Harlow and Frank, 2001）．まよる低体温状態は，冬眠する哺乳動物動物のように，低た，冬眠する哺乳動物の肝臓では，ビタミン E のアナロ

酸素や虚血再灌流障害からの保護作用を示した．これらグである -トコフェロールが保持されており，寒冷によの報告のように，一般的な哺乳動物として実験に使用さる細胞死を防いでいると報告されている（Anegawa et

れているマウスにおいても，絶食や恐怖の刺激によって

al., 2021）（曽根の稿参照）．このことも，トコフェロール

日内休眠様の低体温を誘発できることが明らかとなり，を含有するひまわり種子が冬眠の誘発に重要な要素であ様々な研究展開が考えられる．

る可能性を支持している．

日内休眠中のマウスは，冬眠する哺乳動物と類似し，

シリアンハムスターを用いた冬眠の誘発は，段階的な休眠中には明らかに活動性が低下する．また，冬眠と同気温低下や日照時間の短縮を行うための特殊な飼育室を様，接触刺激等で容易に活動量を増加させ，体温を回復必要としない上に，比較的短期間で冬眠中の哺乳動物をさせる．日内休眠時の最低体温は冬眠時よりも高く，低得られるため，実験を遂行する上で有用であると考えら

体温の維持時間も冬眠と異なり数時間であることから，れる．

冬眠する哺乳動物とは異なるメカニズムの存在を考慮する必要がある一方で，マウスは比較的容易に遺伝子改変

3.2 マウスの休眠
マウスは実験動物として最も広く使用されている哺乳動物である．一般的な実験室の条件である 22±2℃，自を行うことができ，詳細な解析が可能である優れた実験動物である．マウスの日内休眠を利用し，休眠のメカニ
ズムのさらなる解明が行われることが期待される．

由摂食の条件下では，哺乳動物の特徴である恒温性を保つ．また，寒冷環境下で飼育しても，30℃を下回るよう

3.3 スンクスの休眠

な体温低下はない．一方で，マウスを絶食させると，一スンクス（Suncus murinus）は，成熟体重が約 30～70

時 的 に 体 温 が 30℃ を 下 回 る 日 内 休 眠 が 誘 発 さ れ る

g の小型の実験動物で真 無 盲 腸 目 トガリネズミ科ジネ（Webb et al., 1982）．図 2 に示すように，室温が 22℃のズミ亜科ジャコウネズミ属に属する，東南アジアを原産

しん む もう ちょう もく

136

堀井 有希，椎名 貴彦，志水 泰武

図 3：スンクス（Suncus murinus）における寒冷順化による日内休眠パターンの変化
スンクスの皮下温度を経時的に測定した．上段には寒冷順化前の体温，下段には寒冷順
化後の体温を示した．横軸は時間を表しており，白抜きが明期，黒が暗期を示している．
（Horii et al. (2022). Suncus murinus as a novel model animal that is suitable for elucidating
the mechanism of daily torpor. Biomed Res (Tokyo), 43(2), 53-57.より改変）とした夜行性の哺乳動物である（Kurachi et al., 2007）（大休眠をほとんど行わない 24℃の室温におくと，寒冷経験

舘の稿参照）．スンクスは齧歯目であるマウスやラット

前と比較し頻繁に日内休眠を行うようになる（図 3）．こが行わない，嘔吐をするなどの特徴から，消化管の研究のことは寒冷環境で休眠のためのプライミングが行わ等にも有用な動物である．スンクスは暖かい地方に生息れ，その後の 24℃環境においても日内休眠を引き起こしし，低温環境下では不動化することから，低温に不耐性やすいような変化が誘導されることを示唆する．寒冷順な動物であるとされてきた（織田ほか，2011）．一方で，化がスンクスにもたらす変化の実態等，今後解明すべき

前述のように，スンクスも休眠を行う動物である（Ishii

課題が多く残されている．

et al., 2002）．我々の研究では，スンクスが環境温度にさて，スンクスにおける日内休眠は，制限給餌を行な

よって日内休眠を調節する動物であることを見出してき

わずに寒冷刺激により誘発することができるが，マウス

た．24℃の部屋で飼育すると，わずかな日内変動はあるは制限給餌なしでは寒冷による日内休眠は行わない．シものの体温は著しく低下することはない．一方，室温をベリアンハムスターを用いた研究では，絶食誘導性の日20℃に設定すると，スンクスの体温は平均約 3 回/4 日と内休眠と寒冷に誘導される日内休眠は様相が異なるこという頻度で 30℃以下の低体温を呈する．さらに室温をが報告されている（Diedrich et al., 2015）．マウスにおけ16℃，12℃，8℃と低下させると，室温の低下にともない，る絶食誘導性の日内休眠の研究に加え，スンクスの寒冷

体温が 30℃以下の低体温の時間は延長し，スンクスは平誘導性の日内休眠の研究という異なる手法の休眠誘導に

均約 5 回/4 日という高頻度で日内休眠をおこなうよう

よって，哺乳動物の普遍的な休眠メカニズムの解明に寄になる．このことから，スンクスは寒冷の環境刺激に与できると期待している．スンクスは遺伝子組換え等のよって日内休眠を誘発することのできる実験動物である技術が発展しておらずマウスと比較し未開拓な点の多いといえる（Horii et al., 2022）．さらに，非常に興味深いこ

実験動物ではあるが，冬眠・休眠の機序を解明するためとに，このように寒冷を経験したスンクスを，本来日内のモデルとして，興味深い実験動物であると言える．

実験室における冬眠・休眠誘導

4. 冬眠しない哺乳動物における人為的冬眠様低
体温誘導

137

4.2 麻酔薬を用いた低体温誘導
低体温の医療応用を前提とした場合，脳室内投与は必
ずしも適切な方法とは言い難い．このような課題に対応

冬眠する哺乳動物の特殊な性質を医療に活かす試みとするために，私たちは麻酔により体温が低下することして，これまで冬眠する哺乳動物を用いた研究を紹介し（Shimizu and Saito, 1991）に着目して，安全な低体温誘てきた．ただその一方で，体温の低下は冬眠しない哺乳導法の確立に着手した．ラットに麻酔を施し冷却する動物にとって一般に有害な事象である．例えば，ヒトでと，体温は顕著に低下するものの，25℃を下回ると正常は体温が 20℃以下になると心室細動などの致死的な不な心拍動が維持されず，最終的には心停止してしまう

整脈が生じるため（Ivanov, 2000; Johansson et al., 1996），（Shimaoka et al., 2021）．一方，冬眠する哺乳動物である

極度の低体温状態に誘導することは容易ではない．冬眠

ハムスターでは，麻酔下で強制的に 25℃以下の低体温への特質を医療に応用するためには，冬眠しない動物を障誘導しても心停止に至ることはない（Miyazawa et al.,

害なく低体温状態に誘導するとともに正常体温に復帰さ2008）．このような事実を素直に受け入れれば，生得的せる方法の確立が必須である．そこで，冬眠しない哺乳な低温耐性能があるから冬眠する哺乳動物は低体温下で動物を冬眠様の極度の低体温状態に安全に誘導する方法

生存できる，それゆえに低温耐性能のない動物に冬眠様の確立についての研究を紹介したい．

の低体温を誘導することは不可能である，という結論に至るのが妥当であり，ラットを低体温に誘導するトライ

4.1 アデノシン A1 受容体シグナルを用いた低体温誘導アルをこれ以上継続する理由は見あたらない．しかし，
CHA の脳室内投与実験から，冬眠しない動物でも 20℃

ハムスターにおいては，中枢のアデノシン A1 受容体

以下の低体温で臓器傷害を起こすことなく維持し，問題を阻害することにより，冬眠導入期の体温低下がキャンなく平常体温に復帰させられることが示されたので，条セルされることが報告されている（Tamura et al., 2005）

件検討を粘り強く繰り返すことができた．試行錯誤の結（渡邊の稿参照）．また，アデノシン A1 受容体アゴニス

果，吸入麻酔薬を用いて，体温低下に伴い麻酔濃度を調トである N6-cyclohexyladenosine（CHA）をハムスター

節する方法を確立するに至った（Shimaoka et al., 2021）．

の側脳室内へ投与して低温環境に置くと，冬眠と同じよ体温がある時点に達した段階で麻酔量を徐々に落としてうな低体温に誘導することが可能である（Miyazawa et

いくと，最終的に 15℃の状態で 6 時間は生存できる．さal., 2008）．これらの事実は，冬眠時の体温低下に中枢のらにここから体温の回復も可能である．また，AST（アアデノシン A1 受容体の活性化が重要であることを示す

スパラギン酸アミノトランスフェラーゼ），ALT（アラものである．興味深いことに，CHA の脳室内投与にニンアミノトランスフェラーゼ），LDH（乳酸脱水素酵

よって誘発される低体温は，冬眠しないラットにおいて素），BUN（尿素窒素）といった主要臓器の障害の指標とも再現できた（Shimaoka et al., 2018）．さらに，通常はなる血液生化学値の測定結果から，この方法で低体温状

致死的な 20℃以下の体温であっても本方法で低体温へ態をある程度の時間持続しても臓器機能に大きな影響を誘導したラットでは洞調律（心臓の規則正しいリズム）

与えないと考えられた．現在，この方法で誘導した低体は維持されること，体温を回復させた後に臓器傷害を示

温に，冬眠する哺乳動物が示す医療応用可能な特性が発す所見が認められないことも確認できた．これらの成果現しているかを検証しているところである．将来的には，冬眠する哺乳動物が自発的に低体温となる仕組み，

は，極度の低体温域を活用した低体温療法，さらには夢および低温による悪影響を回避する仕組みが，冬眠に固の「人工冬眠」に応用できる可能性があると期待してい有の機序に依存するものではないことを示唆する点で極る．

めて重要である．多くの哺乳動物に普遍的に備わってい麻酔による低体温は，麻酔薬が体温調節中枢を抑制する仕組みを上手く使うことによって，特定の種の動物がることで誘導されるものと考えられる．実際，ラットの冬眠を成立させているのであれば，人為的にその仕組み

体温が 27.5℃で麻酔吸入を停止した場合には，体温調節を活性化させれば人工冬眠を誘発できることになる．完

中枢の機能が回復するためか，震えが誘発され体温が上全に冬眠と一致する低体温でなくとも，冬眠中の動物が昇する．興味深いことに，22.5℃の時点で麻酔を停止し示すメリットを引き出すための安全な低体温をヒトや伴た場合は，吸入を停止したにも関わらず震えを起こすこ侶動物で誘導できると期待される．

となく体温は低下し続け，15℃の体温で少なくとも 6 時間の維持が可能であった（Shimaoka et al., 2021）
．この

138

堀井 有希，椎名 貴彦，志水 泰武ことから，体温調節中枢は体温が低くなるにつれて強く活性化されるものの，ある温度を下回ると応答しなくなる性質を持っていると想定できる．熱産生の亢進反応と熱放散の抑制反応を活性化することのできる下限の温度が 27.5℃から 22.5℃の間にあり，それを下回ると冬眠

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7-6様の低体温へ移行するという考え方である．麻酔による

Daan, S., Barnes, B. M., & Strijkstra, A. M. (1991). Warming up

冬眠様低体温誘導では，この下限の温度を下回る体温に

for sleep? Ground squirrels sleep during arousals fromhibernation. Neurosci Lett, 128 (2), 265-268. doi: 10.1016/

誘導するところまで麻酔を存在させることが重要であると予想される．同時に，この下限温度を下回る領域の体温では，麻酔のない状態，すなわち脳の一部は機能する状態であることが，生存に必要であることも特筆すべき点である．つまり，低体温下では，呼吸や心拍等の機能に関しては能動的な生理機能が維持される必要があると考えるのが妥当である．冬眠する動物と冬眠しない動物
は，自らの制御でこのレンジに移行できる動物とそうでない動物という区分けが成立するかも知れない．もしこの想定が正しいのならば，体温調節中枢が機能する下限の温度を下回る温度域にまで体温を低下させる手法であれば，麻酔を使用する方法と同様に低体温誘導が可能であると考えられる．例えば，TRPV1 チャネルのアゴニ
ストの全身性の投与は熱放散の促進と震えの抑制により体温を低下させる（Szolcsányi, 2015）ので，このような機序を応用することによっても冬眠様低体温誘導が可能であると期待される．

5. まとめ0304-3940(91)90276-y
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哺乳動物の冬眠は，哺乳動物が獲得してきた恒常性をHorii, Y., Shimaoka, H., Horii, K., Shiina, T., & Shimizu, Y.
(2019). Mild hypothermia causes a shift in the alternative

柔軟に変化させ，体内・体外環境の変化に対応するといsplicing of cold-inducible RNA-binding protein transcripts

う興味深い生存戦略である．哺乳動物の常識を覆すような冬眠する哺乳動物の生理現象を明らかにし，メカニズ
ムを人工的に再現することは，医療分野，ライフサイエ
ンス研究分野等への多大なる貢献が期待される．
本稿では実験室内における冬眠・休眠の誘導法として，飼育環境等を整え，できる限り生理的な冬眠行動を再現する方法や，麻酔等の非生理的な方法で冬眠時の状態を再現する方法を紹介した．どのような方法を選択し実験を行なっていくかによって，様々なバリエーションの冬

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43.53
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眠研究が発展する．国内外のさまざまな冬眠研究が相互and locomotor activity in the house musk shrew (suncus
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作用し，冬眠や休眠に関わる研究成果が実社会へ貢献す

51.57

ることを期待している．

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低温科学 81 （2023） 141-147
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 141

人工冬眠の実現にむけた休眠研究の取り組み
小野 宏晃1)，砂川 玄志郎1)
2022 年 12 月 20 日受付，2023 年 1 月 20 日受理

動物は冬季や食料不足に直面すると，生命機能を必要最小限に絞り込むことで，能動的にエネルギー
必要量を減らす戦略をとることがある．これを「休眠（torpor）」と呼び，休眠する期間によって数ヶ月にわたる季節性の冬眠（hibernation）と，数時間程度の日内休眠（daily torpor）の 2 つに大別される．休眠の驚くべき特徴は，代謝と体温が低下するだけではなく，休眠から醒めた後に生体がなんら障害を受けずに正常に機能することにある．もし低代謝耐性と低体温耐性を人間に実装すること（人工冬眠）ができれば，呼吸・循環不全に代表されるようなエネルギー供給不足が問題となる疾患への新しい治療法になることが期待される．

Torpor research toward the synthetic hibernation
Hiroaki Ono1 and Genshiro A. Sunagawa2
Some mammals actively reduce energy demand by minimalizing their vital biological functions when facing
winter or starvation. This is called torpor, divided into either daily torpor (minutes to hours in length) or hibernation(days to weeks). The surprising features of hibernation are not only hypometabolism and low body temperature but
their biological function remaining intact after recovering from torpor. Implementing such hypometabolic and low
body temperature resistance in humans as synthetic hibernation is expected to become a new treatment for diseases
with insufficient energy supply, such as respiratory and circulatory failure.
キーワード：冬眠，日内休眠，能動的低代謝，人工冬眠
hibernation, daily torpor, active hypometabolism, synthetic hibernation

1. はじめにく大きいという理由から，生存のための多くの利点を享受してきた．しかし，このような恒常性の獲得には，内ヒトを含む多くの哺乳類では，高度に発達した脳神経的・外的環境の変化を検知して，それに応じたフィード

系により体温と代謝が調節されており，外的・内的環境

バック制御を常に行う必要があるため，エネルギーの必の変化に対する恒常性を獲得している．地球上の大多数

要量が増大した．ところが自然界では，季節や環境の変を占める変温性の生物と比べて，恒常的な体温・代謝調動によって栄養源の入手が困難になるため，エネルギー

節能を有する生物は，行動や繁殖における自由度が著しの供給量が必要量を下回ってしまう状況がある．この状

連絡先
砂川 玄志郎
国立研究開発法人理化学研究所 生命機能科学研究セン
ター（BDR） 冬眠生物学研究チーム〒650-0047 兵庫県神戸市中央区港島南町 2-2-3 D 棟
3F 居室 E303（RIKEN Center for Biosystems Dynamics
Research (BDR), D-Building/E303, 2-2-3 Minatojimaminami machi, Chuo-ku, Kobe, Hyogo, Japan）

Tel. 078-306-3302
e-mail：genshiro.sunagawa@riken.jp⚑) 兵庫県神戸市中央区港島南町 2-2-3 D 棟 3F 居室
E303
RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR),
D-Building/E303, 2-2-3 Minatojima-minami machi, Chuoku, Kobe, Hyogo, Japan142

小野 宏晃，砂川 玄志郎

況を回避するべく，哺乳類の一部の動物は生命機能を必「酸素をいくら使ったか（＝酸素消費量）」を測定すれば

要最小限に絞り込むことで，能動的にエネルギー必要量よい．また代謝のうち，生命の維持に最低限のエネルを減らす生存戦略を生み出した．これを「休眠（tor-

ギー必要量を基礎代謝と呼ぶ．休眠の本質は，基礎代謝

por）」と呼び，休眠する期間によって数ヶ月にわたる季を自ら低下させること，すなわち「能動的低代謝（ac-

節性の休眠状態である冬眠（hibernation）と，数時間程

tive hypometabolism）」にある．

度の日内休眠（daily torpor）の 2 つに大別される．

能動的低代謝についての理解を深めるために，低代謝

冬眠中の哺乳類は，代謝が正常の 5％程度までに低下と低体温の因果性について考察してみる．まずダイナミ

し，体温も 4℃前後にまで低下する（Mohr et al., 2020）．

クスの視点として，休眠に入るときの酸素消費量と体温

実際に，冬眠状態の個体を観察すると，死んでいる状態

を経時的に観察すると，代謝が体温よりも先に低下すると区別するのが難しいほどである．冬眠する哺乳類（以ことが知られている（Heldmaier et al., 2004）．これは，降，冬眠動物と記載）は冬季の数ヶ月前から栄養状態や全身麻酔による強制的な低体温や，循環不全や脳卒中で環境を整えることで，冬眠可能な状態にからだを整える

観察される病的な低体温症では，代謝と体温がほぼ同時必要がある．この意味で，冬眠は計画停電のような休眠に低下することと対照的である．つぎに，物理化学的な状態である．一方，日内休眠は食料不足や日長時間の短視点として，代謝も生化学反応であるから，その反応速

縮，低温度によって誘発される休眠状態で，冬眠のよう度は温度に影響される．ここで，温度が 10℃上昇するに数日にわたって持続することはなく，代謝は正常のと，化学反応の速度が何倍になるかを指数化したものが30％ほどになり，体温は 10℃以下に低下することはまれ

温度係数（Q10）である（Glasstone., 1969）．通常，このである（Geiser., 1998）．冬眠と違い事前準備が不要で，数値は 2～3 の値をとる．すなわち，10℃あがるごとに，その時，環境のエネルギー供給不足に応答できるという反応速度は 2 倍から 3 倍になるわけである．ところが，点で日頃行う節電のような休眠状態である．

休眠中の動物は Q10 が大きくなることが知られている

休眠の驚くべき特徴は，代謝と体温が低下するだけで（Geiser., 2004）．このことは，代謝の低下度合いは，温はなく，休眠から醒めた後に生体がなんら障害を受けず度の低下から予想される影響よりも大きいことを意味すに正常に機能することにある．例えば，ヒトの体温は通る．以上のことから，休眠中の動物は，体温が低下した

常であれば 35℃～37℃の範囲に保たれている．もし，ヒから代謝が低下したのではなく，代謝が低下したから体トの体温やエネルギー供給量を休眠時の水準まで抑制し温が低下しているのである．

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てしまうと，重篤な呼吸・循環不全による臓器障害を惹

我々の研究グループでは，日内休眠をする動物である

起してしまう．つまり，休眠中の動物では低代謝と低体マウス（ハツカネズミ）をモデル哺乳類とした休眠研究

温に対する耐性を発動していると考えられる．もし低代を行っている．実験動物として確立され，豊富なゲノム

謝耐性と低体温耐性を人間に実装すること（人工冬眠）

リソースを活用できるマウスの日内休眠を研究することができれば，呼吸・循環不全に代表されるようなエネル

によって，冬眠と共通する普遍的な能動的低代謝のメカ

ギー供給不足が問題となる疾患への新しい治療法になる

ニズムを解明できる可能性がある．2016 年にマウスのことが期待される．

日内休眠を再現良く誘導する方法を確立し，C57BL/6J

本稿では，休眠の生理学と休眠の中枢制御基盤に加えという系統のマウスは絶食を開始すると 16 時間前後でて，我々のチームが目指している人工冬眠の実現に向け

安 定 的 に 日 内 休 眠 に 入 る こ と を 見 出 し た（図 1）

た最新の取り組みを紹介する．また，最後に休眠研究の（Sunagawa et al., 2016）．この絶食性休眠（FIT；fasting-

課題を議論して，休眠研究の方向性を提示したい．

induced torpor）の安定した誘導法を用いてマウスの日
内休眠時の体温制御のパラメータを調べたところ，日内

2. 休眠の生理学

休眠中のマウスは低代謝にはなるものの，体温制御機構の設定温度（体温セットポイント）が 37℃から低下して休眠の生理学を理解するために，まずは“代謝”の実体いない点が冬眠動物とは異なることを明らかにした．一について具体的なイメージをもち，どのように測定され方で，休眠中の温度制御機構を調べたところ，外気温度

るのかを理解するところからはじめる．一言でいうと，と体温の差を埋めようとする度合い（熱産生感度）が冬

代謝とは「生物が外界から取り入れた有機物を，酸素を眠動物と同様に低下しているということが判明した．

使って燃焼し，熱エネルギーや化学エネルギーを生み出

2021 年には，遺伝子の転写開始点をゲノムワイドに同定すプロセス」である．従って，代謝を測定するためには，できるトランスクリプトーム手法である CAGE 法に

人工冬眠を実現するために

143

図 1：冬眠と日内休眠
日内休眠は絶食などの状況に応じて 1 日の中で数時間だけ休眠することである（上）日内
休眠中の酸素消費量と体温のプロット．体温，酸素消費量，外気温を含む数理モデルにデー
タをフィッティングすると直線の傾きは熱産生感度を反映し，x 軸との切片は体温のセッ
トポイントになる．（下）．

よって，骨格筋において「日内休眠の間にだけ発現が変

古くから休眠との関係が指摘されてきた．そこで，視床化」し，かつ「低代謝状態に特異的」な遺伝子群を同定

下部を中心として，体温調節や休眠誘導についての知見した．これら遺伝子群のプロモーター領域における転写を概説する．

因子モチーフを調べたところ ATF3 の結合配列が多く

視床下部視索前野（Preoptic area：POA）に局在し，含まれていることが分かった（Deviatiiarov et al., 2021）．

PACAP（Pituitary adenylate cyclase-activating poly-

そこで ATF3 ノックアウトマウスを作製し，日内休眠

peptide：Adcyap1 遺伝子の産物）および BDNF を共発の表現型を解析したところ，低代謝状態への移行が正常現する神経細胞群は，暑熱環境下で興奮し低体温誘導能

マウスに比べて穏やかであることを確認した．このようをもつ（Tan et al., 2016）．これらは，暑熱感知ニューロに実験的に誘導できるマウスの日内休眠は，能動的低代ン（Warm-sensitive neurons）とされており，実際にこれ

謝の研究に極めて強力な実験系であることが分かる．

らを光遺伝学により興奮性操作すると，褐色脂肪熱産生の抑制，熱放散の促進，33℃前後への体温の低下が生じ
ㅡ

3. 休眠の中枢制御基盤

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る．また重要なことに，同じく視索前野には脳組織自体の温度上昇を直接感知して発火活動が上昇する暑熱感知

休眠の目的は，環境に適応するために全身を低代謝・ニューロンが存在し（Nakayama et al, 1961），これによっ

低体温にすることである．したがって，動物の内的環境て深部体温を反映した体温調節を実現していると考えら（栄養状態や体温）と外的環境（温度や長日リズムなど）れているが，Adcyap1/Bdnf ニューロンに脳温度感受性の変化を知覚・統合したシグナルを，効果器である全身は見られなかった．したがって，視索前野の Adcyap1/の細胞へ伝達する仕組みを有するはずである．このようBdnf ニューロンは皮膚からの温覚の入力に反応して，な制御システムは中枢神経系である脳を中心に形成され体温を通常域に戻すためのネガティブフィードバック機ていると考えられる．特に，視床下部は温感冷感の感覚

構に関わるニューロン群であると考えられている．近シグナルや，末梢のエネルギー代謝情報を統合し，中枢年，神経活動依存的な神経細胞ラベル技術（FOS-TRAP

神経系の他領域や自律神経系を調節していることから，

法；Allen et al., 2017）と 単 核 RNAseq に よ り，

小野 宏晃，砂川 玄志郎

144

図 2：Q 神経誘導性低代謝（QIH）
マウスの視床下部前腹側脳室周囲核に存在する Qrfp 発現ニューロン（Q 神経）を特異的に興奮させると，数日間に渡る低代謝・低体温を誘導できる．神経細胞に人工受容体である化学遺伝学受容体を発現させると，CNO（クロザピン-N-オキシド）という薬剤が受容体に結合することで神経活動を興奮させる（スイッチオン）ことが可能である．Q 神経に化学遺伝学受容体を発現させて，CNO で興奮させると酸素消費量の低下が始まり，続けて体温が低下する．

Adcyap1＋の興奮性ニューロンがマウスの日内休眠に関ニューロンの活動を抑制すると，絶食による日内休眠の与するという報告がされた（Hrvatin et al., 2020）．実際

正常な発現も阻害されたことから，日内休眠の誘導にもに，Adcyap1 ニューロンを抑制すると，絶食による日内関与してると考えられる（Zhang et al., 2020）．

＋

休眠の正常な発現が阻害された．さらにファイバーフォ

近年，我々の研究チームではマウスの視床下部視索前トメトリーにより PACAP ニューロンは日内休眠中に野のうち，内側部・前腹側脳室周囲核（AvPe，antero-

強く活動することも示された．これは，生理的な温度制

vental periventricular nucleus）お よ び 内 側 視 索 前 野御に関わるニューロンが，日内休眠の誘導あるいは維持（MPA，medial preoptic area）に存在し，QRFP（pyro-にも働くことを示唆している．

glutamylated RFamide peptide）という神経ペプチドを

温度受容体である TRPM2 チャネル（齋藤の稿参照）

発現するニューロン群を特異的に興奮させると数日にわを発現する視索前野の神経細胞群が暑熱感受性を持つこたる持続的な低体温・低代謝が誘導されることを発見しとも報告されている（Song et al., 2016）．化学遺伝学をた（Takahashi et al., 2020）（図 2）．QRFP には食餌量や用いて TRPM2 陽性ニューロンを人為的に興奮させる

体温を上昇させる作用があるため，この発見は予想外でと，マ ウ ス の 体 温 が 数 時 間 に 10℃ 程 度 低 下 す る．

あった（Chartrel et al., 2003; Takayasu et al., 2006）．おTRPM2 は 37℃以上の温度で活性化する温度感受性の

そらく QRFP ではない未知の因子が低体温・低代謝にカルシウム透過性イオンチャネルであるため，中枢にお関わっていると思われる．これらのニューロン群を Qける温覚検知の分子機構として考えられる．しかし，ニューロン（Q neurons；Quiescence-inducing neurons：

TRPM2 欠損マウスの体温調節に異常がないことから，休眠誘導神経），Q ニューロンを人工的に興奮させるこ

未知の暑熱感受性ニューロンが存在する可能性が高い．

とにより生じる低代謝を QIH（Q neurons-induced hy-

また，視索前野には内因性の代謝・体温調節因子の受

pometabolism）と名付けた．QIH の際立った特徴とし容体や非視覚性光受容体を発現する神経細胞も多く位置て，体温セットポイントの低下がある．通常のマウスはしている．このなかにはレプチン受容体（LepRb）（Yu

37℃に体温を保とうとするが，QIH 中のセットポイント

et al., 2016），プロスタグランジン受容体 EP3R（Ptger3）は正常よりも約 9℃低下していた．
（図 3）．
「低代謝」お（Machado et al., 2020），エストロゲン受容体（EsR1）

よび「体温セットポイント低下」というこれら二つの特（Zhang et al., 2020），ニューロキニン受容体（NK3R）

徴の共存は，冬眠中の冬眠動物においてのみ報告されて（Mittelman-Smith et al., 2015），オ プ シ ン 5 受 容 体

いる．したがって，QIH は冬眠に似た低代謝・低体温状（Opn5）（Zhang et al., 2020）が含まれており，いずれの態であることが示唆された．また，QRFP は哺乳類に広遺伝子を発現する細胞であっても化学遺伝学や光遺伝学

く保存されており，Q ニューロンは哺乳類に広く保存さで特異的に興奮させることによって低体温が誘発されれた，緊急時に作動する低代謝誘導神経である可能性がる．このうち，エストロゲン受容体 EsR1 を発現するある．今後，Q ニューロンの制御システムが明らかにな人工冬眠を実現するために

145

図 3：温かい休眠による腎臓障害の進行抑制
体周囲の温度を制御することで正常体温群（35.0±1.3℃）と低体温群（21.5±1.3℃）に分け，虚血誘導後に急性腎障害の高感度バイオマーカーである NGAL 値とシスタチン C 値を評価した．正常体温群において QIH マウス
では対照マウスよりも有意に低い値を示し，QIH マウス同士では正常体温群と低体温群の間には有意な差は認められなかった．

ることにより休眠の誘導機構への解明が期待される．

障害される．このように，エネルギー必要量に対して供これまでに述べた神経細胞種は，視索前野のうち前腹給量が不足しているときに，休眠によってエネルギー必

側に多くみとめられ，多くはオーバーラップしていると要量を低下させることでエネルギーの不均衡を是正でき考えられる．したがって，本質的に体温制御と日内休眠ると考えられる．これによって，病気の進行が遅れるこに関わるシステムは視床下部視索前野に存在しており，とで，治療が有効な時間枠を延長させることが期待され複数の因子によって調節されていると考えられる．今後

る．病院までたどりつけない患者，あるいは治療に意味

は，調節因子の多様性を記述する方向だけでなく，よりがあるタイムリミットまでに治療を開始できない患者，

中心的かつ本質的な役割をする細胞種を同定する方向のこのような患者が救命できる可能性が広がる．

研究も期待される．

我々の研究グループは，循環停止を伴う大動脈手術のモデルを用いて，休眠の医療応用の可能性を検討した

4. 休眠の医療応用：人工冬眠（Kyo et al., 2022）．動脈手術など血液の循環停止を必要とする手術においては，術中臓器虚血による術後臓器の生体内外の環境変化にかかわらず生体の状態が一定に機能不全が問題となる．臨床現場では，超低体温（＜保たれるという性質を恒常性の維持と呼ぶ．生体が「健20℃）による低代謝の誘導が循環停止中の臓器保護に用康」な状態においては，細胞レベルでエネルギー必要量

いられているが，低体温による術後の凝固障害や血小板と供給量の均衡を保つことで，恒常性を維持している．

機能障害のリスクがある．そこで，循環停止を伴う大動

一方，身体的負荷がかかり恒常性を乱れた状態を「病気」

脈手術を模したマウスを用いて，超低体温に代わる低代という．例えば，肺炎であれば体内に取り込む酸素が低謝誘導として QIH の有用性を検討したところ，QIH を下するために十分に食物を酸化できないためエネルギー

施したマウスの腎障害は低体温と同程度まで抑制されるを取り出せなくなり，結果として末梢組織に十分なエネことが判明した．さらに，環境温度を 36℃に上げて，正ルギーを供給できなくなる．あるいは心筋梗塞であれば常体温（35.0±1.3℃）に近づけた QIH であっても腎臓血圧が低下するため，末梢組織に酸素を運搬できなく障害を抑制することができた．これは休眠による低代謝

なった状態であり，末梢組織におけるエネルギー供給がが，腎臓のエネルギー需要を下げたことで，血液の循環146小野 宏晃，砂川 玄志郎

停止に伴うエネルギー供給不足から保護された結果と考を要することや，日内休眠の状態としての不安定さのたえられる．

めに仮説検証型の実験を実施することが困難であった．

今後は急性疾患だけではなく，うつ病などの精神疾患

しかし，上述のように Q ニューロンの活性化による冬への有用性も検証されるべきである．例えば，労働者の眠様状態の誘導や，安定的な日内休眠誘導プロトコルのうつ病では一定期間の休養によって抑うつ症状が急速に確立によって，ようやく休眠研究が仮説検証型の研究を寛解に向かうため，“休養”が治療の第一選択である．休

推進できる分野になったといえる．

養はこころの休息という意味だけではなく，ミスマッチ
している環境との調整をする時間でもある．しかしなが

b．冬眠動物に適応可能な技術開発

ら，休養中であってもストレス源から心理的な距離を取

冬眠は日内休眠と相同性が高い現象ではあるが，持続れず，不安や焦燥感を抱えたままとなってしまい，十分

時間や低代謝・低体温の深さに関しては歴然とした相違

な精神的な休養が成立しない場合がある．また，実社会がある．したがって，休眠を理解し人工冬眠につなげる

においては休養によって収入が減少することを鑑みる

ためには冬眠を扱った仮説検証型の研究が必要不可欠でと，休養自体にコストが発生してしまうことになり，経ある．しかし，実験室環境下で飼育可能な冬眠動物であ済的な理由から休養を選択できないケースも散見されるゴールデンハムスターやジリスに適応可能な遺伝学・る．このような状況で，人工冬眠を選択することができ

分子生物学のツールが限られていることが，仮説検証型

れば，不安や焦燥を感じることなく休眠しながら環境調の実験を遂行するうえでの課題となっている．この課題

整を行い，また休眠中の生命維持にかかる経済的コストをクリアするために，冬眠動物を用いたゲノム編集技術も削減することができるかもしれない．このような“人の開発や，ウイルスベクターを用いた遺伝子導入法の整生からのログアウト”によって，複雑でストレスフルな備を進めていくことが重要である．

現代社会を乗り切る考え方が出てくる可能性がある．このように人工冬眠が切り開く新しい医療は，多くの可能性に満ちており，病態に依存しない幅広い適応が期待される．

c．細胞レベルの休眠実験系の樹立
休眠は個体レベルの表現型であるため，いかに研究ツールが整備されようとも仮説検証のスループットやス
ケーラビリティの低さは課題である．一方で，概日リズ

5. 休眠研究にある問いと方向性

ムにおける培養細胞でのアッセイ系（Balsalobre et al.,1998）や，老化における細胞老化の分子マーカー発見

休眠研究は 100 年以上前に学術誌に登場して以来，生（Krishnamurthy et al., 2004）の例から分かるように，個態学や生理学の領域においては多くの知見が集められて体レベルの表現型を細胞レベルの表現型に落とし込むこ

きた．しかし，休眠の誘導に伴って細胞状態がどのようとは分野の発展に大きく寄与することになる．つまり，に遷移するのか，低代謝耐性・低温耐性がどのように細休眠も細胞レベルに落とし込むことができれば，あらゆ

胞に実装されているのか，といった多くの問いが手つかる分子生物学的ツールが適応できるようになり，一挙にずのまま残されている．そこで，以下では休眠研究が抱

分子メカニズムの解明が進展すると思われる．幸いなこえる難しさを共有しながら，どのような方向性があり得とに，休眠中は全身の細胞が低代謝になっていると予想

るのかという点について概説する．

され，また代謝自体が細胞レベルで定義・観測可能な量であるため，“細胞休眠”は十分に実現できると思われる．

a．仮説検証型研究の推進

今後は，例えば休眠状態を反映する細胞の分子マーカー

これまでに冬眠動物をモデルとしたオミクス解析（トの同定や，それに基づく細胞状態の標識・摂動技術を開ランスクリプトーム，プロテオーム，メタボローム）が発することで，細胞レベルの休眠誘導や，低代謝耐性・行われ，休眠を含む低代謝状態と相関のある分子が発見

低温耐性の分子メカニズムの解明が進展すると期待できされているが，その分子が休眠の表現型にどのように関る．

与するのかは不明である（Andrew., 2019）．一般に，分子と表現型の因果性を示すためには，対象とする分子への遺伝子改変や薬理実験を行い，それによる表現型の変参考文献

化を観察する仮説検証型の実験をする必要がある．休眠

Allen, W. E., DeNardo, L. A., Chen, M. Z., Liu, C. D., Loh, K. M.,

研究の場合，動物が冬眠に入るまでに数ヶ月単位の時間

Fenno, L. E., Ramakrishnan, C., Deisseroth, K., & Luo, L.

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シリアンハムスターの冬眠を制御する中枢神経機構
渡邊 正知1），田村 豊2）2022 年 12 月 8 日受付，2023 年 1 月 7 日受理

シリアンハムスター（Mesocricetus auratus）は，寒冷・短日環境下で 1ヶ月以上飼育すると環境温度付近（6℃）まで体温を低下させ冬眠を始める（導入期）．その後，数日間の非活動期（維持期）を経て，再び自力で正常体温まで覚醒する（覚醒期）．冬眠期間中はこの数日間の低体温期と中途覚醒を何度も繰り返す．我々はこれまでに，冬眠導入期・維持期・覚醒期の体温は，それぞれ，A1 受容体を介したアデノシン系・ 1 受容体を介したオピオイド系・R1 受容体を介した TRH 系の別々の中枢神経機構により制御されていることを明らかにしてきた．本稿ではそれぞれの体温制御機構を解説する．

Central thermoregulatory mechanisms of hibernation in Syrian hamsters
Masatomo Watanabe1 and Yutaka Tamura2
Hibernation induced in Syrian hamsters by housing them in winter condition (L:D 8:16, Ta = 5℃) was confirmed
by marked reductions in the body temperature (Tb) and respiratory rate. A hibernation bout of Syrian hamsters could
be divided into entrance, maintenance and arousal phases according to changes in Tb. In the entrance phase, theadenosine system mediated by activating A1 receptors lowered Tb. During the maintenance phase, -endorphin which
synthesizes in the arcuate nucleus related with sustenance of depressed Tb by activating -opioid receptors. In thearousal phase, the central thyrotropin-releasing hormone (TRH) system mediated by R1 receptor induced elevation of
Tb. TRH-R1 activated non-shivering thermogenesis in brown adipose tissue via sympathetic nerve stimulation. In thispaper, we review their thermoregulatory mechanisms in hibernating hamster.
キーワード：冬眠，体温，アデノシン，オピオイド，甲状腺刺激ホルモン放出ホルモン（TRH）
hibernation, body temperature, adenosine, opioid, thyrotropin releasing hormone

条件的冬眠動物と位置付けられるシリアンハムスターる（覚醒期）（図 1-B）．冬眠期間中はこの数日間の低体（Mesocricetus auratus，以下ハムスターと略）は，寒冷・温期と中途覚醒を何度も繰り返す．本稿では，我々がこ短日（当研究室では，環境温度 5℃，明期 8 時間，暗期 16

れまでに明らかにしてきた，中枢神経系を介したハムス

時間）環境下で 1ヶ月以上飼育すると体温を低下させ冬ターの冬眠時の体温調節機構を紹介する．

眠を始める（図 1-A）
．冬眠導入時，ハムスターの体温は 21.4±0.3 時間かけて外気温＋1℃程度まで低下する（冬眠導入期）．その後 36～112 時間低体温を維持し（冬眠維持期），3.3±0.3 時間で正常体温まで一気に復温す
連絡先
渡邊 正知
福山大学薬学部薬理学研究室〒729-0292 広島県福山市学園町 1 番地三蔵
Tel. 084-936-2112(代）
e-mail：watanabe@fukuyama-u.ac.jp⚑）福山大学薬学部薬理学研究室

1．冬眠導入期の体温制御機構
アデノシンが A1 受容体を介しラットやマウスあるいLaboratory of Pharmacology, Faculty of Pharmacy andPharmaceutical Sciences, Fukuyama University, 1 Sanzo,
Gakuen-cho, Fukuyama, Hiroshima 729-0292, Japan⚒）福山大学薬学部薬理学研究室
Laboratory of Pharmacology, Faculty of Pharmacy andPharmaceutical Sciences, Fukuyama University, 1 Sanzo,
Gakuen-cho, Fukuyama, Hiroshima 729-0292, Japan

渡邊 正知，田村 豊

150

図 1：シリアンハムスターの冬眠時の体温変化（A）寒冷（Ta ＝ 5℃）・短日（8:16 h light-dark cycle）環境曝露後のハムスターの代表的な体温変化を示す．
（B）冬眠期におけるハムスターの体温変化を示す．

はウサギの体温を低下させること（Ticho and Radulovacki,

た（Shintani et al., 2005a）．異なる環境温度下にてアデ

1991; Anderson et al., 1994; Matuszek and Gagalo, 1996）

ノシン A1 受容体アゴニスト（N 6-cyclohexyladenosine：や，A1 受容体が体温調節中枢の視床下部を含む脳広域CHA，0.5 nmol）を非冬眠ハムスターの側脳室に投与すに分布していること（Fastbom et al., 1987），さらに，アると，環境温度に依存した体温低下が認められた（図デノシン A1 受容体が冬眠期のジリスにおいて増加して2-C）．また，CHA 誘導体温低下時には，体温が低下しいること（Lee et al., 1993）から，ハムスターの冬眠時のた際に通常みられる骨格筋のふるえ熱産生は観察されな体温制御においてもアデノシンの関与が示唆された．

かった．次に，視床下部の各部位に 0.3 nmol CHA を微そこで，ハムスターの体温に対するアデノシンの影響

量投与しアデノシンの作用部位を同定した（図 2-D）．

を明らかにするために，冬眠していない非冬眠ハムス

前視床下部（anterior hypothalamus：AH）が最も CHA

ターにアデノシンおよびその供与体となりうるアデニンの影響を受ける部位であることが明らかとなった

ヌクレオチド（AMP，ADP，ATP）を側脳室から投与（－7.32±0.92℃）．また，熱産生系の中枢となる背内側

し，寒冷 5℃環境下に置いた際の体温への影響を検討し部（dorsomedial hypothalamus：DMH）における体温低た（Tamura et al., 2005）．アデノシン（ADO，400 nmol）

下作用は，
前視床下部よりも有意に少なかった（－0.92±は，非冬眠ハムスターの体温を 5.2±0.4℃一過性に低下

0.32℃）．プレシナプスに存在する A1 受容体は，Gi/o をさせた（図 2-A）
．また，アデノシンによる体温低下は，

介 し 神 経 伝 達 を 抑 制 す る（Haas and Selbach, 2000;

A1 受 容 体 ア ン タ ゴ ニ ス ト（cyclopentyltheophylline：

Dunwiddie and Masino, 2001）．また，視索前野/前視床

CPT，3 nmol）により抑制され，A2 受容体アンタゴニス

下部（preoptic/anterior hypothalamus：PO/AH）には熱ト（3,7-dimetyl-1-propargylxanthine：DMPX，3 nmol）

産生抑制神経系の存在が報告されている（Nakamura,によって抑制されなかった（図 2-B）
．これらの結果か

2011; Szymusiak, 2018）ことなどから，アデノシンは，背ら，アデノシンによる体温低下は A1 受容体を介して誘内側部を介した熱産生系を直接阻害するよりも，熱産生導されることが明らかとなった．一方，各アデニンヌク

抑制神経系を脱抑制することで非冬眠ハムスターの体温

レオチド（400 nmol）もアデノシン同様に，非冬眠ハム低下を誘導することが示唆された．

スターの体温を低下させた（図 2-A）
．しかし，ATP に

次に，冬眠時の体温低下におけるアデノシンの関与をよる体温低下は，P2 受容体（ATP 受容体）非選択的アン

明らかにするために，冬眠ハムスターに P1 受容体アン

タゴニスト（Suramine，2 nmol）では抑制されず，CPT

タゴニストを投与しその影響を検討した（Tamura et al.,によって抑制された．これらの結果から，アデニンヌク

2005）．冬眠導入期（冬眠開始 17 時間後）に選択的 A1

レオチドはヌクレオチドで作用するのではなく，ecto-受容体アンタゴニストの CPT（3 nmol）を側脳室から投enzyme によって代謝され（Fields and Burnstock, 2006;

与すると体温が上昇し冬眠は中断されたが，A2 受容体

Freissmuth and Klotz, 2017），アデノシンとして P1 受容

アンタゴニスト DMPX（3 nmol）では体温変化は認めら体のサブタイプ A1 を介して体温低下を誘導することがれず冬眠が継続した（図 2-E）
．興味深いことに，CPT示唆された．

投与により覚醒が誘導された個体の割合は，冬眠開始 17

さらにアデノシンによる体温低下機構の詳細を解析し時間を超えると徐々に減少し，冬眠維持期にあたる冬眠冬眠時の体温制御機構

151

図 2：冬眠導入期の体温制御におけるアデノシンの作用（Tamura ら（2005），Shintani ら（2005a）より引用/一部改変）（A）非冬眠ハムスターの体温に対するアデノシンの影響．外気温（Ta）5℃の寒冷環境に 3 時間順化させたのち，人工脳脊髄液（artificial cerebrospinal fluid：aCSF ○），アデノシン（ADO ●）および各アデニンヌクレオチド（ADP ●，AMP ●，ATP ●）400 nmol を側脳室から投与し深部体温を測定した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（B）アデノシン/ATP 誘導低体温に対するアデノシン受容体アンタゴニストの影響．非冬眠ハムスターに ADO（400 nmol）もしくは ATP（400 nmol）を側脳室から 投 与 し 低 体 温 を 誘 導 し た．cyclopentyltheophylline（CPT，3 nmol），3,7-dimetyl-1-propargylxanthin（DMPX，3 nmol），
Suramine（2 nmol）はいずれも低体温誘導前に側脳室から投与した．各データは深部体温の変化（ΔTb）を平均±SEM で示した
（n＝6）．＊＊P＜0.01（C）A1 受容体アゴニスト誘導低体温に対する環境温度の影響．各環境温度（Ta＝5℃ ●，15℃ ●，25℃ ●）に順化させたのち，非冬眠ハムスターに N 6-cyclohexyladenosine（CHA，0.5 nmol）を側脳室から投与し深部体温を測定した．各
データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（D）A1 受容体アゴニストの脳内作用部位．非冬眠ハムスターの視床下部の各部位（medial septum：MS，preoptic area：PO，anterior hypothalamus：AH，lateral hypothalamus：LH，ventromedial hypothalamus：
VMH，dorsomedial hypothalamus：DMH，posterior hypothalamus：PH）に CHA（0.3 nmol）を微量投与し深部体温を測定した．
各データは体温変化（ΔTb）を平均±SEM で示した（n＝6）．＊P＜0.05，＊＊P＜0.01（E）冬眠導入期の低体温に対するアデノシン受容体アンタゴニストの影響．冬眠開始 17 時間後に，CPT（●，3 nmol）もしくは DMPX（●，3 nmol）を側脳室から投与し，深部体温に対する影響を検討した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（F）冬眠維持期の低体温に対するアデノシン受容体アンタゴニストの影響．冬眠開始 30 時間後に，CPT（●，3 nmol）もしくは DMPX（●，3 nmol）を側脳室から投与し，深部体温に対する影響を検討した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．

開始 30 時間後では CPT による覚醒は認められなかっもに，覚醒系を抑制することにより冬眠が開始することた（図 2-F）．これらの結果から，冬眠導入期の低体温は，を示唆する．

A1 受容体を介したアデノシン系によって誘導されることが明らかとなった．アデノシン系による体温制御は，ジリスの季節性冬眠（Jinka et al., 2011）でも報告されて2．冬眠維持期の体温制御機構

おり，低体温誘導の中心的な役割を担っていることが推前項（図 2-F）に示すように，ハムスターの冬眠維持測される．また，A1 受容体を介したアデノシン刺激は，期はアデノシンとは異なる別の体温制御系によって調節

覚醒を制御する外側視床下部（lateral hypothalamus：

されていることが示唆された．オピオイドが体温を低下LH）のオレキシン神経系を抑制することが報告されてさせること（Handler et al., 1994; Baker and Meert., 2002）

いる（Liu and Gao, 2007; Thakkar et al., 2008）．このこや，オピオイド受容体アゴニストを非冬眠期のジリスにとは，冬眠導入にはアデノシンが体温を低下させるとと慢性投与すると冬眠が誘導されること（Oeltgen et al.,

152

渡邊 正知，田村 豊

図 3：冬眠維持期の体温制御におけるオピオイドの作用（Tamura ら（2005，2012）より引用/一部改変）（A）非冬眠ハムスターの体温に対するオピオイドの影響．外気温（Ta）5℃の寒冷環境に 3 時間順化させたのち，aCSF（○）， endorphin（ -End ●，0.1 nmol），Met-enkephalin（Met-Enk ●，10 nmol）および Dynorphin A（Dyn ●，10 nmol）を側脳室からそれぞれ投与し深部体温を測定した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（B） 受容体アゴニストの脳内作用部位．非冬眠ハムスターの視床下部の各部位（medial septum：MS，preoptic area：PO，anterior hypothalamus：AH，lateral hypothalamus：LH，ventromedial hypothalamus：VMH，dorsomedial hypothalamus：DMH，posterior hypothalamus：PH）に［D-Ala2,
N-MePhe4, Gly-ol］-enkephalin（DAMGO，0.3 nmol）を微量投与し深部体温を測定した．各データは体温変化（ΔTb）を平均±
SEM で示した（n＝6）．＊P＜0.05，＊＊P＜0.01（C）冬眠時の低体温に対するオピオイド受容体アンタゴニストの影響．冬眠開始
17 時間後（●）もしくは 30 時間後（●）に，naloxone（10 nmol）を側脳室から投与し，深部体温に対する影響を検討した．各デー
タは平均±SEM で示した（n＝6）．
（D）冬眠維持期の低体温に対する選択的オピオイド受容体アンタゴニストの影響．冬眠開始
30 時間後に，Naloxonazine（●，10 nmol），Naltrindole（●，10 nmol）もしくは nor-Binaltorphimine（nor-BNI ●，10 nmol）を側脳室から投与し，深部体温に対する影響を検討した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（E）視床下部における冬眠開
始後の神経活動の変化．前冬眠期（before hibernation）および冬眠開始 1 時間後の視床下部各部位（medial preoptic area：MPO，medial preoptic nucleus：MPN，suprachiasmatic nucleus：SCN，anterior hypothalamus：AH，paraventricular nucleus：PVN，arcuate nucleus：ARC，ventromedial hypothalamus：VMH，dorsomedial hypothalamus：DMH，posterior hypothalamus：PH）
における抗 c-Fos 抗体陽性細胞数を定量した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．＊P＜0.05，＊＊P＜0.01（F）冬眠時の弓状核における -endorphin の変化．常温で飼育したハムスター（control），および冬眠開始 1 時間後，17 時間後，30 時間後それぞれのハムスターの脳組織切片を作成し，抗 -endorphin 抗体を用いて免疫組織染色を行った．

1988），さらに脳室内への非選択的オピオイド受容体ア

および Dynorphin A（10 nmol， 受容体アゴニスト）はンタゴニストの持続投与によりジリスの冬眠維持期間が体温低下を誘導しなかった（図 3-A）
．さらに，視床下

短縮すること（Beckman and Llados-Eckman, 1985）な部の各部位にどから，冬眠ハムスターの低体温維持におけるオピオイ

Gly-ol］-enkephalin：DAMGO）を微量投与したところ，

ドの関与が推測された．

前視床下部（AH）や背内側部（DMH）など視床下部のそこで，ハムスターの体温に対するオピオイドの影響

広域で受容体アゴニスト（［D-Ala2, N-MePhe4,受容体を介した体温低下が認められた（図を明らかにするために，非冬眠ハムスターにオピオイド

3-B）．この結果から，ハムスターでは視床下部広域に存

受容体アゴニストを側脳室から投与し体温への影響を検在する

討 し た（Tamura et al., 2005, 2012）． -endorphin（0.1

ることが明らかとなった．

受容体を活性化することで低体温が誘導されnmol， 受容体アゴニスト）は一過性の体温低下を誘導

次に，冬眠維持期の低体温におけるオピオイドの関与したが，Met-enkephalin（10 nmol， 受容体アゴニスト）を明らかにするために，冬眠ハムスターにオピオイド受冬眠時の体温制御機構

153

容体アンタゴニストを投与しその影響を検討したでも冬眠開始前と同レベルの -endorphin 陽性シグナル（Tamura et al., 2005）．冬眠導入期（冬眠開始 17 時間後）が観察された（図 3-F）
． -endorphin は，プロセッシンに非選択的オピオイド受容体アンタゴニストの nalox-

グ 酵 素 の prohormone convertase 2（PC2, Zhou et al.,one（10 nmol）を側脳室から投与したところ，ハムスター

1993）や PC2 の活性を制御する secretogranin V（7B2,の体温変化は認められなかった．一方，冬眠維持期（冬Braks and Martens, 1994）などの作用によってプロピオ

眠開始 30 時間後）のハムスターに naloxone を投与する

メラノコルチンから合成される．PC2 および 7B2 の発と体温が上昇し覚醒が誘導された（図 3-C）
．興味深い

現は，冬眠開始 17 時間，30 時間後いずれにおいても前ことに，冬眠開始 27 時間後までは naloxone による体温

冬眠期に比べ有意に増加しており，冬眠開始後に -上昇は認められないが，28 時間を越えると覚醒が誘導さ

endorphin が合成されていることが示唆された．一方，れる個体が出現すようになり，30 時間後ではすべての冬

視索前野や前視床下部における内因性オピオイドの en-

眠個体において覚醒が誘導された．冬眠ハムスターの体

domorphin の発現変化を免疫組織染色にて解析したと温に対する CPT の作用と naloxone の作用は非常によ

ころ，c-Fos 同様，冬眠開始直後に顕著に減少していた．

く相反していることから，冬眠導入期はアデノシン系に

これらの結果から，冬眠開始後に弓状核で合成された -よって低体温が誘導され，冬眠開始 30 時間前後で体温

endorphin が，熱産生系の抑制および/もしくは熱産生抑制御機構がアデノシン系からオピオイド系に切替わり，制系の脱抑制を介し，冬眠維持期の低体温を制御していオピオイド系によって低体温が維持されていることが示

ることが示唆された．

唆された．またこれらの結果は，体温 6℃という低温下受 容 体 ア ゴ ニ ス ト は，低 温 誘 導 神 経 細 胞 死 や 6-で一定の神経活動が持続的に機能していることを示唆すhydroxydopamine 誘導神経細胞死に対して保護作用をる．さらに，選択的オピオイド受容体アンタゴニストを

有 す る（Tamura et al., 2006; Eftekhar-Vaghefi et al.,

用い，そのサブタイプを同定した．選択的

受容体ア

2015）
．また， 受容体アゴニストには，様々な臓器におンタゴニストの naloxonazine（10 nmol）は体温上昇を誘ける虚血再灌流障害に対する保護作用が多く報告されて導し冬眠を中断させたが，選択的 受容体アンタゴニス

い る（Yamanouchi et al., 2003; Borlongan et al., 2009;

トの naltrindole や選択的Wang et al., 2015; Wang et al., 2016; Seewald et al.,1受容体アンタゴニストの

nor-Binaltorphimine（nor-NBI）は冬眠中の体温に影響し2016）． -endorphin にはなかった（図 3-D）
．以上より，冬眠維持期の低体温は，との親和性も報告されている（Raynor et al., 1994）．こ受容体を介したオピオイド系によって維持されていれらを考慮すると，冬眠開始後に合成される内因性 -1

ることが明らかとなった．
さらに冬眠維持期におけるオピオイド系による低体温

受容体だけでなく受容体

endorphin は， 受容体を介して低体温を制御するだけ
でなく， 受容体や受容体を介して低体温による神経制御機構の詳細を解析した（Tamura et al., 2012）．転写障害や覚醒時の再灌流障害に対して保護的な役割を担っ

因子 c-Fos は，神経活動により速やかに誘導される最初ていることが示唆される．

期遺伝子（immediate-early genes）の一つとして，神経活動の指標として汎用されている．そこで，冬眠開始に伴う視床下部における神経活動の変化を，抗 c-Fos 抗体

3．覚醒期の体温制御機構を用い免疫組織学的に解析した．冬眠開始 1 時間後に甲状腺刺激ホルモン放出ホルモン（thyrotropin re-は，前視床下部（AH）
・腹内側部（ventromedial hypo-leasing hormone：TRH）は，甲状腺ホルモン（T3，T4）

thalamus：VMH）
・背内側部（DMH）での神経活動は有の作用を介して熱産生を亢進させるだけでなく，それ自意に減弱していたが，弓状核（arcuate nucleus：ARC）

身が中枢性の内因性生理活性物質として熱産生を制御す

でのみ神経活動の有意な亢進が認められた（図 3-E）．

ることが示唆されていた（Hori et al., 1988）．また，ジリ

弓状核には -endorphin 陽性細胞が局在する（Lantos et

スの視床下部における TRH 受容体数が，非冬眠期と冬al., 1995）．そこで，冬眠開始後の弓状核における内因性

眠期さらには低体温時で異なることが報告されておりオピオイド -endorphin の発現変化を免疫組織学的に解（Stanton et al., 1992），冬 眠 時 の 体 温 制 御 に お い て も析したところ，冬眠開始 1 時後には細胞体における -TRH の関与が推測された．

endorphin 陽性シグナルの増強が認められた．さらに冬

そこで，冬眠ハムスターの体温制御における TRH の眠開始 17 時間後には軸索から神経終末へ -endorphin

関与を明らかにするために，TRH および抗 TRH 抗体を陽性シグナルが移行すること，また，冬眠開始 30 時間後

用いその影響を検討した（Tamura et al., 2005）
．TRH

154

渡邊 正知，田村 豊

図 4：覚醒時の体温制御における TRH の作用（Tamura ら（2005），Shintani ら（2005b）より引用/一部改変）（A）冬眠時の体温に対する TRH の影響．冬眠開始 17 時間後（●）もしくは 30 時間後（●）に，TRH（55.2 pmol）を側脳室から投与し，深部体温に対する影響を検討した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（B）触刺激誘導覚醒に対する抗 TRH 抗体の影響．冬眠開始 30 時間後に，PBS（vehicle ●）もしくは抗 TRH 抗体（●）を側脳室から投与し，投与 5 時間後に触刺激にて覚醒を誘導した．各深部体温データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（C）触刺激誘導覚醒時における体温と呼吸商（respiratory
quotient：R/Q）の関係．冬眠ハムスターに触刺激を加えた後，体温（●）および酸素消費量，二酸化炭素排出量を連続測定した．
R/Q（●）は，二酸化炭素排出量/酸素消費量から算出した．
（D）非冬眠ハムスターの体温に対する TRH の影響．イソフルラン麻酔下にて TRH（552 pmol）を側脳室から投与し，肩甲骨間褐色脂肪組織温（IBAT temp. ●）および直腸温（rectal temp. ●）を測定した．各データは平均±SEM で示した（n＝6）．
（E）TRH 誘導体温上昇に対する抗 TRH 受容体抗体の影響．イソフルラン
麻酔下にて TRH（552 pmol）を側脳室から投与し，体温上昇を誘導した．抗 TRH 受容体タイプ 1 抗体（R1-Ab）および抗 TRH 受
容体タイプ 2 抗体（R2-Ab）は TRH 投与前に側脳室より投与した．IBAT 温および直腸温の変化（ΔTIBAT，ΔTrec）は平均±SEMで示した（n＝6）．＊P＜0.05（F）TRH 誘導体温上昇に対する交感神経切除の影響．IBAT に投射する交感神経を切除したのち，TRH（552 pmol）を側脳室から投与した．IBAT 温および直腸温の変化（ΔTIBAT，ΔTrec）は平均±SEM で示した（n＝6）．＊P＜
0.05，＊＊P＜0.01（55.2 pmol）を冬眠開始 17 時間後および 30 時間後にそTRH を麻酔下にて側脳室から投与したところ，BAT 温，

れぞれ側脳室から投与したところ，いずれも体温が上昇

直腸温ともに一過性の温度上昇が認められた（図 4-D）．

し覚醒が誘導された（図 4-A）
．また，触刺激による覚

次に，体温上昇を惹起する TRH 受容体サブタイプを同

醒誘導は，抗 TRH 抗体の前投与によって阻害された（図定した．抗 TRH-R1 抗体は，TRH による BAT 温およ

4-B）．さらに触刺激誘導覚醒時における体温上昇と呼び直腸温の上昇を有意に抑制したが，抗 TRH-R2 抗体は吸商の関係を解析したところ，復温初期の体温が 10℃に影響しなかった（図 4-E）
．また，視床下部の各部位に達するまでは脂質代謝が中心に行われることが明らかと

TRH を微量投与したところ，視索前野，前視床下部，腹なった（図 4-C）
．覚醒初期はふるえも認められないこ

内側部，背内側部で BAT 温および直腸温の有意な上昇とから，覚醒期の体温上昇は TRH 刺激による褐色脂肪が認められた．さらに，BAT に投射する交感神経を切組織（brown adipose tissue：BAT）の非ふるえ熱産生を除しその影響を検討したところ，TRH による BAT 温お介して誘導されていることが示唆された．

よび直腸温の上昇はいずれも有意に抑制された（図そこで TRH による熱産生制御機構の詳細を非冬眠ハムスターを用いて検討した（Shintani et al., 2005b）．

4-F）．その後，冬眠維持期のハムスターにアドレナリン
3受容体アンタゴニストを大腿静脈より投与すると，

冬眠時の体温制御機構

155

BAT による非ふるえ熱産生が抑制され触刺激誘導体温（López et al., 2022）．我々の結果と兼ね合わせると，冬上 昇 が 抑 制 さ れ る こ と が 報 告 さ れ た（Kitao and眠の覚醒期の体温制御には，TRH-オレキシン系がそのHashimoto, 2012）．一方，側脳室内に投与した TRH が中心的な役割を担っていることが示唆される．

内分泌系を賦活化させるかを確認したところ，血清中のボンベシン様ペプチドとして知られているガストリン

甲状腺ホルモン（T3，T4）の有意な変化は認められなかっ放出ペプチド（gastrin-releasing peptide：GRP）やニューた．これらを考慮すると，TRH は視床下部の R1 受容体

ロメジン B（neuromedin B：NMB）は，脳室内投与によ刺激を介して交感神経を賦活化し， 3 受容体を介してり非冬眠動物のラットの低体温を誘導することが報告さ

BAT における非ふるえ熱産生を亢進することで，覚醒れている（Tsushima et al., 2003）．また，GRP 受容体欠初期の体温上昇を惹起していることが示唆された．少な

損マウスや NMB 受容体欠損マウスでは，ボンベシン様

くともジリスの冬眠期における中途覚醒初期の体温上昇

ペプチド誘導低体温が抑制されることも報告されている

は，BAT の非ふるえ熱産生によって惹起されることが（Wada et al., 1997; Ohki-Hamazaki et al., 1999）．そこで，報告されている（Ballinger and Andrews, 2018）．

冬眠ハムスターの体温制御におけるボンベシン様ペプチ
ドの関与を明らかにするために，GRP を非冬眠ハムス

4．冬眠ハムスターの体温を制御するその他の機構

ターの側脳室に投与し体温への影響を検討した（データ未掲載）．GRP（10-1000 pmol，icv）はハムスターの体温に影響しなかった．ところが，GRP は CHA（A1 受容体

オレキシンは覚醒や摂食行動の制御（Sakurai et al.,

アゴニスト）誘導低体温を抑制し，その抑制効果はボン

1998; Sakurai 2007）だけでなく，BAT の非ふるえ熱産生

ベシン受容体アンタゴニスト（PD176252，100 pmol）のの制御にも関与している（Sellayah et al., 2011; Tupone

前投与にて有意に減弱した．一方，GRP は DAMGO（

et al., 2011; Madden et al., 2012）．また TRH がオレキシ受容体アゴニスト）誘導低体温には影響しなかった．こン神経系の活動を制御する（Gonzále et al., 2009; Hara et

れらの結果から，GRP はアデノシン系を介した冬眠導入

al., 2009）ことから，冬眠ハムスターの覚醒期の TRH-R1期の体温低下を抑制的に制御していることが示唆され受容体を介した体温上昇におけるオレキシンの関与が示た．また，冬眠ハムスターの視床下部における Grp 発

唆された．そこで，TRH 誘導体温上昇における内因性

現量は，前冬眠期に比べると有意に低下していた．冬眠

オレキシンの関与を明らかにするために，オレキシン受期のジリスの視床下部内ではボンベシン様ペプチドが減容体アンタゴニストを用いその影響を検討した（データ

少する（Muchlinski et al., 1983）ことも報告されており，未掲載）．オレキシン受容体には，OX1 および OX2 の 2

低体温期におけるボンベシン様ペプチドの減少が冬眠開つのサブタイプが存在する．そこで，OX1 受容体アンタ

始の引き金になっていることが示唆された．GRP は光ゴニスト（SB-334867，100 pmol）および OX2 受容体ア刺激に依存して分泌され体内時計を制御することが知ら

ンタゴニスト（TCS OX2 29，100 pmol）を非冬眠ハムス

れているが，ラットやマウスとハムスターではその分泌

ターに前投与し，TRH（552 pmol）を側脳室から投与し反応性が異なることが報告されており（Shinohara et al.,たところ，TRH による一過性の体温上昇はいずれも認1993; Karatsoreos et al., 2006; Francl et al., 2010），GRP

められなかった．これらの結果から，非冬眠ハムスターの機能的な種差が推測される．

の TRH 誘導体温上昇には内因性のオレキシンがその下流で関与していることが示唆された．次に，冬眠ハムス

本稿で紹介したように，これまでにハムスターの冬眠

ターの覚醒時の体温上昇における内因性オレキシンの関導入期，維持期，そして覚醒期の体温制御の一端が明ら与を明らかにするために，OX1 受容体および OX2 受容かとなった．しかし，他の体温制御物質（Popova et al.,体の両者のリガンドとなるオレキシン A の抗血清を用

1993; Sallmen et al., 2003a, 2003b; Voronova, 2021）の関いその影響を検討した．冬眠維持期に抗オレキシン抗体

与，あるいは，それぞれの体温制御の調節機構や冬眠発を側脳室から投与し，投与 5 時間後に TRH にて覚醒を動機構など，未だ不明な点も多くそれらの解明には今後誘導したところ，体温は上昇せず覚醒も認められなかっのさらなる検討が必要である．

た（データ未掲載）．非冬眠動物における低体温誘導時のオレキシン神経系を介した体温制御（Tupone et al.,2011; Futatsuki et al., 2018）に加え，最近，ハムスターの参考文献

冬眠時のオレキシン神経系の機能変化が報告されているAnderson,R.,

Sheehan,M. J.,

Strong,P.

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渡邊 正知，田村 豊

156

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冬眠哺乳類の細胞はいかにして低温ストレスに対処するか？
曽根 正光1)，山口 良文1)
2023 年 1 月 23 日受付，2023 年 1 月 24 日受理

小型の冬眠哺乳類は冬眠時に体温が非常に低くなるが，それによってダメージを受けることがない．
それは，少なくとも部分的には，冬眠哺乳類由来の培養細胞は低温下で長く生存するというような，冬眠哺乳類が生得的にもつ細胞レベルの低温耐性能力によって説明される．近年ヒト細胞株を用いた研究から低温における細胞死は過酸化脂質の蓄積によって引き起こされるフェロトーシスと呼ばれるタイプの細胞死に類似することが明らかになってきた．本稿では，冬眠哺乳類の細胞がどのようにして低温誘導性のフェロトーシスを回避しているか，最近のがん研究の成果も交えて考察するとともに，高次の臓器・全身レベルの低温耐性機構についても触れる．

How do cells of mammalian hibernators cope with cold stress?
Masamitsu Sone1 and Yoshifumi Yamaguchi1
The body temperatures of small mammalian hibernators drop to very low levels during hibernation, but the
animals are not damaged by it. This can be explained, at least in part, by a cellular tolerance to low temperatures, suchas the ability of cultured cells from hibernators to survive longer at low temperatures than those from nonhibernators. Recent studies using human cell lines have shown that cell death at low temperatures resembles a type ofcell death called ferroptosis, which is caused by the accumulation of lipid peroxide. In this article, we discuss how
mammalian hibernators avoid low-temperature-induced ferroptosis at cellular level, including recent results fromcancer research, and also discuss the mechanisms of low-temperature tolerance at organ and systemic levels.
キーワード：冬眠，低温耐性，フェロトーシス，活性酸素種，ビタミン E
hibernation, low-temperature tolerance, ferroptosis, ROS, vitamin E

1. はじめにり 1℃程度高い状態に保たれ，巣穴の中が氷点下になり
うるホッキョクジリス（arctic ground squirrel，AGS）に哺乳類の冬眠は，著しい低代謝状態をとることでエネ

お い て は と き に 0℃ を 下 回 る 体 温 と な る と さ れ る

ルギーを節約し，冬季を生存するための適応戦略である．

（Barnes, 1989）．もしもヒトのような非冬眠哺乳類がこ小型の冬眠哺乳類は冬眠期において，熱産生を減弱してのように劇的な体温低下を経験すれば，脳や心臓，呼吸

低体温となり不動状態が数日間続く深冬眠と，そこから器が機能を停止し，あらゆる臓器で細胞死が引き起こさ

急速に体温を回復して通常体温で活動をする 1 日以下のれて死に至るであろう．従って，冬眠哺乳類には，低体中途覚醒を幾度も繰り返す．深冬眠時の体温は外気温よ温によって生じるストレスに対処するための特別な分子

連絡先
曽根 正光
北海道大学低温科学研究所冬眠代謝生理発達分野〒060-0819 札幌市北区北 19 条西 8 丁目
Tel. 011-706-7439
e-mail：msone@lowtem.hokudai.ac.jp⚑) 北海道大学低温科学研究所冬眠代謝生理発達分野〒060-0819 札幌市北区北 19 条西 8 丁目
Hibernation Metabolism, Physiology and Development
Group, Institute of Low Temperature Science, Hokkaido
University・Kita-19, Nishi-8, Kita-ku, Sapporo, 060-0819,
Japan曽根 正光，山口 良文

160

図 1：フェロトーシスにおける脂質の酸化反応．Gpx4 とビタミン E 同属体の一つ
ロトーシス抑制作用についても示す．

トコフェロールによるフェメカニズムが備わっていると考えられる．本稿では，主

彼らは，この低温誘導性の細胞死がどういった種類の細に細胞レベルの，冬眠哺乳類が持つ生得的な低温耐性機胞死であるか，各種細胞死の阻害剤を用いて検証した．

構について論じ，臓器レベル，全身レベルでの低温耐性

その結果，ヒトがん細胞の低温誘導性細胞死は，アポトー機構についても触れる．

シスやネクロトーシスの阻害剤では抑制できない一方でフェロトーシス阻害剤によって完全に抑制されたことか

2. 低温における哺乳類細胞の細胞死（≒フェロ
トーシス）

ら，フェロトーシスに極めて近い性質を持つことが明らかとなった（Hattori et al., 2017）．
フェロトーシス（ferroptosis）とは，Ras がん原遺伝子

非冬眠哺乳類と冬眠哺乳類の培養細胞を 10℃以下のに活性化型の突然変異を持つヒトがん細胞を特異的に細低温環境下に置いて比較すると，前者は多くの場合，2，胞死させる薬剤エラスチンの薬理研究から比較的最近提3 日のうちに死滅するのに対し，後者は 5 日以上生存す

唱された細胞死様式である（Dixon et al., 2012）．フェロ

るという，明らかな低温耐性能力の違いが観察されるトーシスでは，鉄イオンに依存した過酸化脂質及び脂質（Anegawa et al., 2021; Hendriks et al., 2020; Hendriks et

ラジカル体の蓄積によって，最終的に細胞形質膜が崩壊

al., 2017; Ou et al., 2018）．個体及び臓器から切り離されし，ネクローシスに似た細胞形態を呈する（Dixon et al.,

た培養皿上の細胞が低温に耐性を持つことから，こうし2012）．特に，細胞内の多価不飽和脂肪酸は，脂質ラジカ

た能力は細胞自律的と言える．冬眠哺乳類の細胞がどのルの産生源となる．二重結合を有する炭素原子に挟まれような分子基盤に基づいて低温耐性能力を発揮するのかる炭素原子（R1－C＝C－C－C＝C－R2 の下線部）に結を議論する上で，まず，低温での細胞死がいかにして生合する水素原子が遊離して生成された脂質ラジカルは，じるかを述べる．

分子酸素により速やかに酸化され過酸化脂質ラジカルと服部らは，活性酸素種（ROS）によって活性化されるなる（図 1）（Conrad & Pratt, 2019）．こうした反応は自Appoptosis signal-regulating kinase 1（ASK1）-p38

然酸化や ROS（過酸化水素（H2O2）など）の作用により

MAPK 経路が低温刺激によっても活性化すること，さ細胞内で常時生じうる．次に過酸化脂質ラジカルは周囲らに ASK1 または p38 を機能阻害すると低温によっての不飽和脂肪酸から水素を引き抜き，脂質ラジカルと過引き起こされる細胞死が抑制されることを，複数のヒト

酸化脂質を生じる．過酸化脂質は比較的安定な物質では細胞株において見出した（Hattori et al., 2017）．次いであるが，除去されず蓄積した場合，フェントン反応と呼冬眠哺乳類の低温耐性

161

ばれる鉄イオンを介した反応などにより新たな脂質ラジ

昇し過分極となるが，TGS 神経細胞ではそうした変化がカルが発生する．よって，1 サイクルあたり脂質ラジカ

起こらない（Ou et al., 2018）．これらの知見は冬眠哺乳

ルが 1 個から 2 個に増加する反応となり，脂質ラジカル類のミトコンドリアが温度低下してもホメオスタシスを体が指数関数的に増加する．こうした脂質酸化の連鎖反維持することを示唆する．さらに，ヒトの iPS 由来神経

応が細胞形質膜やオルガネラ膜を伝播して膜の崩壊へと細胞を低温処理すると，TGS のそれとは異なり，微小管

つながると考えられている．細胞内でこのような反応を構造が断片化し，破壊されてしまうが，低温処理時にミ防ぐ主要な役割を果たす酵素がグルタチオンペルオキシ

トコンドリアの脱共役剤を添加し，膜電位の上昇を抑制

ダーゼ 4（Gpx4）である．Gpx4 はグルタチオン依存的

すると ROS の発生が抑えられ，細胞骨格の崩壊を防ぐに過酸化脂質を還元し脂質アルコールへと変換すること（Ou et al., 2018）．従って，非冬眠哺乳類細胞においてはで，脂質酸化の連鎖反応を回避している．これまでに開低温時のミトコンドリアの機能異常が ROS の上昇を引発されたフェロトーシス誘導性薬剤の大部分は直接的あき起こし，細胞死の引き金となる可能性が考えられる．

るいは間接的に Gpx4 の機能を阻害することでフェロ

それでは冬眠哺乳類の細胞はどのようにしてそれを回トーシスを誘導する（Yang et al., 2014）．

避しているのだろうか？ この遺伝子基盤に切り込んだ

低温誘導性細胞死が脂質の酸化によって引き起こされ数少ない研究を紹介する．ホッキョクジリス（AGS）のるのだとすれば，それを回避する手段は 3 通り考えられ

神経前駆細胞で発現する遺伝子を組み込んだ cDNA 発

る．脂質の酸化そのものが生じないようにすること，酸現ライブラリーを用いて，マウスの神経前駆細胞にマイ化脂質を速やかに除去すること，酸化脂質の拡大を防ぐ

ルドな低温ストレス（31℃）を含む種々のストレスに対ことである．以降では，冬眠哺乳類の研究知見を中心に，する耐性を与える遺伝子をスクリーニングした実験の結非冬眠哺乳類での知見も交えつつ，この点について議論

果，ATP5G1 が 同 定 さ れ た（Singhal et al., 2020）．

する．

ATP5G1 はミトコンドリアの ATP 合成酵素の構成因子であり，N 末側に複数の AGS 特異的なアミノ酸置換が3. 冬眠哺乳類細胞における脂質酸化抑制機構
3.1 ミトコンドリア

存在する．そのうちの一つ（32 番ロイシン）をミミックした変異ヒト ATP5G1（Hu ATP5G1P32L）を過剰発現す
ると，AGS ATP5G1 と同様ヒト神経前駆細胞に 31℃の

通常ミトコンドリアは体内で消費される酸素の 90％

低温ストレスへの耐性をもたらした．さらにゲノム編集

以上を消費する ROS の最大の発生源である．低温にお技術により AGS 神経前駆細胞において ATP5G1 の 32

いて脂質酸化を引き起こす ROS の発生源が何であるか

番ロイシンをヒト型に変異させる（ATP5G1L32P）とその不明であるが，ミトコンドリアは有力な候補の一つであようなストレス耐性が若干減弱した．AGS ATP5G1 がり，冬眠哺乳類の細胞は低温においてミトコンドリアか

いかにしてストレス耐性を与えるか不明であるが，ミトらの ROS の発生を防ぐ何らかの機構を有する可能性がコンドリア予備呼吸能（脱共役剤存在下で測定されるミ高い．この点に関する報告例をいくつか紹介する．

トコンドリアの最大呼吸量）の増加との関連が示唆されまず，ヒトとシリアンハムスター（以下ハムスター）た（Singhal et al., 2020）．一方で，私たちが調べたとこの腎臓に由来する細胞株を比較すると，低温環境下でヒろ ATP5G1 の 32 番ロイシンはハムスターには保存されト細胞のミトコンドリアの膜電位が低下するのに対し，ておらず，これが冬眠哺乳類に共通した低温耐性メカニ

ハムスター細胞ではそうした変化が見られないとの報告

ズムとは考えにくい（未発表データ）．

がある（Hendriks et al., 2017）．また同論文において，ヒStaples らは，深冬眠期および中途覚醒期の TGS の肝ト細胞のミトコンドリアは通常温度では網目状の構造を臓から単離されたミトコンドリアを用いて State3 呼吸取っており，低温でそれが断片化する様子が観察される能（ミトコンドリアが呼吸するのに必要な基質と高濃度が，ハムスター細胞のミトコンドリアはそもそも断片化の ADP の存在下で測定される，共役状態での最大呼吸したミトコンドリアを有し，低温ストレスによって形態能）を 37℃で測定すると，深冬眠期のミトコンドリア呼が変化しないと報告された．一方，ヒトおよびジュウサ

吸能が中途覚醒期に比べて低いこと，そしてそれは電子

ンセンジリス（thirteen-lined ground squirrel，TGS）由伝達系（electron transport chain，ETC）複合体 I および来の人工多能性幹細胞（iPS 細胞）から分化させた神経II の活性低下に起因することを明らかにした（Mathers

細胞を 4℃の低温ストレスに曝すと，（前述の腎臓細胞株

et al., 2017）．深冬眠期から中途覚醒期に向かう際のミとは逆に）ヒト神経細胞のミトコンドリアは膜電位が上トコンドリア呼吸能は体温上昇と相関するように活性化曽根 正光，山口 良文

162

図 2：TGS のミトコンドリア電子伝達系複合体 I-IV および硫化水素分解酵素 SQR の活性についての活動期 / 中途覚醒期と深冬眠期の比較（Jensen et al., 2021; Mathers & Staples, 2019）．また AGS では
複合体 V 構成タンパク質のアミノ酸置換がストレス耐性に関わるとの報告がある（Singhal et al.,2020）．

することから，低下した呼吸能の回復については体温の複合体 I の活性が上昇し，中途覚醒期の複合体 II の活性

上 昇 に 依 存 す る 可 能 性 が 示 唆 さ れ た（Armstrong &が減少したことから，これらの ETC 複合体タンパク質

Staples, 2010）．一方で，中途覚醒期から深冬眠期に移行のリン酸化が冬眠期のミトコンドリア呼吸能のダイナミする際には，深冬眠開始直後の体温がまだ下がり始めた

クスに重要な役割を果たすことが示唆された（図 2）ばかりの時期に，ミトコンドリア呼吸能はすでに最低体（Mathers & Staples, 2019）．

温の時期と同等の強い抑制を受けている（Chung et al.,

高濃度の硫化水素（H2S）は ETC 複合体 IV を阻害す

2011; Staples, 2014）．従って，ETC 複合体 I と II の活性る．H2S をマウスに吸引させると代謝を低下させ，一過低下は，体温低下の結果もたらされるものではなく，む性に冬眠のような仮死状態を誘導するという衝撃的な報

しろ代謝抑制のための能動的制御により体温低下に先ん告があるが，その後，大型哺乳類にはそのような効果がじて起こると考えられる．

認められなかったことなどからヒトへの応用については

そのメカニズムとして翻訳後修飾による深冬眠期の懐疑的な見方が広まっている（Blackstone et al., 2005;

ETC 複合体 I および II の活性抑制機構が提唱された．

Jensen & Fago, 2021）．一方で，細胞内においてもシス

Staples らは肝臓のミトコンドリアタンパク質の 2 次元

テイン合成などの副産物として H2 S は内因性に合成さ電気泳動と質量分析により複数のタンパク質のリン酸化れる．TGS の肝臓では深冬眠期の H2 S の濃度が夏季あおよびアセチル化状態が深冬眠期と中途覚醒期で異なる

るいは中途覚醒期と比較して 2 倍程度上昇しており，そことを見出した（Mathers & Staples, 2019）．中でも，リの原因はミトコンドリア局在性の H2 S 分解酵素である

ン酸化が，深冬眠期に顕著に増加するタンパク質として

SQR（sulfide quinone reductase）の活性が抑制されるこ

ETC 複合体 I の 75kDa サブユニットが，中途覚醒期にとにある（Jensen et al., 2021）．そのため，深冬眠期の肝顕著に増加するタンパク質として ETC 複合体 II のフラ臓から単離されたミトコンドリアを H2S に曝露すると，

ボタンパク質サブユニットが同定された．ミトコンドリ

分解が遅いために長時間にわたって呼吸量の著しい活性

アホモジネートの脱リン酸化処理によって，深冬眠期の低下が認められた．この論文の著者らはこれが SQR の冬眠哺乳類の低温耐性

163

アセチル化によるものと予想しているが，まだ証明されにおいて低温により活性化される温度感受性 Ca2＋ チャてはいない．以上より in vivo における深冬眠期のミトネルである TRPM8（齋藤らの稿を参照）が低温環境下

コンドリア活性は，これまでの H2S 非存在下で測定したでの細胞内 Ca2＋ 濃度の上昇および低温誘導性細胞死に

in vitro の実験データに基づいて考えられていたよりも寄与することが示唆された．神経細胞において TGS や

強く抑制されている可能性がある（図 2）．

ハムスターの TRPM8 をマウスやラットのそれと比較

これら Staples のグループを中心とした一連の研究にすると低温感受性が低いとの報告がある（Matos-Cruz

より，TGS では深冬眠時のミトコンドリア呼吸が能動的

et al., 2017）．従って TRPM8 の低温感受性の低下が冬に不活化されることが明らかとなり，それは低温におけ眠哺乳類の神経細胞が低温で脱分極を引き起こすことをる ROS の抑制に寄与するものと予想された．しかしな

防ぐのみならず，冬眠哺乳類の細胞一般において低温誘

がら，深冬眠時の TGS から単離されたミトコンドリア

導性細胞死の回避に寄与する可能性もある．

の ROS 発生量を夏の活動期や中途覚醒時のそれと比較した場合，一部条件下では有意に低下するものの，ほと3.2 ミトコンドリア以外から発生する ROS

んどの条件下では低下するとは言えない（Brown et al.,

低温環境において哺乳類細胞のフェロトーシス様細胞

2012）．こうした意外な結果は，上述の H2S レベルがそ死を引き起こす ROS の発生源がミトコンドリアの他にうであったように単離したミトコンドリアから発生する存在する可能性もある．低温により引き起こされるもの

ROS を測定する際の実験条件が，生体の細胞内環境を正ではないが，フェロトーシスの際の ROS の発生源に関確に再現していないことによる可能性もあり，深冬眠時する先行研究をいくつか紹介する．まず，小胞体に存在の翻訳後修飾を介した ETC 複合体の抑制が ROS の低するシトクロム P450 酸化還元酵素（P450 oxidoreduc-減に寄与しないと結論するのは早計である．

tase，POR）が ROS を発生させ，フェロトーシスの要因

一方，低温に脆弱なヒトがん細胞を用いた研究からも，となることが発見された（Yan et al., 2021; Zou, Li, et al.,

低温誘導性細胞死へのミトコンドリアの関与が示唆され

2020）．POR は NADPH から電子を受け取りシトクロ

る．ヒトがん細胞株において低温誘導性細胞死を制御す

ム P450，ヘム酸化酵素，スクアレン酸化酵素など様々なる遺伝子を同定する目的で CRISPR ライブラリーの網

酸化酵素へ電子を受け渡して還元し，全体として細胞内羅的スクリーニングをしたところ，ミトコンドリア内膜の種々の基質を酸化することによって分解するシステムに局在しマトリックスへの Ca2＋ の輸送を正に制御するとして働くことが知られる．しかし，こうした本来の役

MICU1 が同定された（Nakamura et al., 2021）．MICU1

割である酸化酵素の還元とは無関係に POR は NADPH

遺伝子を欠損したヒトがん細胞株では低温培養時でも過依存的に H2O2 を発生し，それが膜脂質を攻撃して過酸

酸化脂質が蓄積せず，細胞死も顕著に抑制される．その化脂質を生み出し，フェロトーシスの端緒となりうる

抑制メカニズムとしては，MICU1 欠損によるミトコン（Yan et al., 2021）．同じく，ペルオキシソーム内で合成

2＋

ドリアマトリックス内 Ca 濃度の減少と，低温誘導性

されるエーテル結合型リン脂質がフェロトーシスの原因のミトコンドリア過分極の抑制が提唱されている．実際と な り う る こ と も 報 告 さ れ た．
（Zou, Henry, et al.,に，細胞質内の Ca をキレートする（この時ミトコンド

2020）．この報告では ROS の発生源については調べられ

リア内の Ca 濃度も減少する），あるいは脱共役剤などていないが，ペルオキシソームで H2O2 が産生される点

でミトコンドリア膜電位を下げることで低温誘導性細胞を考慮すると，低温などのストレスにより細胞質に H2

死が抑制される．興味深いことに，MICU1 機能阻害やO2 が漏れ出してフェロトーシスの引き金となる可能性

Ca キレーターは，37℃でのシスチン輸送タンパク質も考えられる．他には，主に細胞質で遊離した多価不飽（xCT）の阻害剤によりグルタチオンを枯渇させた場合

和脂肪酸を酸化する 5-LOX，12-LOX，15-LOX と呼ばれに誘導されるフェロトーシスは抑制しない．このことかる脂質酸化酵素群（lipoxygenases）が，膜のリン脂質もら，ミトコンドリアの Ca 濃度異常がフェロトーシス

基質とすることがあり，それがフェロトーシスの原因との原因となるのは低温誘導性細胞死に特異的であるかもなる現象が知られる（Shah et al., 2018; Shintoku et al.,しれない．ミトコンドリア内の Ca 濃度を低下させる

2017; Wenzel et al., 2017）
．

2＋

2＋

2＋

2＋

2＋

となぜ低温誘導性細胞死が抑制されるのかについて，論以上のように，細胞内の様々な因子により ROS が発文の著者らは Ca2＋依存性の ETC 複合体の活性が減少し生し脂質を酸化させ，フェロトーシスを引き起こしうる．

ROS が 減 少 す る た め で あ る と の 仮 説 を 立 て て い る

低温環境において，哺乳類細胞のフェロトーシス様細胞（Nakamura et al., 2021）．また，同論文ではヒト細胞株

死を起こす ROS が何に起因するのか，そして，冬眠哺乳

164

曽根 正光，山口 良文

類はどのようなメカニズムでその発生を抑制しているの眠哺乳類特有の耐性能力は，一過性に無酸素（＋無糖）か，今後の研究による解明が期待される．

環境に曝露し，酸素を再供給する実験系により培養皿上で再現される（Bhowmick & Drew, 2017）．腎臓の初代4. 冬眠哺乳類細胞における酸化脂質の除去機構

培養細胞を用いた虚血再灌流傷害モデルでは，無酸素時の Gpx4 の発現誘導と，酸素再供給時の xCT およびフェグルタチオンの還元力を利用して ROS の還元を行う

リチン（鉄イオン貯蔵タンパク質）の発現誘導の程度がGpx ファミリータンパク質は脊椎動物には 8 個存在す

マウスに比べハムスター細胞で高いことが報告されておるが，先に述べた Gpx4 は他の Gpx タンパク質とは異なり，フ ェ ロ ト ー シ ス 抑 制 と の 関 連 が 示 唆 さ れ たるユニークな特徴を持つ．つまり，Gpx4 は他の多くの（Eleftheriadis et al., 2019）．しかしながら，転写と翻訳

Gpx が 4 量体として機能するのに対し単量体として働が不活性な低温環境下で発生する過酸化脂質の抑制にこくこと，他の Gpx に存在し基質の活性中心へのアクセのような発現制御機構が機能するかどうかは不明であスを制限すると考えられるタンパク質表面のループ構造

る．

を欠いていることが挙げられる（Savaskan et al., 2007;
Scheerer et al., 2007）．こうした特徴から Gpx4 は幅広
い ROS を基質とするが，特に過酸化脂質を直接還元するという他のタンパク質にはない機能を有する．そのた5. 冬眠哺乳類細胞における脂質酸化連鎖反応の抑制機構

め生存に不可欠で，Gpx4 を欠損したマウスは胚発生初

フェロトーシスを回避する機構として，Gpx4 による期（E7.5）に致死となる（Yant et al., 2003）．一般的な細直接的な過酸化脂質除去機構の他に，生成された過酸化胞では Gpx4 は選択的転写開始点の違いにより細胞質局

脂質や過酸化脂質ラジカルから新たな脂質へと酸化反応

在型およびミトコンドリア局在型の 2 つのフォームが発が拡大していく連鎖を止める機構がある．

現し，活性中心付近の正に帯電した領域でリン脂質の頭

私たちの研究室では，冬眠期・非冬眠期によらずハム部と相互作用することで生体膜にリクルートされ，膜表スターの肝臓から作製した初代培養細胞が 4℃で 5 日以

面から飛び出た過酸化脂質鎖を還元するモデルが提唱さ上生存することを見出した（図 3A）（Anegawa et al.,れている（Cozza et al., 2017）．また，Gpx ファミリータ

2021）．これはマウスの初代肝細胞が 4℃，2 日でほぼ死

ンパク質には Gpx4 を含め活性中心にセレノシステイン

滅するのとは対照的であった．しかしながら，偶然にも残基を持つものと，システイン残基を持つものが存在す

私たちの研究室が現所属大学へ移動したことをきっかけ

るが，Gpx4 をシステイン型に置き換えた Gpx4

マとしてハムスター肝細胞がマウスと同様の低温に対するウスは生後 2，3 週間で致死となる（Ingold et al., 2018）．

脆弱性を示すようになった．この原因が何か，動物飼育

それはシステイン型 Gpx4 が H2O2 等水溶性 ROS によりに関する様々な要因を検討した結果，ハムスターに与え不可逆的に酸化されることで過酸化脂質が還元できなくる餌を変えたことが原因であった．すなわち，ある種のなるためと考えられ，Gpx4 のセレノシステイン残基の餌（日本農産 MR スタンダード餌，以下 STD 餌）で飼育重要性を示唆する．以上のように，Gpx4 は過酸化脂質したハムスターの肝細胞は低温誘導性細胞死を起こさな除去に働く，フェロトーシス抑制の要となるタンパク質

いが，異なる餌（日本農産 MR ストック餌，以下 STC

であるが，冬眠哺乳類の低温耐性に関する Gpx4 の役割餌）で飼育したハムスターの肝細胞は 2 日間で低温誘導について報告はない．

性細胞死を起こした（図 3B）．STC 餌で飼育したハムス

Cys/Cys

近年，心筋梗塞などの血栓症や臓器移植などの医療場

ター肝細胞を低温に曝露した際，脂溶性抗酸化剤や鉄イ面で，血流が一時的に低下した後に回復すると細胞内でオンキレーターで細胞死が抑制されること，過酸化脂質

ROS が大量に発生し，フェロトーシスにより臓器傷害をが蓄積することから，やはりフェロトーシス経路が活性引き起こすことを示す知見が蓄積している（Lillo-Moya

化すると考えられた（図 3C）．STC 餌と STD 餌に含まet al., 2021; Yan et al., 2020）．そして，ミトコンドリア局

れるどの栄養素の差が肝細胞の表現形の違いを生み出す

在型 Gpx4 を過剰発現するとマウスにおいてこうした虚のか調べるため，両者の成分表を比較した．いくつか含

血再灌流傷害に対する耐性を高めるとの報告がある

有量の異なる栄養素が存在したが，STC 肝細胞の低温誘（Dabkowski et al., 2008）．AGS のような冬眠哺乳類は，導性細胞死がフェロトーシスであることを考え合わせ，

通常体温においても全身性の虚血再灌流傷害に対する耐STC 餌に比べ STD 餌にはビタミン E が 4 倍以上多く性があることが知られる（Bogren et al., 2014）．この冬含まれることに着目した．ビタミン E は脂溶性のラジ

冬眠哺乳類の低温耐性

165

図 3：
（A-D）LDH 法により測定した，4℃処理した初代培養肝細胞の死細胞割合．（A）マウスとハムスター肝細胞の比較．＊＊＊＊p＜0.0001（Two-tailed Welchʼs t-test）（B）STC 餌と STD 餌を与えたハムスターの肝細胞の比較．＊＊＊＊p＜0.0001（Two-tailed
Welchʼs t-test）（C）STC 餌を与えたハムスターの肝細胞低温処理におけるフェロトーシス阻害剤の効果．Deferoxamine：鉄キレー
ター，Ferrostatin-1，Trolox：脂溶性抗酸化剤．＊＊＊＊p＜0.0001（One-way ANOVA with the Tukeyʼs multiple comparison test）．
（D）STC 餌とともに与えた添加物の効果． T：ビタミン E（ トコフェロール）．＊＊＊＊p＜0.0001，＊＊＊p＜0.001，ns p＞0.05（Oneway ANOVA with Tukeyʼs multiple comparison test）．（E）LC-MS で計測した，表示した餌および添加物を与えた動物の肝細胞が含有するビタミン E 量．a，b，c の文字は統計的有意性を示し，文字を共有しない場合は統計的優位（p＜0.05）に異なる（Oneway ANOVA with Tukeyʼs multiple comparison test）．
（F）マウスとハムスターの肝細胞における餌含有ビタミン E に依存した低温耐性能力の違いについてのモデル．
Anegawa et al., 2021 を一部変更して引用．

曽根 正光，山口 良文

166

図 4：フェロトーシス抑制システムについての模式図．タンパク質を紺色の楕円で示す．それぞれの物質名の右肩に●の表示があるものはラジカル体を示す．CoQH2 および BH4 には，直接的あるいは トコフェロールを介して間接的に過酸化脂質ラジカルを抑制する作用がある．
aToc： トコフェロール，BH2：酸化型ビオプテリン，BH4：還元型ビオプテリン，cGpx4：細胞質局在 Gpx4，CoQ：酸化型補酵素 Q，CoQH2：還元型補酵素 Q，DHFR：ジヒドロ葉酸レダクター
ゼ，DHODH：ジヒドロオロト酸脱水素酵素，FMN：酸化型フラビンモノヌクレオチド，FMNH2：
還元型フラビンモノヌクレオチド，FSP1：フェロトーシス抑制タンパク質 1，GCH1：GTP シクロ
ヒドラーゼ 1，GSH：還元型グルタチオン，GSSG：酸化型グルタチオン，GTP：グアニン 3 リン酸，mGpx4：ミトコンドリア局在 Gpx4．

カル捕捉抗酸化物質（radical trapping antioxidant，RTA）

した（図 3F）．これは自然界において夏から秋にかけてとして古くから知られ，過酸化脂質ラジカルが他の脂質多く生産される種子や堅果類にビタミン E が豊富に含へと連鎖的に酸化反応を起こし伝播することを防ぐ天然

まれることを考えると理にかなった適応戦略のように思のフェロトーシス阻害剤である（Carlson et al., 2016;

われる．また最近，生体において止血因子の合成経路にShah et al., 2019）（図 1）．実際，STC 餌に加えてビタミ

重要な役割を担うことがよく知られるビタミン K が，ン E（正確には複数あるビタミン E 同族体のうち哺乳類

止血経路とは無関係に RTA としてフェロトーシスを強生体での活性が高い

トコフェロール）をハムスターに力に抑制することが報告された（Mishima et al., 2022）．

与えると初代肝細胞の低温誘導性細胞死が抑制されたこ

ビタミン K もビタミン E と同じく脂溶性ビタミンであとから，餌のビタミン E 含有量の差が低温誘導性細胞死

り，冬眠哺乳類の低温耐性に寄与する可能性がある．

の表現形の違いの原因であることが示唆された（図Gpx4 と独立して働くフェロトーシス抑制機構の存在

3D）．面白いことに，同じ STD 餌を与えた場合でも，肝も最近の研究で相次いで発見された（図 4）．①形質膜

細胞中に含まれるビタミン E 量はマウスの方がハムス

CoQ 還元経路：ミトコンドリア電子伝達系において電子ターに比べて 10 分の 1 以下と非常に低かった．これらのキャリアとして働く補酵素 Q（CoQ）は，形質膜にもの結果から，ハムスターにはマウスよりもビタミン E を存在することが古くから知られていたもののその意義は肝臓組織中に高濃度で蓄える仕組みが備わっていること不明であった．FSP1（Ferroptosis suppressor protein1，が示唆された（図 3E）．以上より，ハムスターのような別名 Aifm2）は細胞形質膜に局在し，NAD（P）H 依存的

小型冬眠哺乳類は，脂溶性抗酸化物質であるビタミン Eに CoQ を CoQH2 へと還元し，CoQH2 が過酸化脂質を還を組織中に蓄えることで，深冬眠時の低体温によって惹元するというサイクルを形成することで，フェロトーシ

起されうるフェロトーシスを防止するという仮説が浮上

ス 抑 制 に 寄 与 す る（Bersuker et al., 2019; Doll et al.,

冬眠哺乳類の低温耐性

167

2019）
．また，FSP1 はビタミン E とビタミン K をそれり細胞内の Ca2＋ 濃度が低下して心筋は再び弛緩する．

ぞれ間接的，直接的に還元する働きもあることが示唆さ

非冬眠哺乳類の心臓を低温に曝すと休止期の細胞内れており（Doll et al., 2019; Mishima et al., 2022），FSP1

Ca2＋ 濃度が上昇してしまい，このような収縮-弛緩サイはこれら脂溶性ビタミンと相乗的にフェロトーシスを防クルを起こすことができず機能不全に陥る（Wang et al.,

ぐといえる．②ビオプテリン経路：チロシン水酸化酵素

2002）．この原因は低温によって電位依存性 Ca2＋チャネ（ドーパミンなどの合成に関わる）を含む複数の酵素のルの開口時間が伸びて過度の Ca2＋ が流入することであ補酵素として重要であることが知られるビオプテリンがるが，冬眠哺乳類の冬眠期の心筋ではこのチャネルが発

膜の脂質過酸化を直接的，あるいはビタミン E を介して現低下し，またタンパク質レベルでリン酸化などにより間接的に抑制することでフェロトーシスを防ぐという経不活性化されており，Ca2＋の流入を防ぐ（Kokoz Yu et

路も存在する（Kraft et al., 2020; Soula et al., 2020）．様々al., 2000; Kondo, 1986; Yatani et al., 2004）．通常 Ca2＋ のながん細胞株について調べるとビオプテリン合成の律速流入が低下すると心筋の収縮が弱まるが，冬眠期の心筋酵素である GCH1（GTP cyclohydrolase 1）の発現量がでは筋小胞体上の Ca2＋トランスポーター（SERCA2a）

フェロトーシス誘導剤に対する抵抗性に相関するなど，の発現量上昇と筋小胞体の体積増加により Ca2＋ 貯蔵量

この経路のフェロトーシス抑制における重要性が示唆さを増やし，収縮時には大量の Ca2 を細胞質に放出するこれた．③ミトコンドリア CoQ 還元経路：ミトコンドリとによって，活動期よりもむしろ高い収縮力を発揮する

ア 内 膜 に お い て ウ リ ジ ン 合 成 経 路 に 関 わ る DHODH（Rosenquist, 1970; Skepper & Navaratnam, 1995; Yatani（Dihydroorotate dehydrogenase）は，間接的に CoQ を

et al., 2004）．このように冬眠哺乳類の心筋は外部から還元することでミトコンドリアにおける過酸化脂質の蓄の Ca2＋ の流入を抑え，筋小胞体-細胞質間の Ca2＋ のフ積を抑え，フェロトーシスの抑制に働く（Mao et al.,

ローを増大することで冬眠期の収縮-弛緩サイクルを維

2021）．また，ミトコンドリア局在型グリセロール 3 リ

持すると考えられる．

ン酸脱水素酵素 2（GPD2）も同様の作用を持つことが報②脳神経系：深冬眠期には電気生理学的計測により活告された（Wu et al., 2022）．これらの結果から，形質膜動電位が観察されなくなるなどほとんどの神経細胞は活に加えてミトコンドリアにおいても CoQH2 を介した過動を停止する，または非常に低下させる（Krilowicz et

酸化脂質の還元がフェロトーシスの抑制に重要であるこal., 1988）．それは低温による受動的な機能低下によってとが示唆される．これらの Gpx4 非依存的なフェロトー

大部分は説明されるが，能動的な抑制機構も存在する．

シス抑制経路を担うタンパク質群が冬眠哺乳類の低温耐

冬眠哺乳類では，TRPM8 や cGMP 依存性陽イオンチャ性に関与するかについては未だ報告はない．

ネルの CNGA3 といった低温に対する温度受容体の感受性が低いことや（Feketa et al., 2020; Matos-Cruz et al.,2017）
，冷感や痛覚を担う末梢感覚神経の一部の電位依

6. 臓器機能の低温耐性

存性 Na＋ チャネルを介した活動電位形成が深冬眠時に小型哺乳類が極端な低体温となる深冬眠時には，循環抑制されることから（Hoffstaetter et al., 2018），深冬眠

器や呼吸器はペースを極端に低下させながらも生命を維

における低温によって神経細胞が脱分極しないような制持するため活動を続けている．また，それら活動の制御

御機構の存在が考えられる．また，AGS の海馬の神経のため，あるいは外部刺激の受容とそれに対する応答や細胞は深冬眠時にグルタミン酸作動性陽イオンチャネル

周期的な中途覚醒の発動のため，神経系の一部のネットである NMDA 受容体が脱リン酸化し膜移行が抑制されワークは活動している（Sonntag & Arendt, 2019）．こうることで，その応答性が抑制されており（Zhao et al.,した組織では低温において細胞死を起こさないというだ2006），無酸素・無糖環境において細胞保護的に働くと考けでは十分ではなく，その臓器機能を維持する必要があえられる（Ross et al., 2006）．一方で，血圧を感知し血圧る．以下，
いくつかの臓器機能に関する研究を紹介する．

反射に重要な役割を果たす圧受容神経細胞から脳幹の孤①心臓：心筋の収縮は，洞房結節から伝播した活動電束核に存在する 2 次神経細胞へのシナプス伝達強度は，

位により形質膜上の電位依存性 Ca チャネルから Ca

計測したどの温度でもハムスターの方がラットより 2 倍が流入することで開始する．それにより筋小胞体が程度高い（Sekizawa et al., 2012）．低温（15℃）において，

Ca2＋ を放出し，増加した細胞内 Ca2＋ に依存して筋原繊

これらの神経細胞間の NMDA 受容体依存的シナプス電

維が滑り運動を起こすことで心筋が収縮する．そして，

流はハムスターの方が高いが，ハムスターでは（特に冬Ca2＋ の細胞外への排出と筋小胞体への再取り込みによ

眠期に）非 NMDA 受容体による興奮性シナプス後電流

2＋

2＋

168

曽根 正光，山口 良文の消失が早く，それにより NMDA 受容体の開口タイミ

することから，ビタミン C は血中や脳脊髄液中でこうしングを制限する可能性がある（Sekizawa et al., 2013）．

た ROS を消去するのに用いられるという解釈が成り立こうしたハムスターの圧受容神経-脳幹の接続特性は深つ．実際，ハムスターの脳においてマイクロダイアリシ

冬眠期に特有の間欠的な心臓の拍動を維持するのに重要スを用いた解析で，キサンチン酸化酵素の阻害剤を投与な働きをするのかもしれない．また，冬眠哺乳類の海馬すると，中途覚醒期に細胞外液中のビタミン C の消費がの神経細胞では深冬眠期の低体温により微小管結合タン抑えられるという報告があり，この仮説を支持している

パク質 Tau のリン酸化が起こり，スパインの数が減少（Osborne & Hashimoto, 2007）．一方，ビタミン C はヒするなど細胞形態上の退縮が観察されるが，中途覚醒期

ト，サル，モルモットなど一部を除く多くの脊椎動物でに は そ れ が 回 復 し，深 冬 眠 前 の 記 憶 も 保 持 さ れ るは主に肝臓で合成されるが，ビタミン C の合成には等（Horowitz & Horwitz, 2019）．このような可逆性を可能

mol のグルタチオンが必要とされるとの報告もあり，ビとする分子メカニズムは不明であるが，低温誘導性

タミン C の増産が肝臓にとってフェロトーシス誘引性

RNA 結合タンパク質（RNA binding motif protein 3，の負荷となることも考えられる（Banhegyi et al., 1996）．

RBM3）の関与が示唆されている（Peretti et al., 2015）．

また，ハムスター血中においてカタラーゼによる H2 O2

その他，TGS の神経細胞では冬眠時にミトコンドリア脱の分解活性が中途覚醒時に上昇し，H2 O2 による細胞死

共役タンパク質（Uncoupling protein 1，Ucp1）が発現誘を抑制することが示唆されている（Ohta et al., 2006）．

導され，局所的な熱産生を行うことで深冬眠中の機能を維持するという仮説も提唱されている（Laursen et al.,2015）．

8. おわりに③肺：肺の肺胞表面には肺サーファクタントと呼ばれ深冬眠時の小型冬眠哺乳類が，体温を極端に低く維持る界面活性物質が存在し，そのおかげで肺胞が表面張力しながらほとんど何の傷害も受けないという優れた低温によって潰れず，また，吸気時に肺が膨らむのに必要な耐性能力は，古くから人々の強い興味を惹いてきた．ヒエネルギーが少なくて済む（Perez-Gil, 2008）．TGS のトがん細胞を用いた研究から低温における細胞死は，脂肺サーファクタントは，ブタと比較して低温での活性が質の酸化によって引き起こされるフェロトーシスと呼ば優れること，冬眠期には活動期に比べ不飽和脂質成分がれる細胞死に近いことが近年明らかとなった．私たちの増えることなどが報告されており，これらの特性は低温研究から，ハムスターは天然のフェロトーシス阻害剤ででの肺機能の維持に重要であるかもしれない（Suri et al.,あるビタミン E を組織中に高保持する能力を備えてお

2012）
．

り，それによって冬眠期の細胞傷害性ストレスに対処する可能性が示唆された．さらに冬眠哺乳類に由来する培7. 全身性の低温耐性養細胞株は，同条件で継代を重ねても非冬眠哺乳類の細胞株に比べて高い低温耐性を持つことから，外部栄養に

深冬眠期および中途覚醒期には様々な臓器で，脂質お依らない低温耐性能力も備えると考えられる．こうしたよ び タ ン パ ク 質 の 酸 化 レ ベ ル が 上 昇 す る（Duffy &細胞自律的な能力を支える分子基盤については，近年急

Staples, 2022）．こうした冬眠期の酸化ストレスを低減

速に発展したゲノム編集技術を用いたスクリーニングシ

しうる抗酸化酵素や低分子量 ROS スカベンジャーの血

ステムの応用や，
がん研究分野の知見を流用することで，中や脳脊髄液中における量について調べられてきた

そう遠くない将来に明らかになると期待される．一方（Drew et al., 2002）．水溶性の抗酸化物質であるビタミ

で，そうした細胞自律的な低温耐性能力が実際の冬眠にン C（アスコルビン酸）は深冬眠期において AGS と関与するかの解明や，深冬眠時の循環器や呼吸器，神経TGS の血中で 3～5 倍，および AGS の脳脊髄液中で 2系の臓器機能を維持するメカニズム，さらにそうしたメ倍程度増加するが，同じく抗酸化作用のあるグルタチオ

カニズムを発動するための活動期から冬眠期への身体のンは変化しない（Drew et al., 1999）．興味深いことに増作り替えのメカニズムの解明には，時間とコストを必要加したビタミン C は中途覚醒期の呼吸量の増加とともとする個体レベルでの解析が必須となるため，より多くに急速に消費される（Toien et al., 2001）．また，血中ビの困難が伴うと予想される（図 5）．しかしながら，近年

タミン C 量の低下と呼応して血中の尿素の量が増加すの技術的進歩により，冬眠哺乳類のゲノム情報を活用しる．尿素はキサンチン酸化酵素による核酸の分解反応に

RNA-seq 解析やプロテオーム解析などにより重要な遺よって生じるが，その際フリーラジカルや H2O2 を産生

伝子を絞り込んだうえで，ゲノム編集技術により逆遺伝

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低温科学 81 （2023） 173-180
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 173

クマ類の冬眠─繁殖との関係─
坪田 敏男1)2022 年 12 月 12 日受付，2023 年 1 月 11 日受理

クマ類の冬眠は，体温の降下度が小さい，中途覚醒がない，筋肉や骨の退行がない，インスリン抵抗性になる，などの特徴を有する．オスでは，冬眠中（2～3 月）に精子形成が再開し，メスよりも早く冬眠から覚める．メスは，初夏の交尾後に着床遅延を維持するが，冬眠導入期（11 月下旬～12 月上旬）に着床する．その後約 2ヶ月で胎子発育を完了し，冬眠中間期の 1 月下旬～2 月上旬に出産する．
さらに冬眠後半期に新生子を哺育するが，母グマのみ冬眠を継続する．ヒグマやツキノワグマと違ってホッキョクグマでは，メスだけが出産・哺育のために冬眠するが，雌雄共に夏～秋にはほぼ飢餓状態になるため“歩く冬眠”と呼ばれる冬眠様生理状態に切り替える．

Hibernation in bears ─ Relations with reproduction
Toshio TSUBOTA1
Hibernation in bears is characterized by slight drop in body temperature, no periodic arousal, no muscle or bone
regression, and insulin resistance. Males resume spermatogenesis during hibernation (February-March) and emerge
from hibernation earlier than females. Females maintain delayed implantation after mating in early summer andimplant embryos at the time of hibernation induction (late November-early December). Female bears then complete
fetal development in about two months and give birth in the mid-hibernation period (late January to early February),
followed by nurturing their neonates in the late hibernation period, when only the mother bear continues to hibernate
but not neonates do. Unlike brown bears and black bears, only females of polar bears hibernate to give birth andnurture their young, but both male and female polar bears switch to a hibernation-like physiological state called“walking hibernation” from summer to autumn, when they get starvation.
キーワード：クマ，冬眠，精子形成，着床遅延，歩く冬眠
bear, hibernation, spermatogenesis, delayed implantation, walking hibernation

世界には 3 属 8 種のクマ類（ホッキョクグマ Ursusのは，北半球に生息するホッキョクグマ，ヒグマ，ツキmaritimus，ヒグマ U. arctos，ツキノワグマ U. thibeta-

ノワグマおよびクロクマの 4 種である．本稿では，これnus，ア メ リ カ ク ロ ク マ（以 下，ク ロ ク マ と 略）U.

ら 4 種のクマ類，とくに日本に生息しているヒグマとツamericanus，アンデスグマ（メガネグマ）Tremarctos

キノワグマについて（本文中とくにことわりがなければornatus，ナ マ ケ グ マ U. ursunus，マ レ ー グ マ U. ma-

クマはヒグマ，ツキノワグマまたはクロクマのいずれか

layanus およびジャイアントパンダ Ailuropoda melano-

を指す），これまでにわかっている冬眠の生態や生理に

leuca）が現存するが，そのうち冬眠することが明らかなついて繁殖との関係を中心に述べていく．

連絡先
坪田 敏男
北海道大学大学院獣医学研究院野生動物学教室〒060-0818 札幌市北区北 18 条西 9 丁目
Tel. 011-706-5101
e-mail：tsubota@vetmed.hokudai.ac.jp⚑）北海道大学大学院獣医学研究院野生動物学教室
Laboratory of Wildlife Biology and Medicine, Faculty of
Veterinary Medicine, Hokkaido University〒060-0818 札幌市北区北 18 条西 9 丁目
Kita 18 jo Nishi 9 chome, Sapporo, Hokkaido 060-0818

174

坪田 敏男

1. クマの冬眠の特徴
かつてクマの冬の眠りは冬眠ではなく冬ごもりと呼ばれていた．それは，体温をさほど下げずに，いつでも覚醒できるのでそのように呼ばれていた．しかし，その後，クマも他の冬眠性哺乳類（シマリス，ジリス，ハムスターなど）と同じように，冬になると体温や代謝を下げ，冬眠状態になることがわかった（図 1）（宮崎，下鶴の稿参照）．ただし，体温の降下度は小さく，およそ 4～6℃しか低下しないのは他の冬眠性哺乳類とは異なる点である．逆に，それがクマの冬眠の特徴ともいえる．クマは
体サイズが大きいので体積に対する体表面積の小ささ
や，厚い体脂肪による断熱効果が関係していると考えら

図 1：冬眠しているアメリカクロクマ（アメリカ合衆国ミネソタ州にて）

れる．さらには，いったん体温を大幅に低下させてしまうと，覚醒時に体全体を温めるコストが大きいことも関U/C 比が 10 以下にまで低下している（活動時は 25 以係しているのであろうが，詳細な理由は未だ明らかにさ上）（Nelson et al., 1984）．

れていない．これまでに，体温以外では心拍数（40～50

2 つ目のクマの冬眠の特徴としては，数ヶ月間狭い冬

回/分から 8-10 回/分に）や代謝率（100％から 20-50％

眠穴の中でほぼ不動化状態が続くにも拘らず筋肉や骨のに）が低下していることが報告されている（Folk et al.,

衰えがないことである．筋肉については宮崎充功氏の別1976; Stenvinkel et al., 2012）．さらに，糖代謝，脂肪代謝

稿に委ねるが，冬眠中（130 日間の不動化状態）でも活動

及び蛋白質代謝が，冬眠とともに大きく変化することも時の 77％もの筋力を維持している（人では同じ状態でわかっている．

10％しか維持できない）のは驚きである（Harlow et al.,

中でも，他の冬眠性哺乳類と最も大きく異なる点は，2001）．一方，骨については，冬眠中の不動化が骨粗鬆症

中途覚醒が見られないことである．すなわち，シマリスのように多孔の増大，ミネラルの減少，物理的な脆弱化やハムスターでは冬眠が始まっても数日間の持続的冬眠などを引き起こすことがない．数ヶ月間もの不動化状態の後に中途覚醒がみられるが，クマは数ヶ月間，持続的が続いても毎年春になると冬眠から覚め，しばらくの訓

冬眠だけを継続し，中途覚醒は一切ない．すなわちクマ

練期間はあるものの速やかに活動を再開することから大

は，
数ヶ月間，
摂食飲水および排泄排尿をしなくてもやっきなダメージはないと言っていい．最近の報告によるていける生理機構を有している（Nelson et al., 1973）．

と，冬眠中のグリズリー／ヒグマは，骨形成も骨吸収も冬眠中に必要なエネルギーは，すべて冬眠前に体脂肪と共に低いレベルで維持し，骨の代謝を低下させているこ

して蓄える．この体脂肪を利用することによって必要なとがわかっている（McGee et al., 2008）．一方，クロクマ

エネルギーや栄養素，さらには水を得ている．冬眠中クでは，冬眠中の骨の動作がない期間，骨吸収は進むが，マは，体脂肪（中性脂肪）から遊離脂肪酸を動員して脂冬眠覚醒時に速やかに骨形成が起こり，骨のカルシウム

肪酸分解により得られるエネルギーを使っている．さら含量などが健康な状態に戻ると報告されているに，アミノ酸やグリセロールからの糖新生により血糖値（Donahue et al., 2003）．冬眠中のツキノワグマ血清中にを安定的に維持している．また，脂肪酸分解により代謝骨吸収を抑制する因子が含まれていることもわかってい水も得られるので，一切の飲水がなくても脱水することる（Nasoori et al., 2020）．

がない．また，冬眠前に摂食した消化物を“止め糞”としさらにもう一つクマの冬眠の特徴を上げるとしたら，て肛門（直腸）に詰め，冬眠中に排泄をしない（坪田，インスリン抵抗性になっていることであろう．冬眠前の2000）．さらに，尿については未だすべて解明されてい食欲亢進期には体脂肪を蓄積するためにインスリンに対ないが，膀胱には濃縮した尿が溜まっているが外に出す

する糖吸収反応が上昇しているが（体脂肪蓄積モード），

ことはない．蛋白質代謝産物である尿素を再利用してア

いったん冬眠に入ると今度は体脂肪から中性脂肪を動員

ミノ酸構築しているとされる（Ahlquist et al., 1976）．蛋

して脂肪酸分解によりエネルギーや栄養素を得ている

白質の利用が少ないので血中尿素（U）濃度は低下し，（体脂肪消費モード）．実際冬眠中のクマでは，血中アミ

血中クレアチニン（C）濃度が上昇している．その結果

ノ酸およびグルコース濃度（血糖値）は安定的に維持さクマの冬眠と繁殖175れている．この時，インスリンに対して敏感に体が反応していては，これらのことがうまく働かなくなるため，
インスリン抵抗性となっているのであろう．実際，冬眠
中に血中糖負荷試験を行うと血糖値は速やかに下がらず，血中インスリン濃度も高値を持続する（Kamine etal., 2012）．
日本のヒグマやツキノワグマは，毎年およそ 11 月下旬～12 月上旬に冬眠に入る．山の餌資源が減り，気温の低下や降雪など環境条件が整うとクマは冬眠に入る．そこには生物リズムも関係しているかもしれない（Thielet al., 2022）．しばらくは冬眠穴内で冬眠に入らず起きているが，数日後には眠りにつく（坪田，1982）．数ヶ月の後，3 月中旬～5 月上旬に冬眠から覚めるが，その順番としてオス，単独メス，そして子連れメスと決まってい図 2：冬眠前食欲亢進期の超肥満状態にあるヒグマ（北海道
知床半島にて）る（Yamamoto et al., 2016）．オスの覚醒は生殖機能の活動と関係しており，第 3 項で解説する．妊娠メスは冬眠

夏の平常時では 8,000 kcal/日だったのが食欲亢進期に中に出産と哺育をするので（第 5 項参照），
覚醒が遅れる．

は 15,000～20,000 kcal/日まで増大している（Stenvinkel

Evans et al.（2016）によると，ヒグマの冬眠への導入に

et al., 2012）．11 月下旬になると，十分に飽食したクマは環境要因が強く効いているのに対して，冬眠の終了には超肥満状態となり，冬眠の準備が完了する（図 2）．

は生理的要因が強く効いているとされている．

しかしながら，上に書いたようなシナリオが毎年同じように営まれるわけではない．というのは，堅果類や液2. 冬眠前に食欲亢進により体脂肪を蓄える果類，さらにはサケの遡上量には年による較差があるからである．とくに堅果類の豊凶はクマにとって深刻な問

野外では，およそ 10～11 月にドングリ（ミズナラやコ

題であり，凶作年には餌を求めて人里に出没するクマのナラの種子）をはじめとする堅果類，さらにはヤマブド

数が急増する（いわゆる大量出没）．結果，人身事故が多ウやサルナシ（コクワ）などの液果類が実る季節を迎え発することになり，問題グマは駆除されるので捕殺数がる（坪田・山﨑，2011）．これらは，クマにとって栄養価顕著に増大する．このように食欲亢進期の餌資源がクマの高い重要な餌資源である．さらに，一部の地域（北海の行動を大きく左右するのは間違いないことである（坪道東部など）ではマスやサケが遡上するので蛋白源とし田・山﨑，2011）．

て利用されることになる（Shirane et al., 2021; Jimbo et

クマでは，冬眠前に体脂肪を蓄え始めると，脂肪細胞

al., 2022）．これらの高栄養価の餌を食することで，夏のから分泌されるレプチンの血中濃度が上昇し始める．体時期まで落ち続けた体重および栄養状態の回復を図るこ

脂肪量がピークとなる 11 月下旬～12 月上旬に血中レプとになる．いわゆる食欲亢進（hyperphagia）により摂チン濃度もピークとなり，その後急激に下降する．この食量が増大し，体の維持や活動に必要なエネルギーを除ような変化を見せるレプチンの生理作用については未だき余剰分は体脂肪として蓄えられる．この時，体重にし解明されていないが，体脂肪量（栄養状態）の変化を生ておよそ 30～40％増大するとされている（坪田・山﨑，

殖系システムに伝達する役割があるのかもしれない2011）．また，野生下ほど餌の量が変化しない飼育条件（Tsubota et al., 2008）．すなわち，十分な体脂肪量を蓄

下でも体重が増加することがわかっており（Hashimoto

えたことが着床遅延中の胚の再活性化と着床の成立につet al., 1999），単に食物量が増えるだけではなく生体内のながり，その後の妊娠から出産までのプロセスがうまく

消化吸収や代謝メカニズムも変化している．とくに糖の進むと考えられる．

吸収速度やインスリンの反応速度が，この時期早まっていることがわかっている（Kamine et al., 2012）．実際，
体脂肪計を使って体脂肪量を測定してみると，この時期

3. オスは冬眠中に精子形成を再開するの増体量はほとんどが体脂肪によるものである

オスグマの繁殖サイクルとしては，毎年交尾期の前後（Nakamura et al., 2008）．クロクマの摂取カロリーは，に生殖能力を活性化させ，それ以外の期間は生殖能力が

176

坪田 敏男

低下する．それを精巣内の精子形成像で観察するとよくわかる．交尾期には精細管内の精細胞数が増え，精子までの分裂が盛んに行われている．すなわち，精祖細胞，
一次精母細胞，二次精母細胞（精娘細胞），精子細胞および精子が観察される（Tsubota et al., 1989）．セルトリ細胞も精子形成とともに機能が活性化する．とくに興味深
いのは，冬眠中の 2～3 月に既に精子形成の再開がみられることである．すなわち，精細管にセルトリ細胞（支持細胞）と精粗細胞しか見られなかったのが，2～3 月になると精祖細胞から細胞分裂（減数分裂）により精母細胞，精娘細胞および精子細胞が存在するようになる（Komatsu et al., 1997）．この時の精子形成の再開を調節しているのが性ホルモンである．とくに精子形成を促進

図 3：着床遅延中のツキノワグマ未着床胚（胚盤胞の段階で子宮腔に浮いた状態で生存を続ける）

する働きのある卵胞刺激ホルモン（FSH）とテストステロンが実際この時期に増加し始めることがわかっている（Iibuchi et al., 2010a）．このように冬眠中のクマは，他り（Boone et al., 2004），排卵のためには複数回の交尾刺の代謝機能を低下させている中で精巣は機能を再開させ

激（オスの臭いへの暴露を含む）が必要である．その時ている．その後精子形成が最も活性化する交尾期に血中に受精が成立し妊娠を開始すると，他の哺乳類と同様にテストステロン濃度も最高値を示す．さらに，テストス

胚盤胞まで胚の分化が進むが，その段階で発達がほぼ止テロン合成に必要なステロイド代謝酵素，P450scc，

まる．すなわち，着床が誘導されずに未着床胚が子宮腔

p450c17 および 3 HSD の局在について，ヒグマとツキ内に浮遊した状態で維持される（図 3）（Tsubota andノワグマで調べられた．免疫組織化学的手法により，こKanagawa, 1993）．これを着床遅延あるいは胚の発育停

れらの酵素発現が 2～3 月から交尾期までライディッヒ

止と呼んでいる．日本のツキノワグマおよびヒグマであ細胞（間質細胞）に認められる（Tsubota et al., 1997）．

れば，およそ 11 月下旬～12 月上旬のちょうど冬眠に入また，in situ hybridization 法により，ステロイド代謝酵るタイミングに合わせて着床が起きるので，着床遅延期

素の mRNA 発現レベルが交尾期に増大していることが間は 4～5ヶ月ということになる（Tsubota et al., 1987）．

わかっている（Iibuchi et al., 2010b）．一方，近年オスの着床遅延期間中，排卵後に形成された黄体からのプロ生殖能力の指標としてエストロジェンも重要と考えられジェステロンの分泌は続けられるが，血中濃度は 1～5

るようになり，実際クロクマにおいてエストロジェン合

ng/ml と 低 い レ ベ ル で 維 持 さ れ て い る（Sato et al.,成に必要な P450arom の発現がセルトリ細胞および精細2001）．この時，黄体細胞でプロジェステロン合成が行胞に局在し，とくに冬眠中の 2 月にはセルトリ細胞で発われていることが確認されている（Tsubota et al., 2001）．

現が見られ始め，血中エストラジオール濃度も上昇し始

着床遅延期間中，胚は発育をほぼ停止するが，細胞の数める（Tsubota et al., 1997）．このように，冬眠中の精子は増え胚の大きさ（直径）もおよそ 3 mm にまで大きく形成の再開にエストロジェンも関与していると考えられなっている（Tsubota et al., 1991）．着床のタイミングにる．冬眠覚醒後 1～2ヶ月後に訪れる交尾期に向けてオ合わせて血中プロジェステロン濃度は顕著に上昇する

スはいち早く生殖能力を高め，メスの発情の到来を待ち（Sato et al., 2001）．着床から約 2ヶ月間で胎子の発育を続けるのである．

完成させる．スカンジナビアのヒグマでは胎子発育期間が 56 日という報告がある（Friebe et al., 2014）．ヒグマ

4. メスは冬眠導入期に着床するの胎子は，S 字状曲線を描くようにして発育することがわかっている（Tsubota et al., 1987）．では，着床を誘発

クマの交尾期は概ね 5～7 月の初夏にみられる．ふだする因子は何であろうか．クマでは直接的な証明はされん単独生活しているクマが，交尾期に限りつがいを作りていないが，他の哺乳類（ミンクやスカンク）ではプロ

1～2 週間行動を共にしながら交尾する（Craighead et al.,

ラクチンを着床遅延期間に人為的に投与すると着床が誘

1969; Ludlow, 1976）．ジャイアントパンダ（自然排卵す

発されたことが報告されている（Mead, 1993）．クマでる）を除くクマ類の排卵様式は交尾排卵と考えられておも着床前時期にプロラクチン濃度が上昇しており，プロクマの冬眠と繁殖

177

図 4：飼育下ツキノワグマにおける授乳メス個体と非授乳メス個体の血中尿素／クレアチ
ニン濃度比（U/C 比）の比較

ラクチンが着床を誘発する因子と考えられている（Sato

始がリセットされるのであろう．ただし，妊娠メスの栄

et al., 2001）．なお，ヒグマでは冬眠中であっても妊娠中養状態（体脂肪の蓄積程度）によって多少着床時期がずに活動量（体勢を変える程度）が上昇することが報告されるようである（Robbins et al., 2012）．着床（プロラク

れている（Fribe et al., 2013）．では，クマはなぜ着床遅チン分泌の増大）のタイミングが何によって規定される

延という特殊な生理機構を進化させたのであろうか．おのか未解明であるが，冬眠への導入と同様，環境要因（日そらく胎子発育期間が固定される中，交尾期と出産期を長や気温）または概年リズム（内的要因）によって個体最適な時期にもってくるための調節期間として発達した共通の要因が働いている可能性が高い．前述したようのであろう．クマでいえば交尾期は初夏，
出産期は真冬，に，レプチンによる栄養状態のシグナル伝達も関係してさらに胎子発育期間が約 2ヶ月という制約を，着床遅延

いるかもしれない．クマは 1 回に 2 頭の子を産むのが一を行うことによりうまく調節できたのであろう（坪田，般的で，一腹産子数は平均 1.80 または 1.76（レンジ 1～

2020）．その結果，冬眠導入期と着床時期がほぼ一致す

3）と い っ た 報 告 が あ る（Mano and Tsubota, 2002;

ることで，冬眠前の体脂肪蓄積により着床の成否が決ま

Shimozuru et al., 2017）．飼育下ツキノワグマでは，哺育ることになった．実際ヒグマでは，体脂肪率 20％以下だ

中の母グマは単独グマに比べて 34％も多くエネルギーと繁殖に失敗する（子を連れない）ことがわかっているを消費するが，子が 1 頭と 2 頭の場合でとくに差はない（Robbins et al., 2012）．

（Iibuchi et al., 2009）．環境中の餌資源量が一腹産子数を決める要因の一つになっている．時に父親が異なる異父5. メスは冬眠の中間期に出産する同腹子も確認されている（Shimozuru et al., 2019）．出産前すなわち胎子発育期間には黄体からのプロジェステロ

クマは，冬眠の中間期，およそ 1 月下旬～2 月上旬にン分泌により高体温（37～38℃）を維持していたのが，出産する．交尾期が 5～7 月のおよそ 3ヶ月と長期間に出産すると血中プロジェステロン濃度が基底値まで低下わたるのに対して，
出産期はおよそ 2 週間と限定される．

し，それに伴って体温も通常の冬眠時の体温（35℃以下）

かつて，のぼりべつクマ牧場（北海道登別市）のヒグマまで下がる（Shimozuru et al., 2013）．

の出産日を調べたところ，1 月 17 日～2 月 5 日の 20 日

出産後は，基本的には，母グマは冬眠を続けながら哺間に 91％のメスが出産していた（Tsubota et al., 1994）．

育を行う．すなわち新生子は覚醒していて乳を吸ってい一方，野生下ではスウェーデンのヒグマの平均出産日はる．実際哺育中のメスの活動量は増大しており，体温も1 月 26 日であったが，43 日ものレンジがあったと報告

少し高めである．また，血中 U/C 比は，活動期のそれよされている（Friebe et al., 2014）．また，クロクマでは，りは低いが，非妊娠メスよりやや高値を示す（図 4）．ク

12 月 下 旬 か ら 2 月 中 旬 ま で の 53 日 間 に み ら れ た

マの乳成分は高脂肪高蛋白で，糖分は少ないことがわ（Bridges et al., 2011）．餌環境が変わらない飼育下では，かっている（Iibuchi et al., 2009）．ただし，クマ特有のオ

妊娠の成立は個体によって時期に差（2ヶ月以上）がある

リゴ糖が見つかっており（Urashima et al., 1997, 1999），

ものの，着床のタイミングがほぼ同じなので胎子発育開これら脂肪とオリゴ糖を使って約 3ヶ月間冬眠穴の中で

178

坪田 敏男

子育てをする．4 月下旬～5 月上旬には，約 10 倍に体重を増やした子グマは母グマについて歩けるまで成長を遂げている．飼育下（のぼりべつクマ牧場）のヒグマでは，
1 日あたりの増体量は個体差が顕著で 0.018～0.130 kg/
日の範囲にあった（Tsubota et al., 1994）．また，ツキノ
ワグマでは一腹産子数が 1 の時の方が 2 の場合より 1 日
あたりの増体量が大きく，およそ 1.65 倍の差があった（Iibuchi et al., 2009）．
冬眠の覚醒を決める要因として気温や残雪量（融解程度）などの環境要因と生物リズムや体脂肪量などの内的要因が関係しているとされるが，内的要因の方が強く作用しているとされる（Evans et al., 2016）．

6. ホッキョクグマは冬眠するのか？
ホッキョクグマは，今から 13 万年ほど前，クマ類の中では最後にヒグマから分枝したとされる（Derocher,2012；坪田・山中，2014）．しかしながら，ヒグマとホッキョクグマとでは食性に大きな違いがある．ヒグマがほぼ草食性（春～夏の草本，秋の堅果・液果など）なのに対して，ホッキョクグマはほぼ肉食性である（坪田・山図 5：地球温暖化の影響を受けているホッキョクグマ（Dr.
Andrew Derocher 写真提供）

﨑，2011）．ホッキョクグマは，冬から春にかけてアザラシ（主にワモンアザラシとアゴヒゲアザラシ）を捕食す

メスのホッキョクグマが妊娠した場合，他のホッキョる（図 5）．海氷をプラットホームとして利用し，呼吸のクグマとは異なるライフサイクルとなる．すなわち，秋ために浮上してくるアザラシを数時間待ち伏せる．まになると氷下の土に穴を掘るか，雪穴を掘るかして，出た，氷上の巣穴に隠れているアザラシの幼獣を狩ること産のために穴の中で過ごす．ホッキョクグマは，11～1もある．捕らえたアザラシを食べるが，肉よりも脂肪を月の間に出産し，ヒグマと同じように引き続き穴の中で好んで食することがわかっている．したがって，ヒグマ哺育をする．この時母グマはヒグマと同じように体温やと違って冬に餌環境が豊富なので冬眠する必要がない．

代謝を下げて冬眠していることがわかっている．その時

実際ホッキョクグマは冬～春の時期，5 日に 1 頭の割合の体温は，ヒグマと同じように活動時の体温から少しだでアザラシを捕食することがわかっている（Derocher,け低下させている．母グマは眠りながら子育てを続け，

2012）．この間に，その後訪れる飢餓期間に備えて大量

3～4 月に穴から出てきて野外での活動を再開する．しの体脂肪を身につける．すなわち，夏場にはアザラシ狩

たがって妊娠メスは通常の夏～秋の飢餓期間（4ヶ月）かりができないこともあって餌が不足することになる．海ら続けて冬眠期間（4ヶ月）として絶食をするので，約鳥や海鳥の卵，さらに海藻や花などの植物まで食して飢8ヶ月間ほとんど餌を食べないで出産と哺育を行うこと

えを凌ぐのである．この時，採食等の活動を続けながらになる．ヒグマやツキノワグマよりさらに厳しい過酷な体の機能を変えている．すなわち，冬眠時のように代謝環境の中で子を育てるのである．このように餌資源の多を低下させてエネルギー消費を節約するのである．この寡に合わせて柔軟に生理機構を調節したり，8ヶ月もの時，実際，血中 U/C 比を測定すると，ヒグマの冬眠時の長期間にわたってほぼ絶食状態を継続したりするホッ

ように，その値が 10 近くまで低下していることがわかっ

キョクグマは環境の変化に敏感な動物ともいえる．近年て い る（Derocher et al., 1990）．こ れ を “歩 く 冬 眠の地球温暖化による海氷の融解は，ホッキョクグマが適（walking hibernation）”と呼び，餌の不足に合わせて可塑応できる以上のスピードで進んでおり，この種の将来は的に代謝機能を調節できる仕組みを有している．このよ

決して明るいものではない．

うにホッキョクグマは最も洗練された生理を獲得したといえる．

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低温科学 81 （2023） 181-189
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 181

クマの冬眠の生理・代謝機構～如何に太り，如何に痩せるか～
下鶴 倫人1)2022 年 12 月 8 日受付，2023 年 1 月 16 日受理

冬眠を行うクマ類は，秋期における飽食期において短期間に体脂肪を蓄積し，冬期は基礎代謝率を低下させることにより 3～7ヶ月にわたる冬眠期を乗り切る．飽食期においては，高栄養の食物を大量に食すだけでなく，肝臓や白色脂肪において効率良く脂肪合成を行うための代謝変化が生じる．一方冬眠に入ると，糖や筋蛋白の異化を抑制しつつ，脂肪を用いて効率良くエネルギー産生を行うよう代謝様式が切り替わる．クマが示す冬眠は，他の小型冬眠性哺乳類と比べ冬眠の形態に大きな違いが存在する．本稿では，飽食期と冬眠期における体温および代謝変化に関するこれまでの知見と，クマを対象とした冬眠研究の人の医療への応用性について概説する．

Physiological and Metabolic Mechanisms of Hibernating Bears- How they gain and how they lose weight
Michito Shimozuru1
Bears experience seasonal changes in body mass: rapid increase during autumnal hyperphagia and decreaseduring winter hibernation. Here, I review the progress research on physiological and metabolic changes that occur inhyperphagia and hibernation period in bears.
キーワード：クマ，飽食期，冬眠，体温，代謝
Bear; Hyperphagia; Hibernation; Body temperature; Metabolism

1. はじめにや外気温などに影響を受ける点において，日和見的冬眠動物（facultative hibernator）と分類されることが多い

クマは冬眠を行う最大の哺乳類である．現存する 8 種（Gonzalez-Bernardo et al., 2020; Krofel et al., 2017）．しのクマ科動物（Ursidae）のうち，ヒグマ（Ursus arctos），

かしながら，夏期に冬眠を模した環境（絶食，低温，恒アメリカクロクマ（Ursus americanus），アジアクロクマ

暗環境への暴露）におかれたクマは冬眠状態にならない（Ursus thibetanus），および出産を控えたメスのホッキョなど（Nelson et al., 1983），内因性の概年リズム依存的にクグマ（Ursus maritimus）が冬眠を行う．ただし，東南

1 年周期で行われる点において，義務的（あるいは季節

アジアなど亜熱帯地方に生息するアジアクロクマや，冬

強依存的）冬眠動物（obligate hibernator）と捉えること

期に餌を与えられている飼育下のクマは冬眠を行わなもできる（Chayama et al., 2016）．クマの冬眠は他の冬い．このようにクマ（本稿ではホッキョクグマを除く上眠性哺乳類と同じく，代謝を下げることにより食物欠乏記 3 種を指す言葉として用いる）の冬眠は，食物の有無期である冬期を乗り切るために進化した適応的生物現象

連絡先
下鶴 倫人
北海道大学大学院獣医学研究院〒060-0818 北海道札幌市北区北 18 条西 9 丁目
Tel. 011-706-7188
e-mail：shimozuru@vetmed.hokudai.ac.jp⚑）北海道大学大学院獣医学研究院〒060-0818 北海道札幌市北区北 18 条西 9 丁目
Faculty of Veterinary Medicine, Hokkaido University,
060-0818, Kita-18, Nishi-9, Kita-ku, Sapporo, Hokkaido,
Japan

182

下鶴 倫人

図 1：夏期から秋期にかけてのヒグマの体型変化．同一個体を 8 月 28 日（a）および 10 月 28 日（b）に撮影したもの．

であるが，1）体温の降下度が小さい（4～7℃）こと（Hissaet al., 1994），2）深冬眠と中途覚醒により構成される「深2．飽食期における代謝変化

冬眠─中途覚醒サイクル」を示さず，ほぼ間断なく眠り

飽食期は，多くのクマ個体群において冬眠前の 9～11

続けること（Tøien et al., 2011），3）完全に意識を失うこ月頃までの期間を指し，栄養価の高い食物資源を大量にとなく，外的刺激を受けるとすぐに反応し動くことがで食し，短期間で体重を急激に増加させる．例えば知床半きること（Hissa et al., 1994; Laske et al., 2011），4）妊娠

島に生息するヒグマ個体群では，8 月終わりからカラフ

したメスは冬眠中に出産し子育てを行うこと

トマス（Oncorhynchus gorbuscha）の遡上が始まると同（Shimozuru et al., 2013）（坪田の稿参照）など，他の小型時に体重が増加傾向に転じ，9 月終わり頃からはミズナ

冬眠性哺乳類と比較して大きく異なる特徴を有していラ（Quercus crispula）堅果などを利用することにより，る．クマは，「脂肪貯蔵型冬眠動物」に分類され，冬眠前

極度の体重増加が見られる（図 1；Shirane et al., 2021）．

に体内に蓄えた皮下脂肪を主なエネルギー源として，摂飼育下のアメリカクロクマでは，通常活動期（5～9 月）

食・飲水，排泄・排尿を行わずに 3～7ヶ月にわたる冬眠において 5,000～8,000 kcal/日であった摂取カロリーが期を乗り切る（Hellgren, 1998; Nelson et al., 1983）．しか15,000～20,000 kcal/日まで増加することが報告されてしながら，冬眠から覚めた後すぐに栄養状態が回復する

いる（Nelson et al., 1983）．特にサケ科魚類を利用する訳ではない．むしろ春期から初夏にかけては高栄養の食ことができる生息地における体重増加は顕著で，アラス物に乏しく，草本類やアリなどの昆虫類を利用しながらカのヒグマ個体群では 1 日の体重増加が 4 kg に達する

飢えを凌ぎ，再び高栄養の食物が利用できる秋の飽食期（Hilderbrand et al., 1999）．こうした飽食期における体（hyperphagia stage）が来るまで痩せ続けるクマ個体群

重増加は，体脂肪（特に皮下に蓄積される白色脂肪）のも存在する（Shirane et al., 2021）．さらに冬眠中に出産増加を反映しており（Nakamura et al., 2008），野生のクしたメスグマにとっては，次の飽食期が来るまで子に栄マの多くは秋の山の実りにより支えられている．例えば

養 を 与 え 続 け ら れ る か 否 か が，子 の 生 死 を 分 け る

日本の本州に生息するツキノワグマ（Ursus thibetanus（Shimozuru et al., 2017）．このため，冬眠前の飽食期にjaponicus）では，ブナやミズナラ，クリの実など，炭水

如何に脂肪を蓄えることができるかは，冬眠中だけでは化物・脂質を豊富に含む堅果類が秋期の主要な食物資源

なく，冬眠後の生存や繁殖の成否に大きな影響を及ぼす．

となっており（Hashimoto, 2002），高栄養の食物が利用

本稿では，1 年の間に急激な体重の増減を経験するクマ可能であることが，短期間で体脂肪を蓄積するための必の生活環における「飽食期」と「冬眠期」に焦点を当て，須条件と言える．しかしながら一方で，冬眠前におけるそれぞれの時期に生じる生理機構の変化についてこれま

体脂肪の増加は単なる過食のみに起因するのではなく，での知見をもとに概説するとともに，クマの冬眠研究が内因性の要因によっても制御されていることが示唆され有する人の医療への応用性について紹介する．

ている（Dark, 2005）．
体脂肪蓄積効率を高める 1 つの要因として，末梢組織におけるインスリン感受性の上昇が挙げられる．加味根ら（2012）は飼育下のツキノワグマを対象とし，通常活クマの冬眠の生理・代謝機構

183

動期である 8 月と飽食期のピークである 11 月上旬に，

きるのか，その機序の解明が今後さらに進めば，人の肥静注糖負荷試験を実施した．この結果，11 月上旬では 8

満に関連した疾病の予防や治療法の開発など医学への応

月に比べインスリンの基礎値や糖負荷後の分泌反応に差用が期待できるであろう．

は認められなかったものの，血中のグルコース濃度の低下が早いことが明らかとなった．同様の変化は，ヒグマにおいても認められており（Rigano et al., 2017），クマは3．冬眠期における代謝変化

飽食期において末梢インスリン感受性を上昇させること

野生下のクマでは 10～12 月頃になると地中に掘ったにより，末梢組織における糖の取り込みを促進している穴や洞穴，樹洞などにおいて冬眠を開始し，基礎代謝率と考えられる．また，インスリンの主要な標的器官であを通常活動期の 25～50％程度まで減少させることにより，脂肪の合成と蓄積に重要な役割を担う肝臓や白色脂り（Tøien et al., 2011），最長で 7ヶ月にもわたる冬の食肪組織におけるエネルギー代謝関連遺伝子の発現の変化

物欠乏期を乗り切る．冬眠期における体重減少は 20～も報告されている．例えば，糖の取り込みに関与するグ40％程度であり，年齢や性別，生息場所により差がある

ルコキナーゼや，脂肪合成に関わる脂肪酸合成酵素

ことが知られている．例えば，スカンジナビア半島に生（FAS）やジアシルグリセロールトランスフェラーゼ 2

息するヒグマにおいてはオスで 26％，メスで 39％であ（DGAT2）の肝臓における発現は，飽食期特異的に増加

り，冬眠中に出産・育子を行うメスにおいてより体重減する（Shimozuru et al., 2012b）．白色脂肪組織において少が顕著である（Swenson et al., 2007）．本章では，冬眠も同様に，FAS や DGAT2 を含む脂肪合成に関与する期に生じる生理・代謝機構の変化について既報の研究を

酵素の遺伝子発現の増加が認められている（Shimozuru

基に概説する．

et al., 2016）．また，Perry ら（2022）は，インスリン感受性の低下に関わる SHC Adaptor Protein 1（SHC1）の遺3.1．心拍数および体温の変化

伝子発現が飽食期特異的に低下することを報告してい小型冬眠性哺乳類では，深冬眠─中途覚醒サイクルのる．いずれの報告においても，給餌量が一定に保たれた発現と消失をもって，冬眠の開始と終了が明確に特定で飼育環境で得られた結果であることから，上記の遺伝子

きるのに対し，クマでは冬眠期前後の心拍数・体温の下発現変化は食物摂取量の増加を伴わなくても生じる内因

降・上昇は緩やかに生じるため，生理指標から冬眠の開性の変化であるといえる．このようにクマは秋期の飽食始と終了を定義することは難しい．野生下のヒグマで期に，末梢組織において高いインスリン感受性を維持しは，活動量および心拍数の低下が，冬眠穴に入る 4 週ほながら，肝臓や白色脂肪組織における糖や脂質の取り込

ど前から始まり，次に体温の低下が 2 週ほど遅れて（冬みを促進し，脂肪合成の活性を高めることにより，効率

眠穴に入る 2 週ほど前から）開始されるが，冬眠穴に入良く体脂肪を蓄積する仕組みを有している．

り不活動状態となった後も心拍数・体温は緩やかに下降

特筆すべきは，クマは短期間に極度の肥満状態となるを続け，最も低値（心拍数：10 bpm 程度，体温：32℃程にも拘わらず，いたって健康であるという点である．例度）に達するまでそれぞれ 3 週および 4 週ほどを必要とえば，空腹時における血中の中性脂肪の濃度は通常，体する（Evans et al., 2016）．逆に冬眠から覚める際には，脂肪量を反映し肥満により上昇するが（Dark, 2005），ク

体温が心拍数の変化よりも先行する．体温の上昇は冬眠

マ で は 飽 食 期 に 上 昇 す る ど こ ろ か，逆 に 低 下 す る

穴を離れる約 2ヶ月前から徐々に始まり，冬眠穴を出る（Kamine et al., 2012; Shimozuru et al., 2012b）．また，体頃にはほぼ活動時と同じ状態（37℃程度）にまで達する．

脂肪率が 40％を上回る飽食期のピークにおいても，肝臓これに対し心拍数の上昇は冬眠穴を離れる 1ヶ月ほど前における異所性の脂肪蓄積は認められず，いわゆる脂肪から始まるものの，冬眠穴を出る時点においても通常活肝を呈することもない（加味根ほか，2010）．このような

動期の半分以下であり，完全に元の状態（60～80 bpm）

飽食期における代謝機能の変化については，肝臓・脂肪に戻るにはさらに 2ヶ月を要する．このため，冬眠の終組織・筋肉など末梢組織において網羅的手法を用いて遺わりにおいては，体温とは無関係に低代謝状態が継続さ

伝子発現やアイソフォームの変化を調べた報告があるもれることが知られている（Tøien et al., 2011）．冬眠中ののの（Jansen et al., 2019; Perry et al., 2022; Rigano et al.,

体温変化の例として，飼育下におけるツキノワグマの皮

2017），冬眠中に生じる変化と比べると軽微であるため

下体温の推移を図 2 に示した．図に示すように，体温のに，十分な注目を得られていないと言わざるを得ない．

降下は最大でも 2℃程度と軽微であり，他のクマ類におクマがなぜ健康を保ちつつ肥満状態を促進することがでける同様の研究においても，体温が 30℃を下回ることは下鶴 倫人184

図 2：ツキノワグマにおける冬眠期の皮下体温の推移．非妊娠個体の 1 例を青で，妊娠個体の 1 例をピンクで示した．妊娠個体は 2 月 6 日（●で示す）に出産を行った．麻酔下での採材を行った後の 5 日間のデータは除外して表示した．
（鈴木，下鶴ら，未発表）ない（Tøien et al., 2015; Tøien et al., 2011）．クマは冬眠うに，体温を一定に保ち続けるのではなく，なぜこのよ

中に体温を 26℃程度まで人為的に低下させると心停止

うな調節を行うのかについては明らかではない．一見すにより死亡することから（Buresh et al., 2010），他の小型

ると，よりエネルギーコストがかかる仕組みのように思冬眠性哺乳類と異なり，組織・細胞レベルで低体温耐性

われるが，冬眠中の生命活動を維持する上でなんらかのを獲得していないことが体温の降下度が低い最大の要因役割を担っている可能性も考えられる．

であると考えられる．一方，妊娠しているメスグマでは，クマの冬眠中の体温調節機構について未だ結論を得て冬眠の開始とほぼ同時期に胚が着床し，分娩に至るまでいない点として，
非ふるえ産熱機構の存在の有無がある．

の 2ヶ月間，38℃前後の高い体温が維持され，分娩を行体温と同時に筋電図をモニタリングした研究においてう直前に体温が降下する（図 2；Shimozuru et al., 2013）．

は，体温の上昇期において筋肉のふるえ（Shivering）が妊娠中は体温だけではなく血糖値も高く維持されており生じていることから，主要な産熱機構はふるえ産熱であ（Shimozuru et al., 2013），胎子の成長に適した体内環境

る と 考 え ら れ て い る（Tøien et al., 2015; Tøien et al.,の維持と，出産後の授乳のために，母グマはより大きな

2011）．このようなふるえは，ほぼ不動化状態である冬負担を強いられることになる（Harlow et al., 2002）．

眠期において筋萎縮を防ぐことに貢献していると考える

クマにおける体温変化の特徴の一つとして，数日から研究者もいる（Tøien et al., 2015）．一方，非ふるえ産熱

数週間単位で体温の軽微な昇降（2～6℃）が繰りかえさ機構の存在については，30 年ほど前に褐色脂肪の存在がれること（multi-day body temperature cycle; Tøien et al.,

報告されたものの（Davis et al., 1990），後にその存在を2015）が挙げられる（図 3）．この現象は，小型冬眠性哺否定する報告が出されたきり（Jones et al., 1999），その乳類の示す深冬眠─中途覚醒サイクルとは性質を異にす

存在を示唆する報告はない．しかしながら，他動物におるものであり，体温上昇時に覚醒するなどの行動変化は

いては褐色脂肪細胞以外における非ふるえ産熱機構の存伴わない．図 3 で示すように，体温が下限近く（34℃前在が明らかになってきており（Bal et al., 2012）（鈴木ら後）に達すると一過性の体温の上昇が生じ，一定値（36℃の稿参照），今後新たな産熱機構の存在が発見される可前後）を上回ると体温が下降に転じる．つまり，下限に能性も残されている．

達すると産熱のスイッチが入り，上限に達するとオフになるような体温制御機構が働いていると推察される．しかしながら，小型冬眠性哺乳類の深冬眠時に見られるよ3.2．エネルギー代謝機構の変化
飼育下ツキノワグマにおける冬眠期における血中代謝クマの冬眠の生理・代謝機構

185

図 3：冬眠期に生じる体温の昇降サイクルの一例．メス 1 個体の 2 月中の皮下体温の推移を示した．（鈴木，下鶴ら，未発表）

関連成分の変化を表 1 に示した．冬眠中一切のエネル
ギー摂取を行わないにもかかわらず，血糖値は通常活動期と変わらず維持される．この仕組みの一つとして，末梢組織における糖の利用抑制がある．例として，白色脂肪や筋肉においてインスリン依存性の糖の取り込みに関

表 1：飼育下のツキノワグマにおける活動期（6～7 月；20 頭）
および冬眠期（2 月；25 頭）の血液生化学値（平均±標準誤
差）
．
活動期

冬眠期

グルコース（mmol/L）

5.0±0.2

4.5±0.2

中性脂肪（mmol/L）

4.1±0.2

8.5±0.5

与するグルコーストランスポーター 4 や，肝臓や白色脂コレステロール（mmol/L)

7.7±0.2

9.4±0.3

肪組織における解糖系に関わるヘキソキナーゼの遺伝子

遊離脂肪酸（mmol/L）

0.28±0.06

0.76±0.09

発現が減少することが，ツキノワグマ（Shimozuru et al.,

グリセロール（μmol/L）

76.0±11.2

146.6±16.0

総ケトン体（μmol/L）

37.6±6.9

664.3±79.6

2012a; Shimozuru et al., 2016）およびヒグマ（Jansen etal., 2019）において報告されている．また一方で，肝臓における糖新生に関わるピルビン酸カルボキシラーゼなどの遺伝子発現の上昇も報告されており（Jansen et al.,2019; Shimozuru et al., 2012a），こうした機構により血糖

尿素窒素（mmol/L）

3.1±0.2

1.7±0.2

クレアチニン（mmol/L）

0.14±0.01

0.21±0.01

総タンパク（g/L）

67.0±1.579.6±1.2

全ての測定項目において活動期と冬眠期との間に有意差（P＜0.001）が認められた．

値が一定に保たれているものと考えられる．糖新生の主な基質は，脂質の異化により生じるグリセロールであり，アラニンなど糖原生アミノ酸を用いた糖新生を抑制する

ス）を引き起こすレベル（＞ 3.0 mM；Laffel, 1999）に比ことで冬眠中の筋萎縮を防ぐことに貢献していると考え

べて軽度である（表 1）．このことからも，脳など他の組られている（Shimozuru et al., 2012a）．糖は主として脳織がケトン体を代替エネルギーとして利用するよう代謝におけるエネルギー源として利用されると考えられていを変化させることで，糖の損失を防いでいる可能性が考るものの（Rigano et al., 2017），直接的にそれを証明した

えられる．

研究は今の所ない．冬眠中のジリスの脳では，中途覚醒

冬眠期における主要なエネルギー源は，皮下に蓄積し時のエネルギー源としてケトン体を選択的に利用していた体脂肪を分解して得られる脂肪酸である．このことるという報告もある（Andrews et al., 2009）．冬眠中ヒは，通常活動期において 0.78 程度であった呼吸商が，冬グマの血中ケトン体は，通常活動期と比べ大幅に上昇す

眠期に 0.69～0.73（Ahlquist et al., 1984; Fedorov et al.,

るものの，人において重篤な代謝障害（ケトアシドーシ

2009）と脂質のみを利用した際の理論値である 0.71 と

186

下鶴 倫人

ほぼ同じ値を示すことからも明らかである．飽食期にお（Sommer et al., 2016），尿素リサイクル機構の存在を示

い て 肝 臓 や 脂 肪 で 発 現 の 増 加 が 見 ら れ た FAS や

唆する結果は得られていない．この機序が解明されれ

DGAT2 といった脂肪合成酵素の発現は冬眠期に入るとば，人における腎疾患の治療法の開発など，医療への応減少に転じ，代わりにミトコンドリアにおける脂肪酸の用が期待できるであろう．

β酸化を促進するカルニチンパルミトイルトランスフェ
ラーゼの遺伝子発現が白色脂肪や筋肉で増加する（Jansen et al., 2019; Shimozuru et al., 2016）．このように

4．おわりに飽食期から冬眠開始までのわずかな期間の間に，脂質同クマの冬眠に関する研究は，もともとクマの生物学を化モードから異化モードへと代謝機構のリモデリングが専門にする研究者を中心に発展してきたが，2010 年代に生じる．また，脂肪を分解した際に生じる代謝水は，冬入ると医師や微生物学者など，幅広い専門性を有する研

眠中に摂水を行わなくても生存することを可能にさせて究者が参画することにより，大きく発展してきている分いる．しかしながら，血中の総蛋白質やアルブミン濃度野である．特に近年では，医学的見地からクマの冬眠のは冬眠中に増加するため，軽度の脱水状態にあるといえ特異性が広く注目を集めている（von Linde et al., 2015）．

る（Græsli et al., 2015; Stenvinkel et al., 2013）．

上述した点以外にも，長期の不動化状態にもかかわらず，

クマの冬眠において驚くべき点の一つは，一切の排尿

なぜ骨粗鬆症が生じないのか？（Donahue et al., 2021;

を行わないのにもかかわらず，血中の尿素が増加しない

Nasoori et al., 2020），コレステロールなど血中の脂質成どころか，逆に減少するということであろう．尿素分解

分が高濃度にもかかわらず，なぜアテローム性動脈硬化

酵素を持たない哺乳類は，尿として排泄すること以外に症や血栓症が生じないのか？（Giroud et al., 2021; Samal

調節する術をもたない．人であれば腎機能障害などの要et al., 2021），長期の徐脈状態にもかかわらず，なぜ心室因で尿素の体外への排泄が滞ると高窒素血症となり，尿拡 張 な ど の 循 環 器 障 害 が 生 じ な い の か？（Nelson &毒症を呈し死に至る可能性がある．過去に行われた研究

Robbins, 2010; Nelson et al., 2008），といった視点から，では，夏場において絶食・絶水状態におかれたクマは脱近年様々な研究が行われてきている．クマの冬眠は他の水と高窒素血症を示したことから（Nelson et al., 1975），小型冬眠性哺乳類と異なり，組織・細胞レベルでの低温

この能力は冬眠期特異的に発揮されるものである．クマ耐性の上に成り立っている仕組みではないという点におにおいて血中尿素窒素を低く保つことができる要因としいて，より人に近い動物モデルと捉えることが可能であては，筋蛋白の分解が低く抑えられることが挙げられる

り，人の医療への貢献が期待できる．一方で，生体を用（Tinker et al., 1998）．クマでは長期の不動化状態にもかいた研究には供試できる動物の数や実施可能な環境に限かわらず，筋肉の廃用性萎縮は生じず，冬眠期を通してりがあることや，ゲノム編集など遺伝子工学技術を用い

わずか 23％しか筋力が低下しない（Harlow et al., 2001）．

た実験操作を行うことができないなど，研究には大きな

この仕組みについては本号掲載の宮崎氏による解説に詳制約が存在する．このため今後は，in vitro 実験を併用

しく記載されているので，ご一読頂きたい．また一方で，した研究が主流となっていくであろう（Saxton et al.,

肝臓における尿素サイクルに関わる酵素群の遺伝子発現

2022）．長い進化の時を経てクマが獲得してきた独特なが低下することが明らかとなっており（Jansen et al.,

冬眠の謎に人類がどれだけ迫れるのか，今後の研究の発2019），尿素そのものの生成も抑制されていると考えら展に期待したい．

れる．しかしながら，いずれの事象もなぜ尿素が“低下”するのかを説明するに十分とはいえない．この機序に関しては，腸管内に排出した尿素を，尿素分解酵素を有す
る腸内細菌がアンモニアへと変換し，それをクマが腸管から再吸収することでアミノ酸の再合成を行っているのではないかという「尿素リサイクル仮説」が古くから提唱されてきた（Nelson et al., 1975）．実際，近年になり冬
眠中のジュウサンセンジリス（Ictidomys tridecemlineatus）においてこの機構が存在することが証明されている（Regan et al., 2022）．しかしながらクマにおいては，
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ツキノワグマにおける冬眠期の筋肉量維持機構の探索
宮﨑 充功1)2022 年 12 月 6 日受付，2022 年 12 月 28 日受理

身体活動量低下に伴う筋肉量減少は，ヒトにおいては不可避の生理応答現象であり，最終的に運動機能や QOL の大幅な低下をもたらす．一方クマ類をはじめとする冬眠哺乳動物には，長期間の不活
動・栄養不良を経験しても筋肉量や発揮筋力が極めて良く保存される，骨格筋萎縮耐性ともいえる未解明の生理機能が存在する．本稿では大型冬眠哺乳動物であるツキノワグマを対象とした検討をもとに，冬眠に伴う骨格筋タンパク質代謝制御機構の変化について概説する．冬眠哺乳動物がどのような適応機構を用いて骨格筋萎縮耐性を獲得するのかを解明することで，サルコペニア予防や寝たきり防止などヒトの健康寿命延伸に繋がる魅力的な戦略を提供することができる．

Regulation of Muscle Mass Maintenance During Hibernationin the Asiatic Black Bears
Mitsunori Miyazaki1
Hibernating bears experience prolonged periods of torpor and starvation during winter for up to 5-7 months.
Though physical inactivity and malnutrition generally lead to profound loss of muscle mass and metabolic dysfunction
in humans, hibernating bears show limited muscle atrophy and can successfully maintain locomotive function. Thesephysiological features in bears allow us to hypothesize that hibernating bears uniquely alter the regulation of protein
and energy metabolism in skeletal muscle which then contributes to “muscle atrophy resistance” against continued
physical inactivity. This review provides an overview of the alterations in the regulatory system of skeletal muscle
protein metabolism during hibernation in the Asiatic black bears.
キーワード：ツキノワグマ，骨格筋，タンパク質合成，タンパク質分解，エネルギー代謝
Asiatic Black Bears, Skeletal Muscle, Protein Synthesis, Protein Degradation, Energy Metabolism

1．身体活動レベルと骨格筋量の変化など，ヒトの身体機能を制御する最も重要な組織の 1 つである（Janssen et al., 2000）．骨格筋は，運動・トレーニ

1.1 ─ Use It or Lose It ─ 筋肉は使わないと衰えるングなどで使えば使うほど強く・大きくなり（骨格筋肥

骨格筋（身体運動を行うための横紋筋）はヒト身体重大），一方で怪我や疾患，または重力負荷の減少（宇宙滞

量の約 40％程度を占め，立つ・歩くといった身体運動に在など）の影響により不活動状態に陥ると弱く・小さく必要なパワーの発揮のみならず，エネルギー代謝や熱産衰えていき（骨格筋萎縮），その後の身体機能の回復や生，また近年では内分泌器官としての関与も報告される

QOL の維持に大きな影響をおよぼす（Miyazaki & Esser,

連絡先
宮﨑 充功
広島大学大学院医系科学研究科生理機能情報科学〒734-8553 広島市南区霞一丁目 2 番 3 号
Tel. ＋81-82-257-5435
e-mail：mmiya4@hiroshima-u.ac.jp⚑）広島大学大学院医系科学研究科生理機能情報科学〒734-8553 広島市南区霞一丁目 2 番 3 号
Department of Integrative Physiology, Graduate School of
Biomedical and Health Sciences, Hiroshima University
1-2-3 Kasumi, Minami-Ku, Hiroshima, 734-8553 JAPAN

宮﨑 充功192

図 1：動物種による冬眠形態の特徴

2009; Sartori et al., 2021）．
「筋肉量が減少し，筋力や身筋の場合，ベッドレストや関節固定などの不活動状態に体機能が低下している状態」をサルコペニアといい，加陥ると筋タンパク質量や筋線維サイズは 1 日あたり

齢や不活動，内分泌系因子の変化，骨格筋幹細胞数の減

0.5-1.0％程度の割合で減少し，サルコペニアの進行が少や活性化不全など様々な要因が複合的に関与すること加速される（de Boer et al., 2007; Rennie et al., 2010）．しにより引き起こされる（加齢による筋肉量減少は一次性かし冬眠哺乳動物の場合，骨格筋の大きさや発揮される

サルコペニア，加齢以外が原因となる筋肉量減少は二次

筋力が冬眠前後で全く変化しない（Andres-Mateos et al.,性 サ ル コ ペ ニ ア に 分 類 さ れ る）
（Cruz-Jentoft et al.,2013）
，または一定程度は減少するがヒトに比較して非2019）．サルコペニアは高齢者の転倒や寝たきりリスク

常に軽微である（Harlow et al., 2001）という，筋肉の衰となるだけでなく，各種疾患への罹患率上昇や生命予後えを防ぐことができる骨格筋萎縮耐性ともいえる未解明

不良，QOL 低下に直結するため，サルコペニアの発症予の生理機能が存在する．

防方法や効果的なリハビリテーション手法を開発するこ

リスやハムスターなどの小型動物では，冬眠中は体温とは，ヒトの健康寿命を延伸する上で極めて重要な課題のセットポイントを環境温と同程度に低下させ，全身のといえる．現在のところ，最も効果的なサルコペニアのエネルギー代謝を一時的に減少させる．また数日間隔で防止・改善方法は身体運動（いわゆる筋トレやリハビリ

中途覚醒・復温を繰り返し，摂食・摂水・排泄を行いなテーション）であるが（Cruz-Jentoft & Sayer, 2019），怪がら冬眠期間を乗り越える（Andres-Mateos et al., 2013;

我や疾患の影響により身体運動自体が困難である場合

Buck & Barnes, 1999）（図 1）．小型冬眠哺乳動物であるや，フレイル（虚弱）を呈する高齢者など一定強度以上

ジュウサンセンジリスを用いた先行研究では，活動期との身体運動が負荷できない場合，または安静が必要で身冬眠期の骨格筋形態を比較したところ，骨格筋線維サイ体運動が禁忌である場合など，不活動による身体の衰え

ズや筋線維タイプに差異は全く認められていない（廃用症候群）が避けられない場面も臨床的には多く存（Andres-Mateos et al., 2013）．一方クマなどの大型動物在する．

の場合，冬眠中は基本的に中途覚醒しない，体温低下が比較的軽微（夏期：37-38℃，冬期：30-35℃），摂食・摂1.2 ─ No Use but No Lose ─ 使わなくても衰えない冬眠哺乳動物の筋肉

水・排泄を一切しないといった特徴を示す（Toien et al.,2011）
．冬眠前後においてアメリカクロクマの発揮筋力動物にとって「冬眠」は，食物不足や低温といった冬（電気刺激に伴う関節トルクを測定）を測定した場合，一期環境を生き抜くための生存戦略である．大変興味深い

定程度（20％程度の減少）の筋力低下は認められるもの

ことに，クマやリスなどの冬眠哺乳動物は，半年間におの，その減少割合がヒト骨格筋に比較して非常に軽微でよぶ長期の不活動・栄養不良を経験するにも関わらずあることが報告されている（Harlow et al., 2001）．ツキ

様々な身体機能を維持することができる，“使わなくてノワグマ骨格筋を対象に骨格筋線維サイズを測定したも衰えない身体”という特性を有している（Gonzalez-

我々の報告においても，冬眠前後（冬眠前：11 月下旬，

Bernardo et al., 2020; Ivakine & Cohn, 2014）．ヒト骨格

冬眠後：4 月中旬，同一個体間の比較ではない点に注意）

冬眠哺乳動物の筋肉量維持機構

193を比較した場合に筋線維サイズの減少を認めているが，析を行った研究では，冬眠に伴い骨格筋における脂質酸

先行研究と同様に軽微な筋肉量減少にとどまっていた

化レベルが抑制される一方で，解糖系による代謝レベル（Miyazaki et al., 2019）．一方でたとえ冬眠哺乳動物では冬眠期でも比較的維持されることが報告されているあっても，夏季に筋活動量が制限されると骨格筋量は大（Chazarin et al., 2019）．

きく減少することが報告されている（Lin et al., 2012）．
ヒグマの下腿を支配する末梢運動神経（総腓骨神経）を外科的に切断した場合，夏季活動期では筋肉量が大きく減少する（11 週間で 58-61％の筋横断面積減少）が，冬

2.2 冬眠に伴うツキノワグマ骨格筋のタンパク質代謝制御機構の変化
2.2.1 冬眠中のツキノワグマ骨格筋は衰えていない

眠期ではその減少割合が極めて低くなっていた（除神経我々はツキノワグマ骨格筋を対象に，筋タンパク質合をしても筋肉量の減少は 18-25％に留まる）．つまり冬成および分解を制御する細胞内シグナル伝達機構につい眠哺乳動物における骨格筋萎縮耐性とは，リスやクマなて詳細な検討を行っている．この検討には，クマ飼育にど特定の生物種のみが生得的に常時有する生命機能では特化した専用施設（北秋田市クマクマ園）にて管理・飼なく，冬眠に伴い誘導される何らかの生理学的応答の結養されているツキノワグマを用いているため，捕獲され果もたらされる適応機構だと考えられる．

た野生動物を用いた研究に伴う諸問題（飼育環境や栄養状態，介入のタイミング，同一個体からの複数サンプリ

2．冬眠に伴うクマ骨格筋のタンパク質代謝とエネルギー代謝の調節
2.1 筋肉量の規定因子としてのタンパク質代謝

ングの困難性など）の多くを排除することが可能となった．冬眠期（2 月下旬）ツキノワグマの片脚から大腿四頭筋を採取し，活動期（7 月中旬）に同一個体の対側脚から採取した筋肉との比較分析を行ったところ，体重や骨骨格筋は終末分化した多核細胞である骨格筋線維の集

格筋線維サイズ，遅筋・速筋線維のタイプ割合などに全合体であり，骨格筋量の増加（筋肥大）や減少（筋萎縮）

く 変 化 は 認 め ら れ な か っ た（Miyazaki, Shimozuru,

といった組織全体の量的変化は，筋細胞内におけるタン

Kitaoka, et al., 2022）．骨格筋を採取した活動期（7 月）

パク質の合成および分解の代謝バランスの総和によっておよび冬眠期（2 月）は，それぞれツキノワグマの体重の規定される．つまり骨格筋量を維持するためには，「筋増加期および減少期に相当するため単純な比較は難しい

細胞内のタンパク質合成と分解が平衡な状態」を保つこが（Hashimoto & Yasutake, 1999），少なくともこの 2 点とが必要となってくる．冬眠哺乳動物の骨格筋では，冬間を比較した場合，冬眠期のツキノワグマ骨格筋は活動

眠期の筋タンパク質ターンオーバー率は夏季活動期に比期と比べて廃用性変化（骨格筋線維サイズ減少や速筋へ較して相対的に低下しており，この筋タンパク質代謝レの線維タイプ移行）を全く示していない（図 2）．

ベルの減少が筋肉量維持に貢献しているものと考えられている（Bertile et al., 2021）．放射性同位元素を用いた

2.2.2 タンパク質合成制御系の変化

トレーサー法でアメリカクロクマの筋タンパク質代謝を骨格筋を含む様々な組織において，タンパク質合成を直接的に測定した先行研究では，冬眠中のクマ骨格筋で正に制御する分子機構として，セリン / スレオニンキ

は，タンパク質合成効率および分解効率ともに夏季活動

ナーゼである mTOR（mechanistic target of rapamycin）

期に比較して顕著に抑制されるものの，両者は平衡状態を中心とした細胞内シグナル伝達系の関与が示されていを保ち，全体の総和として筋肉量の維持に貢献すること

る．mTOR は，その他の機能タンパク質と共に複合体が示されている（Lohuis et al., 2007）．現在のところ，クを形成して種々の細胞内機能を調節するが，このうち

マ骨格筋に限定した場合，冬眠に伴う筋タンパク質代謝

mTORC1 複合体はリボソームにおける mRNA からタ制御機構の適応変化について検討した例は多くない．いンパク質への翻訳開始や伸長を制御する 4EBP-1（eu-

くつかの先行研究では，冬眠中のアメリカクロクマ

karyotic initiation factor 4E (eIF4E) binding protein-1）や（Fedorov et al., 2009）やハイイログマ（Jansen et al.,

S6K1（p70 ribosomal S6 kinase 1）などの機能分子をリン2019）の骨格筋では，タンパク質の生合成やリボソーム

酸化することで，細胞内におけるタンパク質合成を促進

新生に関与する遺伝子群が発現上昇すること，タンパクしている．冬眠期のツキノワグマ骨格筋が筋肉量減少や質分解や筋萎縮に関与する遺伝子群の発現が抑制される

筋線維タイプ移行といった廃用性変化を示していなかっ可能性などが骨格筋遺伝子発現の網羅的解析により示さたことから，mTORC1 を中心とするシグナル伝達系のれている．またヒグマ骨格筋を対象にプロテオミクス解

適応変化についても検討した．その結果，mTORC1 の

194

宮﨑 充功

図 2：活動期／冬眠期におけるツキノワグマの体重および骨格筋組織の形態特性．A）体重，B）筋線維横断面の免疫組織染色像（赤色；遅筋線維，黒色；速筋線維，緑色；ジストロフィン），C）筋線維横断面積，D）筋線維の短径，E）遅筋線維の比率，活動期（Act）と冬眠期（Hib）を比較した場合，体重（A）や筋線維の大きさ（B，C，D），筋線維タイプの比率（E）などに全く変化が認められない．
（Miyazaki, Shimozuru, Kitaoka, et al., 2022）より一部改変．

図 3：骨格筋タンパク質合成を制御するシグナル伝達系の活性化状態の変化．A-D）mTOR 経路の下流に存在する ribosomal
protein S6 のリン酸化および総タンパク質量の変化，E-G）ERK1/2 のリン酸化および総タンパク質量の変化，それぞれのシグナ
ル伝達系の活性化状態を示すリン酸化タンパク質量が，活動期（Act）に比較し，冬眠期（Hib）の骨格筋において顕著に減少する．
（Miyazaki, Shimozuru, Kitaoka, et al., 2022）より一部改変．

機能的活性を示す指標となる下流因子の S6K1 や rpS6

ス依存性に活性化されるため（Miyazaki et al., 2011），のリン酸化状態が，冬眠期のツキノワグマ骨格筋におい

MEK/ERK 経路のリン酸化状態の低下は，冬眠期間中て顕著に抑制されていた（Miyazaki, Shimozuru, Kitaoka,の筋肉の活動性低下や力学的負荷量の減少を反映していet al., 2022）（図 3）．また細胞内タンパク質合成系の主ると考えることができる．

要 な 制 御 シ グ ナ ル で あ る Akt/GSK3（glycogen synthase kinase 3）経路や，mTORC1 依存性／非依存性経

2.2.3 タンパク質分解制御系の変化

路への入力を介して筋タンパク質合成を正に制御する

骨格筋タンパク質の主要な分解経路としては，ユビキ

MEK（mitogen-activated protein kinase kinase）/ ERK

チン-プロテアソーム系およびオートファジー-リソソー（extracellular signal-regulated kinase）経路も，冬眠期ツム系を介した制御系の関与が示されている（Sartori et

キノワグマ骨格筋において顕著なリン酸化状態の低下がal., 2021）．ユビキチン-プロテアソーム系では，タンパ認められている．MEK/ERK 依存性のシグナル入力は，ク質に付加されたユビキチン鎖をプロテアソームが認識

様々な種類の細胞において細胞増殖や成長，分化といっ

し，ATP 依存性かつ選択的に標的タンパク質を分解す

た多種多様な細胞プロセスに関与する情報伝達系としてる．特に骨格筋萎縮（muscle atrophy）の際には，筋特知られる．特に骨格筋では，筋肉の収縮活動や機械的刺異的に発現する E3 ユビキチンリガーゼである Atrogin1

激（張力発揮やストレッチなど）などメカニカルストレ

や MuRF1（muscle RING finger protein 1）といった因子

冬眠哺乳動物の筋肉量維持機構

195

図 4：骨格筋タンパク質分解系制御因子の遺伝子発現変化．Ub-Proteasome 系に含まれる Atrogin1（B）や Murf1（C），オートファジー系に関与する各因子（D-F）の遺伝子発現量は，いずれの指標も活動期（Act）に比較し，冬眠期（Hib）の骨格筋において顕著に抑制される．骨格筋量の負の制御因子である Mstn（A）の遺伝子発現量については，有意な変化は観察されていない．（Miyazaki, Shimozuru, Kitaoka,
et al., 2022）より一部改変．

の発現量が増加して筋タンパク質分解を促進することから，こ れ ら の 因 子 は Atrogenes な ど と も 呼 ば れ る

2.3 冬眠に伴うツキノワグマ骨格筋のエネルギー代謝
系の変化（Bodine et al., 2001）．一方オートファジー系では，オー

細胞内エネルギーセンサーとして知られる 5ʼ-AMP-

トファゴソームという隔離膜で囲まれた細胞質空間を丸

activated protein kinase（AMPK）は，ATP 加水分解にごと消化するため，選択的なタンパク質分解機構である伴う AMP/ATP 比の上昇により活性化され，ATP 利用

ユビキチン-プロテアソーム系に対して，タンパク質のによる細胞内の同化プロセスを抑制し，また ATP 生成

バルク分解系とも呼ばれる．骨格筋においては，栄養不のための異化経路を促進することでエネルギー恒常性を良や飢餓状態，筋変性疾患などで活性化されることが示維持する役割を担う．骨格筋においては，AMPK の活されている（Milan et al., 2015）．冬眠期のツキノワグマ

性化がグルコース取り込みや脂肪酸 酸化を促進するこ骨 格 筋 に お い て，ユ ビ キ チ ン-プ ロ テ ア ソ ー ム 系とが示されている．冬眠は長期間の絶食を伴うことか（Atrogin1 および Murf1 遺伝子発現量）およびオート

ら，細胞内エネルギー欠乏による AMP/ATP 比の相対

ファジー-リソソーム系に関与する各因子（Atg7，Beclin

的上昇が AMPK 活性化を引き起こすのではないかと

1 および Map1lc3）の遺伝子発現量を測定したところ，

我々は当初予想していた．しかしながら冬眠期ツキノワ

活動期に比較して，いずれのタンパク質分解系に関与す

グマ骨格筋では，活動期に比較して AMPK のリン酸化

る因子も遺伝子発現量が顕著に減少していた（Miyazaki,

および総タンパク質発現が有意に抑制されていた

Shimozuru, Kitaoka, et al., 2022）（図 4）．これらの結果（Miyazaki, Shimozuru, Kitaoka, et al., 2022）．これはおから，ツキノワグマ骨格筋では冬眠中にユビキチン-プ

そらく，冬眠期の骨格筋では ATP の加水分解が活発に

ロテアソーム系およびオートファジー-リソソーム系依行われず，AMP/ATP 比の相対的低下が誘導されてい存性のタンパク質分解経路が不活性状態にあることが推るのであろう．実際に，ATP 産生が行われるミトコン測される．今後は筋タンパク質のユビキチン化やプロテドリアの関連制御因子のうち，脂肪酸 酸化の律速酵素

アソーム活性の変化，オートファゴソーム形成など，実で あ る carnitine palmitoyltransferase 1b（Cpt1 ）や際のタンパク質分解効率が冬眠に伴いどの様に制御されTCA 回路の第一段階を触媒する酵素であるクエン酸合ているのかを明らかにする必要がある．また骨格筋量の成酵素（CS; citrate synthase），電子伝達系の制御因子の負の制御因子として知られ，冬眠中に発現上昇する可能一つである cytochrome c（Cycs），ミトコンドリア新生性が示唆されているミオスタチンの遺伝子発現量についの 制 御 因 子 と し て 知 ら れ る peroxisome proliferator-ては，活動期・冬眠期の比較において有意な変化は観察

activated receptor gamma coactivator 1 beta（Pgc1 ）な

されていない．

どの遺伝子発現量や酵素活性（CS 活性）が冬眠期クマ骨

196

宮﨑 充功

格筋において有意に抑制されていた．
2.4 冬眠期のツキノワグマ骨格筋は省エネモード

4．今後の展開
ヒトの場合，持続的な体温低下は全身臓器の機能不全

このように冬眠期のクマ骨格筋では，「タンパク質を（深部体温が 32-28℃を下回ると昏睡・徐脈・徐呼吸が出作る」「タンパク質を壊す」というタンパク質代謝の調節

現，25-20℃を下回ると心停止）を引き起こし，生命活動系の両者を抑制することで，総和として筋肉という組織を維持できなくなる．一方でフトオコビトキツネザルやのタンパク質含量を維持することにより，筋肉の衰えをピグミースローロリスなど，冬眠する霊長類も存在する

防止している様である．さらには，酸素を使いながら脂（Dausmann et al., 2004; Ruf et al., 2015）．科学的には未質・糖質からエネルギーを取り出す有酸素系エネルギー

検証だが，遭難事故から 24 日ぶりに発見された日本人

代謝を調節する各制御系も，活動期に比較して大きく抑男性（発見時直腸温 22℃，病院搬送後に心停止，発見ま制されることが明らかとなった．以上の適応変化は，長で意識消失状態で摂食・摂水をしていない）の生還例も期の絶食を伴う冬眠期において筋肉を「省エネモード」

興味深い（2007 年 1 月 24 日付 毎日新聞）．最近では，に変化させることで，体内に蓄えられた脂質やタンパク

Q 神経という視床下部神経細胞群の選択的刺激により，質といった有限であるエネルギー源の無駄使いを防ぎ，

非冬眠哺乳動物であるマウスが冬眠様状態（数日間持続冬季環境を生き抜くための適応戦略であろうと考えるこ

す る 低 体 温・低 代 謝）を 示 す こ と も 報 告 さ れ たとができる．

（Takahashi et al., 2020）（小野の稿参照）．スイッチさえ入れることができれば，ヒトでも冬眠（能動的な低代謝

3．冬眠哺乳動物の骨格筋萎縮耐性を誘導する因子は？

状態を継続しながらの生命維持）に類似した生理状態を達成できるかもしれない．
冬眠哺乳動物は，生命維持のために一定程度のエネル

現在のところ，使わないと衰えるという廃用性骨格筋

ギー代謝を維持しながら長期間の不活動・栄養不良を経萎縮の一次的な誘導要因は，筋タンパク質分解系（特に験し，それでもなお筋肉がほとんど衰えないという，不ユビキチン-プロテアソーム系依存性のタンパク質分解

思議な形質を備えている．冬眠期のクマ骨格筋では，筋経路）の活性化によるものであると考えられている．こ

肉を「省エネモード」に変化させることで筋タンパク質の点からも，冬眠期の骨格筋においてタンパク質分解系

代謝を下げ（合成も分解もどちらも下げる），結果としての制御機構が抑制されることは，不活動状態が継続して筋肉量を維持させている様である．しかしながら，このも筋肉量が減少しないという冬眠哺乳動物の特徴を説明

冬眠という省エネモードのスイッチが何なのか，その特する上で非常に合理的な適応であるといえる．しかしな

定には現在も至っていない．この因子の特定を含め，冬がら個体全体の適応として，この筋タンパク質分解系の眠哺乳動物が有する「使わなくても衰えない筋肉」とい

抑制が何をトリガーとして誘導されているのか，現在もう未解明の仕組みを明らかにすることで，最終的にはヒ全くわかっていない．いくつかの先行研究では，冬眠期

トの寝たきり防止や効果的なリハビリテーション手法ののクマ血清をラット筋組織（ex vivo）やヒト骨格筋由来開発などが期待される．

筋管細胞（in vitro）の培地中に添加することで筋タンパ
ク質分解が抑制され，筋タンパク質総量の増加に寄与することが示されている（Chanon et al., 2018; Fuster et al.,2007; Miyazaki, Shimozuru, & Tsubota, 2022）．一方で冬
眠中のクマ骨格筋は，神経支配が失われた状態（除神経）でも骨格筋量維持に成功していることから，末梢組織である骨格筋への神経支配は筋量の維持に不可欠な要因ではないことが推察される（Lin et al., 2012）．従って，冬眠に伴い分泌される（もしくは分泌抑制される）体液性・全身性の生理活性物質が存在すること，さらにはその生
理活性物質が筋タンパク質の分解抑制に関与している可能性が非常に高い．

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低温科学 81 （2023） 199-205
doi: 10.14943/lowtemsci. 81. 199

世界最寒冷地に生息するサル類・上高地のニホンザル群で進化した水生昆虫や魚類の捕食行動
東城 幸治1，2），竹中 將起1，2）2022 年 12 月 8 日受付，2023 年 1 月 5 日受理

サル類は熱帯や亜熱帯を中心に分布し，下北半島のニホンザル集団が「北限のサル」である．気温的には中部山岳域（上高地・志賀高原など）が世界最寒の生息域で，上高地には 4 群約 200 頭のニホンザルが生息する．このうち 3 群に属する複数個体が，厳冬季に水生昆虫類やイワナ類を捕食していることが究明された．サル類一般に，水を苦手とすることから，世界的な「サル類の行動・生態学」の観点からは驚愕的な行動といえる．本稿では，メディアとの連携により撮影された動画の分析から，餌資源の乏しい厳冬季に，水温の高い湧水を含む緩流条件下で，まず水草食が進化し，次いで水生昆虫食を介して魚食行動が進化したとするシナリオを提唱する．

Monkeys in the worldʼs coldest region - Predatory behavior of aquatic insects
and fish evolved in the Japanese macaque group in the Kamikochi region
Koji Tojo1 and Masaki Takenaka2
Monkeys, which are mainly distributed in the tropics and subtropics, do not prefer cold environments, andJapanese macaques inhabiting the Shimokita Peninsula in the Japanese Archipelago are considered to be at the“Northern limit of monkeys”. Monkeys inhabiting the alpine and sub-alpine zones of the central mountainous region ofJapan, where the temperature is lower than that of the Shimokita Peninsula, are considered to be inhabiting the coldest
environments for primates in the world, the Kamikochi area being such location. About 200 Japanese macaques inhabit
the Kamikochi area, and consisting of four troupes currently. Among them, it was found that at least some individuals
belonging to three of the troupes prey on aquatic insects and char fish during the severe winter. Since it is also wellknown that monkeys generally dislike water, this is a startling behavior from the viewpoint of the global “ethology andecology of monkeys”. Herein, we review the process leading up to clarifying the fishing behavior of Japanese macaquesin the Kamikochi area, and the results of analyzing video images obtained by introducing a large number of automatic
filming systems in cooperation with a major professional media organization. In addition, we propose a scenario
whereby during severe winters when food resources are scarce under relatively mild water conditions due tomoderate temperature water flows from underground springs, herbivorous behavior evolved first, and subsequently
evolved to diet for aquatic insects, and further adapting the fishing.
キーワード：ニホンザル，越冬戦略，食性，魚食，DNA メタバーコーディング
Japanese macaque, wintering, diet, fishing, DNA metabarcoding

連絡先
東城 幸治
信州大学 学術研究院 理学系〒390-8621 長野県松本市旭 3-1-1
Tel. 0263-37-3341
e-mail：ktojo@shinshu-u.ac.jp⚑）長野県松本市旭 3-1-1 信州大学学術研究院理学系

Biology Department, Faculty of Science, Shinshu
University, Asahi 3-1-1, Matsumoto, Nagano 390-8621⚒）長野県松本市旭 3-1-1 信州大学山岳科学研究所
Institute of Mountain Science, Shinshu University, Asahi
3-1-1, Matsumoto, Nagano 390-8621

東城 幸治，竹中 將起200

図 1：上高地でのニホンザル調査・研究サイトと撮影された水生昆虫食・魚食の画像．

図 2：上高地（明神地区）における冬季 3 シーズンを含む気温変化（2016 年 10 月 1 日から 2019 年 5 月 31 日）．毎日の最高気温・最低気温・平均気温のグラフ（信州山の環境科学センターによる計測データ）．

1. はじめにする東北地方の北部集団よりも，より低い気温の環境下で生息している．すなわち，上高地や志賀高原の亜高山

ヒト Homo sapiens を除く霊長類（いわゆるサル類）

帯で越冬しているニホンザル集団が世界最寒地に生息す

は熱帯や亜熱帯を分布の中心とする．多くのサル類は低るサル類となる．サル類の分布域や集団サイズを規定す

温環境にはほとんど生息しておらず，本州中北部に生息るものとして「越冬戦略」は最重要事項であり，越冬でするニホンザル Macaca fuscata は例外的な存在であり，きるか否かは集団維持の可否に直接関与する．

下北半島に生息するニホンザル集団が「北限のサル」と本研究で注目する上高地は，厳冬季には気温が－20℃される．ただし，中部山岳の高山帯（夏季）や亜高山帯を下回り，年によっては－25℃を下回る（図 1，2）
．上高に生息するニホンザル集団の方が，下北半島をはじめと地の玄関口とされる釜トンネルよりも標高の高い地域

ニホンザル上高地集団の魚食行動

201に，現在，約 200 頭のニホンザルが生息しており，4 群が世界の氷河地域の陸水生態系モニタリングの一環とし形成されている．冬季の上高地はほぼ全面が雪に覆わて，氷河や雪渓を水源とする表流水を主とする沢と，
いっれ，厳しい餌不足となる．槍ヶ岳山麓（標高約 2,600 m）

たん地下浸透した湧出地下水を主とする沢との間におけの槍沢を源流とし，上高地を貫流する梓川は，冬季の水る水生昆虫群集の差異や降雨・出水時の撹乱耐性などの位低下により横尾地区から明神地区までの流程に沿った比較調査を目的とするものであった（Milner et al., 2020;

約 10 km 弱がほぼ伏流し，本流の河原は雪原状態とな

Windsor et al., 2021）．この調査から，上高地の地下水をる．ただし，梓川に流入する支流のうち，湧水が占める起源とする細流では，水温が年間を通して 5－6℃に維持割合が大きく水量が豊富な支流などでは表流水もみられされていることや，
降雨後の撹乱の程度は低く抑えられ，る．また，明神地区から大正池にかけての約 10 km の流

水生昆虫類の種多様性や現存量が大きなことが判明した

程では，冬季にも表流水が確認されるが，その流量は極（Milner et al., 2020）．

めて減少しており，本流であっても浅く緩やかな流れとこうした調査・研究を展開する中，欧州の陸水生態学なる．これらの表流水の流域は冬季の上高地において数者である Milner 教授らにとって，上高地のニホンザル

少ない雪に覆われていない環境となる．このような上高が冬季にも雪深い上高地にとどまることや，冬季の餌資地で越冬するニホンザルによる，凍らない河川環境にお源として水生昆虫を利用していることは大きな驚きであける採餌行動は，彼らの越冬戦略の重要な特徴といえる．

り，彼らが文献検索をして辿り着くような国際誌では，

このような背景下，ここ数年の上高地のニホンザル集

こうした行動は全く報じられていないとの指摘を受け団を対象とした調査・研究により，梓川の水生生物に依た．我々も文献を検索してみたところ，確かに和文や英存した興味深い越冬戦略が明らかとなってきた．本稿で語の書籍などではニホンザルの水生昆虫類の摂食行動には，一連の調査・研究に関する着想や研究の展開過程を触れた報文があるものの，海外の研究者の理解には及び

紹介するとともに，これまでに明らかとなった成果につ難いものと思われた．しかしながら，ニホンザルによる

いて，我々自身の既報の 2 つの論文を引用しながら総説

水生昆虫食そのものは既に報告されており，論文化する

する．

上での新規性を訴えるためには新たな試行が必要であると考え，冬季におけるニホンザルの糞内 DNA をメタゲ

2．上高地のニホンザルにおける糞内 DNA のメ
タバーコーディング

ノム解析することとした．これにより，捕食対象種群の特定や水生昆虫類への依存の程度がある程度明らかになるものと期待された．

2.1 糞内 DNA のメタバーコーディング実行の経緯
著者らは 20 年近くに渡り，上高地地域での水生昆虫

2.2 想定外であったサケ科魚類 DNA の検出類に関する様々な調査・研究を実施してきた．その過程

2017－2019 年にかけての冬季（1－4 月）の 3 シーズン

で，梓川の水位が低下する冬季に，ニホンザルが浅瀬のに，ニホンザルの同一個体・同一時期の糞を重複して解石礫をひっくり返して水生昆虫類を捕食する行動をしば析することを回避するため，採取する日や採取場所を大しば観察してきた．当初，我々は「餌資源が乏しい冬季

きく変えるなどして（同じ日に複数の糞便試料を採取すには水生昆虫類が有用なタンパク源なのだろう」といっる場合には，上流側・明神地区，下流側・大正池地区のた程度の理解であり，「多くの研究者が，日本各地のニホ

約 10 km の流程内における可能な限り離れた地点から）

ンザル集団を対象とした調査・研究を展開してきたはず

糞便試料を採取し，冷凍保存した．これらの糞便試料のであり，こうした行動もよく知られているのだろう」と

うち，2017 年の 5 試料，2018 年の 15 試料，2019 年の 18考えていた．

試料，合計 38 試料について，糞内 DNA のメタゲノム解2017 年度からの 2 年間，英国バーミンガム大学の析を実施したところ，水生昆虫類の DNA 配列が少なく

Milner 教授をはじめ，同教授の研究室の 2 名の博士研究と も 全 3 冬 季 に わ た る 18 サ ン プ ル か ら 検 出 さ れ た員を，それぞれ特別招聘教授と特任助教として信州大学（Milner et al., 2021）．得られた DNA 配列のうち，相同

山岳科学研究所にユニット招聘し（Milner 教授の 10 カ

性検索の結果や検出された DNA リード数を表 1 に示

月間の滞在は，学振「外国人研究者招聘事業（長期）」のす．リファレンス配列との一致率が低い配列データにつ支援による），上高地での陸水生態学の共同研究に着手

いては結果から除外しているため，リファレンス配列がし，冬季も含めて定期的な上高地調査を実施する機会を

GenBank に登録されていないことで結果から除外され得た．この共同研究は，気候変動が危惧される状況下，ているケースも考えられる（すなわち，表 1 として示し東城 幸治，竹中 將起202

表 1：2017-2019 年の冬季に上高地で採取したニホンザルの糞便試料（全 38 サンプル）から検出された陸水域に生息する動物由来と考えられる DNA の相同性検索結果と検出されたリード数
Phylum 門

Class 綱Chordata
脊索動物門

Actinopterygii
条鰭綱

Salmoniformes
サケ目

Salmonidae
サケ科

Salmo trutta
ブラウントラウト

Mollusca
軟体動物門

Gastropoda
腹足綱

Sorbeoconcha
吸腔目

Tateidae
カワツボ科
Semisulcospiridae
カワニナ科

Potamopyrgus antipodarum
コモチカワツボ
Semisulcospira dolorosa
キタノカワニナ

Hexanauplia
六幼生綱

Cyclopoida
キクロプス目Cyclopidae
ケンミジンコ科

Mesocyclops leuckarti

Plecoptera
カワゲラ目

Nemouridae
オナシカワゲラ科
Chloroperlidae
ミドリカワゲラ科

Nemoura fulva
オナシカワゲラ
Sweltsa sp.
セスジミドリカワゲラ属の一種

Diptera
双翅(ハエ)目

Tipulidae
ガガンボ科
Dixidae
ホソカ科
Chironomidae
ユスリカ科
Chironomidae
ユスリカ科

Tipula sp.
ガガンボ属の一種
Dixa sp.
ホソカ属の一種
Conchapelopia sp.
ヒメユスリカ属の一種
Gen. sp.
ユスリカ科の一種

Arthiropoda
節足動物門

Order 目

Insecta (Hexapoda)
昆虫綱（六脚綱）

Family 科

Genus 属 /species 種%
similarity%
coverage

検出
リード数

100

100

2,745

99.7

100

16,103

100

100

179

99.7

100

6,842

98.7

100

6

90.6

100

61

94.9

100

440

90.4

100

6

93.2

100

203

87.5

100

2,547

た結果は，餌動物相を過小評価している可能性がある）．

や カ ワ マ ス Salvelinus fontinalis，ヒ メ マ ス

この結果，カワゲラ目 Plecoptera や双翅（ハエ）目

Oncorhynchus nerka，ヤマメ Oncorhynchus masou の養

Diptera 昆虫類が多く検出され，中でもミドリカワゲラ

殖・放流を上高地・明神地区で展開した経緯がある（坂科 Chloroperlidae やユスリカ科 Chironomidae，ガガン

田，1973）．この後，1939 年には，地元の漁業組合が明神

ボ科 Tipulidae の昆虫類は DNA リード数としても多く地区の養魚場と放流事業を長野県から引き継ぎ，結果と検出された．この他の節足動物として，甲殻類のケンミして上高地にはブラウントラウトとカワマスが定着し，

ジンコ Mesocyclops leuckarti の DNA リード数も多く検

イワナとの交雑が進んでいる．本研究でニホンザルの調出されたが，体サイズが小さいことから，水草などを摂査研究の対象とする上高地地域では，イワナ，ブラウン

食する際に付随して摂食された可能性や，後述するよう

トラウト，カワマス 3 種の交雑系統が生息しているような餌として捕食した魚類の胃内容物由来である可能性もな状況にあり，母系遺伝するミトコンドリア DNA 配列考えられる．このような水生昆虫類などの DNA がニホ

データだけで，いずれかの種と識別することは不可能な

ンザルの糞内から検出されることは想定していたもの

状況である．このような種識別の問題はあるにせよ，上の，38 糞のうちの 7 サンプルから（2 割近い糞サンプル

高地のニホンザルがこれらの交雑個体を捕食している可から）サケ科 Salmonidae 魚類の DNA が検出されたこ

能性が強く示唆されることとなった．

とは驚きであった．他に，水生巻貝類 2 種の DNA も 9
サンプルから検出されており，うち 1 種は最多の DNA
リード数であった．以上のことから，冬季・上高地のニ
ホンザルは，多様な陸水域の生物を餌資源として利用している可能性が示唆された．

3．イワナ類を咥え，食べるニホンザルの写真提供上高地のニホンザルの糞内からサケ科魚類の DNA が

ここでサケ科魚類として扱った DNA 配列は，実際の検出されたことを受け，2021 年 11 月末に，魚食の可能

DNA バーコード領域（ミトコンドリア DNA COI 領域）性を示唆した論文を英誌 Scientific Reports に公表したの配列として相同性検索した場合，ブラウントラウト

ところ（Milner et al., 2021），国内外の多くのメディアに

Salmo trutta の登録配列と 100％一致した．本来，上高報道いただけた．これらの報道に触れた写真家の後藤昌地地域に自然分布するサケ科魚類はイワナ Salvelinus

美氏（北海道）と鈴木裕子氏（埼玉県）から，「2019 年 1

leucomaenis であるが，約 100 年前（大正後期から昭和月 4 日の上高地で，ニホンザルが大きなイワナを咥えて初期）に長野県が移殖放流事業としてブラウントラウト

歩き，その後に雪上に座り込んで食べる姿を撮影していニホンザル上高地集団の魚食行動

203

図 3：冬季・上高地のニホンザルにおける魚食行動進化の可能性を報じた論文（Milner et al., 2021）に関する
Nature Portfolio, Ecology & Evolution でのオンライン記事．

た」とする情報が信州大学に寄せられ，その際の写真のら，上高地のニホンザルが活きた魚類を捕獲する瞬間が提供を受けた．これらの一連の写真は大きなインパクト

目撃されたことはなく，直接的な証拠は皆無であった．

があり，Scientific Reports を出版する Nature Portfolioのオンライン・サイト Ecology & Evolution において，先の論文執筆の関連記事としての執筆を勧めていただいた（図 3，Tojo and Takenaka, 2022a）．

4.1 NHK との共同研究：イワナ類を獲える瞬間の動画
撮影に成功
このような状況下，NHK の自然系番組「ダーウィンが来た！」の撮影クルー（代表・林浩介ディレクター）

4．イワナ類を獲える瞬間の動画撮影との共同研究がスタートし，2022 年 1 月から 3 月にかけて，上高地でのニホンザルの行動・生態調査・撮影が実

後藤・鈴木両氏により撮影された写真から，上高地の施された（Tojo and Takenaka, 2022b）．約 2 週間弱の密ニホンザルがイワナ類を食べていることは明らかとなっ着撮影，および 12 台の赤外線センサーカメラを 1 －3 月

たものの，この段階では，活きたイワナ類を捕獲したのに長期設置することでの撮影に挑んだ．撮影場所やセンか？ あるいは水位の低下などにより瀕死となったよう

サーカメラの設置箇所は図 1 に示した通りであるな個体や死体を捕獲したのか？ については依然として（Takenaka et al., 2022）．

判断がつかない状況であった．写真の画像からは，捕食

上高地内のニホンザル集団は 4 群に分かれて行動してされているイワナ類から血液が垂れ落ちている状況や，いるとされるが（信州大学山岳科学研究拠点・泉山茂之

胸鰭がピンと張っていたり，魚体が柔らかそうに見える

氏私信），このうちの 3 群を日によって代えながら追跡など，長く冷凍状態にあったり死後硬直しているようにした．冬季の上高地のニホンザルは，基本的には梓川本は見えなかった（Tojo and Takenaka, 2022a）
．また，2

流や，
湧水起源の支流周辺で過ごすことが多く，
センサー

シーズンに渡って採取した 7/38 の糞試料からサケ科魚

カメラにも多くの動画が記録された．そして遂に，活き類の DNA が検出されたことからも，偶発的な魚食といたイワナ類を捕獲する瞬間の動画撮影に成功した．カメ

うよりは恒常的に魚食をしている可能性が高いものと予ラマンによる直接撮影が 6 回，センサーカメラによる撮想していた．何より，冬季の上高地を歩いてきた経験か

影が 8 回（表 2），合計 14 回の魚食行動を動画として記ら，活きたイワナ類は頻繁に観察されるものの，死体や録することができた（Takenaka et al., 2022）．さらに，瀕死の個体を見かけたことは一度もなく，そうした個体

これらの動画以外に，イワナ類とは同定できなかったもを捕食している可能性は低いと考えていた．しかしながのの，捕獲の場所や状況から，魚食行動であると推察さ東城 幸治，竹中 將起204

表 2：2022 年の冬季（1-3 月）の上高地に設置した赤外線センサーカメラの撮影画像の分析結果
カメラ 撮影開始

最終日

稼働
日数

撮影終了理由

センサー
起動数

サル
映り

岳沢①

1 月 31 日

3 月 19 日

48

カメラ回収のため 3/23

169

56

1

0

0

岳沢②

1 月 31 日

3月4日

33

カメラ回収のため 3/23

63

46

7

1

0

焼岳①

1 月 30 日

2 月 16 日

18

雪埋，データ量飽和

382

118

8

0

焼岳②

2月 1日

2 月 24 日

24

カメラズレ，雪埋，データ量

148

133

46

18

焼岳③

2 月 20 日

2 月 24 日

5

データ量飽和(データ破損？)

432

181

175

焼岳④

1 月 31 日

2 月 23 日

24

データ量飽和

158

149

焼岳⑤

2月 1日

2 月 24 日

24

データ量飽和155

明神①

1 月 31 日

2 月 21 日

22

雪埋，カメラ回収 3/23

明神②

2月 1日

2 月 21 日

21

明神③

1 月 30 日

2月 1日

5

明神④

1 月 31 日

3 月 21 日

明神⑤

1 月 31 日

2月 4日

合 計

魚探索サル 魚捕獲 魚捕食 水中を撮影数
挑戦回数 回数
物色

河道
歩行

河道
座位

飲水

その他

32

26

0

0

9

41

25

0

1

3

0

78

82

12

0

38

1

97

77

14

0

10

100

4

214

71

32

0

89

7

1

0

102

114

25

0

57

122

27

16

1

66

109

56

1

28

269

118

51

30

2

11

33

0

1

90

データ量飽和

156

95

24

4

0

45

42

0

3

49

データ量飽和

161

0

0

0

0

0

0

0

0

0

50

データ量飽和

133

104

3

1

0

36

42

2

4

81

5

データ量飽和

158

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2,384

1,122

349

171

8

722

621

141

10

454

れる動画が 6 回撮影されていた（表 2；Takenaka et al.,2022）．

食行動も観察された（Takenaka et al., 2022）．
以上の結果から，少なくとも 3 群に属する上高地のニ
ホンザルの複数個体において魚食行動が確認されたこと

4.2 赤外線センサーカメラにより撮影された動画の分析
表 2 に示したように，カメラマンによる密着撮影でもとなり，当初の予想通りに，恒常的に魚食行動が生じていることが明らかとなった．

決定的な瞬間が捉えられたが，設置した 12 台のカメラのデータも極めて貴重である．梓川周辺での行動が多く撮影されたため，記録メディアのデータ容量が飽和する

5．上高地のニホンザルにおける魚食行動の進化

ことで撮影が終了となることが多く，中には設置から 5

上高地をはじめとする中部山岳域や本州東北部の山岳

日後には撮影が終了してしまったセンサーカメラも 3 台

域では，雪深いニホンザルの生息地域も多く存在していにのぼった．12 台のカメラ全体で，赤外線を感知した回る．では，こういった地域集団でも魚食行動は進化して数が 2,384 回，このうちニホンザルが撮影されていたのいるのだろうか？ 少なくともこれまでに魚食行動の報が 1,122 回で（他は，キツネやタヌキ，アナグマや登山

告は皆無（脚注）であることから，その可能性は低いよ者など），このうちイワナ類を探索するような行動がみうに思われる．上高地同様に中部山岳域の亜高山帯に生られたのが 349 回，実際に捕獲を試みた行動は 171 回に息し，温泉に浸かるというユニークな行動を進化させたもおよんだ．互いに離れた 3 地区（それぞれ異なる群れ集団として，志賀高原（渋温泉・地獄谷）のニホンザルが行動している地域）にそれぞれ 2 －5 台ずつ設置したは世界的にもよく知られている．この周辺地域にもイワ

ものの，いずれの地区（群れ）においても魚食行動が観ナが生息する渓流は多々みられるものの，魚食行動は知察された．岳沢湿原地区におけるセンサーカメラの設置られていない．冬季にはゲートが閉鎖され，ごく一部のは 2 台だけであり，捕獲を試みた行動は 1 回だけ（捕獲

冬山登山者だけが入り込む上高地とは異なり，人間の居できず）撮影されたような結果ではあったものの，この住地が近く，スキー場や温泉などのリゾートも近接する地区ではカメラマンが魚食行動を 2 回撮影している．まだけに，志賀高原の集団に魚食行動が進化していたとすた，観察対象とした 3 群の全てにおいて魚食行動が観察れば，何らかの目撃事例があっても良さそうである．そされ，同じ群内でも異なる個体が魚食していることも明もそも志賀高原では，魚食行動自体が生じていないと考らかとなった．

えられる．

次に，イワナ類の捕獲が確認された 14 回の動画が撮では，どうして上高地の集団内に魚食行動が生じ，進影された日時データから，当時の気象条件についての分化したのであろうか？ 我々は，極めてユニークな上高析を実施したところ，時間帯や気候条件には特段の傾向

地の地史が影響しているものと考えている．焼岳火山群はみられなかった．小雪が舞う程度の降雪日における魚の活動により，火山噴出物が梓川の流路を堰き止めたこニホンザル上高地集団の魚食行動

205とで大正池が作られたことはよく知られているが，現在話として「サルの川干し」が記されている．サルが群れの大正池が形成されるよりも古い時代に，より巨大な堰で礫を転がして川の流れを変え，水量が減った（干上がっ

き止め湖が形成されていたことが知られている（原山・た）川で魚を捕獲していたとの伝承が記されている．文

山本，2014）．この湖底に周囲の 2,500 m 超の山岳域か章化されたニホンザルの魚食に関する唯一の出版物であら運搬された大量の礫が平たく堆積し，梓川の流路にるかもしれない．

沿って横尾地区から大正池までの約 15 km もの平坦地がつづくような地形が形成されたとされる．こうした大規模な平坦地形をもつ渓谷は，国内では他に類をみない．
また，緩やかな勾配の中を流下する梓川は，出水のたびに流路が変化するとともに，網状流が発達するため，小さな分流が随所に形成され，そうした分流部にもイワナ類が高密度で生息している．特に，晩秋の繁殖期にはこ

参考文献
原山 智，山本 明（2014）「槍・穂高」名峰誕生のミステリー
地質探偵ハラヤマ出動．山と渓谷社，東京．352pp．
松山義雄（1977）続 狩りの語部：伊那の山峡より．法政大学
出版局，東京．

うした細流が繁殖場所となるため，比較的浅く小さな流

Milner A.M., C. L. Docherty, F. M. Windsor, and K. Tojo
(2021) Macroinvertebrate communities in streams with

れにも大型のイワナ類がたまるような状況が生じやす

contrasting water sources in the Japanese Alps. Ecology &い．加えて，地下水の湧出も豊富であり，表流水に比べると水温が高く維持されることから，小さく緩い流れであっても氷結することもなく，こうした湧水流にはイチョウバイカモ Ranunculus nipponicus var. nipponicus

Evolution, 10, 7812-7825.
Milner A. M., S. Wood, C. Docherty, L. Biessy, M. Takenaka,
and K. Tojo (2021) Freshwater biota in the wintertime dietof Japanese macaques from Chubu Sangaku National Park,
Japan. Scientific Reports, 11, 23091などの水生植物が生育している．こうした条件が揃うよ坂田 尚（1973）上高地のイワナ．大町山岳博物館（編）北うな環境は上高地独特の特徴と言える．実際に，上高地

アルプス博物誌 III 動物・自然保護（大町山岳博物館編）：のニホンザルは，冬季にこれらの小さな分水流の中で水生植物をよく摂食しており，これらの植物体に付着した水生昆虫類を摘んで食べる姿も時折観察される

178-182．信濃路，東京．
Takenaka M., K. Hayashi, G. Yamada, T. Ogura, M. Ito, A. M.
Milner, and K. Tojo. (2022) Behavior of snow monkeys
hunting fish to survive winter. Scientific Reports, 12, 20324.

（Takenaka et al., 2022, Supplementary Video 5）．こうしTojo K. and M. Takenaka (2022a) Snow monkeys eating fish in

た摂食行動を進化させてきた延長上で水生昆虫食が定着

the wintertime: Unique photographs have emerged sup-

し，水生植物や枯枝，さらには石礫などを持ち上げることでそれらに付着した水生昆虫類を捕食するような行動が進化し，やがては緩く浅い瀬で石礫をひっくり返すよ
うな行動へと発展していったのではないかと推察する．
そして，このような石礫おこしをしながら水生昆虫を摂食している行動の最中に，驚いたイワナ類が跳ねるような場面も観察されている．こうした水音にニホンザルが敏感に反応し，以降はイワナ類を探索するような行動へと切り替わる様子も観察された（Takenaka et al., 2022,
Supplementary Video 1-4）．すなわち，上高地のニホン
ザルの魚食行動が進化した背景には，その前適応として，
水生植物食や水生昆虫食があり，これらの前適応が生じ得るような好適な条件が上高地には揃っていたと考えられる（Takenaka et al., 2022）．
脚注：科学的な文献ではないが，信州・伊那地域の民俗学的出版物である「続・狩りの語部：伊那の山峡より」（松山，1977）の中で，著者が地元の猟師から伝え聞いた

porting conclusions of a paper in Scientific Reports about snowmonkeys (Japanese macaques) eating fish in the wintertime(Kamikochi, Japan). Nature Portfolio. URL https://ecoevoco
mmunity.nature. com/posts/snow-monkeys-eating-fish-inthe-wintertime? fbclid =IwAR1RwXulUpzThOj0xYFt16r5
qJxCWXnWiIVhscj1Z5HXUA1GKnYMzCUL--0 (2022.12.
4 閲覧確認）Tojo K. and M. Takenaka (2022b) The worldʼs first everfilming of snow monkeys fishing: Publication of an image
analyses paper on their fishing behavior. Nature Portfolio.
URL https: //ecoevocommunity. nature. com/posts/theworld-s-first-ever-filming-of-snow-monkeys-fishing-publicat
ion-of-an-image-analyses-paper-on-their-fishing-behavior? fb
clid =IwAR1C0sS727WNSqB5AlDGQfv0VRmdANBu9UIN
xOuhYpTGaAEaGlKggigTD2g（2022.12.4 閲覧確認）
Windsor F. M., C. L. Docherty, N. Brekenfeld, K. Tojo, S.
Krause, and A. M. Milner (2021) Hydrological, physicochemical and metabolic signatures in groundwater and snowmelt streams in the Japanese Alps. Journal of Hydrology,
600, 126560.

■紀要「低温科学」の変遷
・低温科學，第 1 輯（1944 年）－第 10 輯（1953 年）
・低温科學．生物篇，第 11 輯（1954 年）－第 35 輯（1978 年）
・低温科学．物理篇，第 11 輯（1953 年）－第 53 輯（1995 年）
・低温科学．物理篇．資料集，第 27 輯（1970 年）－第 63 輯（2005 年）（このうち，第 1 輯（1944 年 12 月）〜第 3 輯（1950 年 12 月）は岩波書店発行，第 4 輯（1948 年 10月）は北方出版社発行，第 5 輯（1950 年 12 月）以降は低温科学研究所発行）
・低温科学．第 64 巻（2005 年）〜※第 68 巻（2009 年）Supplement Issue（英文増刊号発行）■著作権・本紀要に掲載された論文の著作権は，北海道大学低温科学研究所に属する．
・ただし，原著者が出典を明示して再利用することは妨げない．
・また，掲載論文の一部または全部を電子的に蓄積し，北海道大学低温科学研究所が行う情報提供
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2023 年 3 月 20 日
発

行

者

北海道大学
〒060-0819

低温科学研究所

札幌市北区北 19 条西 8 丁目

URL：http://www.lowtem.hokudai.ac.jp

編

集

者

印刷・製本

山口

良文

㈱アイワード© 2022 Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University

低温科学2023 Vol.81
動物の寒冷適応戦略〜生理生態と分子機構

低温科学2023 Vol.81
ISSN 1880-7593

北海道大学

Institute of Low Temperature Science,
Hokkaido University, Sapporo, Japan
http://www.lowtem.hokudai.ac.jp

低温科学研究所 編

北海道大学 低温科学研究所

動物の寒冷適応戦略〜生理生態と分子機構

北海道大学 低温科学研究所 編
Edited by Institute of Low Temperature Science,
Hokkaido University