PRESS RELEASE

令和 5 年１⽉３１⽇

⾃然科学研究機構

⽣命創成探究センター

慶應義塾⼤学 先端⽣命科学研究所
⾃然科学研究機構

基礎⽣物学研究所

クマムシゲノム由来の DNA 配列を用いて、光るクマムシの作出に成功
ー水のない生命の仕組みの解明を目指してー

写真：クマムシの遺伝⼦発現システム TardiVec により、表⽪に緑⾊蛍光タンパク質 GFP を、筋⾁に⾚⾊蛍光タンパク RFP を発現するクマムシ(⽥中 冴 撮影)

⼤学共同利⽤機関法⼈⾃然科学研究機構 ⽣命創成探究センター (以下、ExCELLS)の⽥中 冴 特任助教（慶應義塾⼤学 先端⽣命科学研究所 所員）と慶應義塾⼤学 先端⽣命科学研究所 荒川和晴 教授のグループは、ExCELLS／基礎⽣物学研究所の⻘⽊⼀洋 教授と共同で、極限環境耐性⽣物であるクマムシに緑⾊蛍光タンパク質(GFP) *1 などの外来遺伝⼦を発現させることに世界で初めて成功しました。
研究グループは、クマムシのゲノム由来の配列を⽤いた遺伝⼦発現ベクター*2「TardiVec」を新たに開発し、それらが遺伝⼦ごとに組織特異的な発現を⽰すこと、および、複数のクマムシ種において機能することを発⾒しました。クマムシの細胞内におけるタンパク質の挙動が観察できるようになることで、クマムシのもつ乾眠*３という能⼒を可能にしているメカニズムの解明につながることが期待されます。
本研究成果は、国際科学雑誌 「Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America (⽶国科学アカデミー紀要)」 (2023 年 1 ⽉ 31 ⽇付、オンライン版

2023 年 1

⽉ 24 ⽇付公開，解禁⽇時の設定なし) に掲載されました。

本研究のポイント1.

GFP などを⼀過的に発現するクマムシを世界で初めて作出した。

2.

クマムシゲノム由来の配列を含む遺伝⼦発現ベクターを開発し、それらをクマムシ個体に導⼊することで、クマムシ特異的な遺伝⼦の発現箇所や GFP 融合タンパク質の挙動を明らかにした。

3.

クマムシのもつ乾眠能⼒の分⼦メカニズムを明らかにすることで、⽣体や⾷品の完全な乾燥保存⽅法の開発に繋がることが期待される。

研究背景
⽔は⽣命にとって必須です。その⼀⽅で、クマムシは周辺環境が乾燥すると「乾眠」と呼ばれる無⽔状態になります。この状態のクマムシはさまざまな極限的なストレスにも耐えることができ、宇宙空間への曝露後も⽣存することが可能です。18 世紀にこの現象が発⾒されて以降、どのようにして無⽔状態になり、また、復帰できるのかに興味がもたれてきました。このような乾眠を可能にする分⼦メカニズ
ムを明らかにするため、これまでにクマムシのゲノム解読やクマムシ固有タンパク質の解析がおこなわれてきました。しかしながら、クマムシ個体や細胞に対して GFP などの外来遺伝⼦を導⼊する⽅法がこれまで存在しなかったため、これまでの解析は⾮常に限定的なものに留まっていました。

研究内容
本研究では、クマムシに外来遺伝⼦を導⼊するために、クマムシのゲノムから各種の遺伝⼦の発現に必要な領域を抽出して、クマムシ特異的な遺伝⼦発現ベクターを新たに開発し、「TardiVec (Tardigradevector

クマムシのベクター) 」と名付けました（図 1）。マイクロインジェクション*4 などを⽤いてこれらをクマムシに直接導⼊したところ、クマムシ細胞内で発現ベクターが機能し、GFP などの外来遺伝⼦が発現することが分かりました。TardiVec は由来となる各遺伝⼦の発現組織も維持しており、この特性を利⽤して、クマムシ固有遺伝⼦が、クマムシの全⾝で等しく発現しているのではなく、組織特異的な発現パターンをもっていることを初めて⽰しました (図２)。

クマムシへのマイクロインジェクションと光るクマムシの動画
https://youtu.be/WylLl98I7Es

研究の成果と意義
乾眠状態のクマムシは給⽔により 15 分ほどで活動を開始します。このような驚くべき能⼒をもつクマムシは、⾷品などの⽣体保存のよい⼿本であると考えられます。本研究で開発した TardiVec は、クマムシ細胞内に GFP などの外来遺伝⼦を発現させることにより、タンパク質の挙動をリアルタイムで観察することを可能にしました。また、細胞内環境をモニタリングできるタンパク質を発現することも可能であり、これまで世界の誰も⾒たことのない、クマムシの脱⽔・給⽔におけるダイナミックな変化を追いかけることも可能になりました。

今後の展望
今後はこの TardiVec を⽤いて、クマムシの細胞内や⾝体全体で実際にどのような変化が乾眠の過程で起きているのかを観察することで、脱⽔に伴って⽣命活動を⼀時停⽌させるメカニズムを明らかにしていきたいと考えています。このようなメカニズムの解明が⾷品・⽣体などの完全な乾燥保存⽅法の確⽴に貢献し、また、⽣命体と⽔がどのような関係にあるのかをわれわれに教えてくれるだろうと期待しています。

論⽂情報
雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
論⽂名: In vivo expression vector derived from anhydrobiotic tardigrade genome enables live
imaging in Eutardigrada
著者: Sae Tanaka*, Kazuhiro Aoki, Kazuharu Arakawa* (*責任著者)
DOI: 10.1073/pnas.2216739120
掲載 URL: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216739120

特記事項
本研究は、学術変⾰領域研究(A) 「⾮ドメイン型バイオポリマーの⽣物学」21H05279; 荒川和晴・⽥中 冴、挑戦的研究(萌芽) 22K19302・若⼿研究 20K15781; ⽥中 冴、ExCELLS 課題研究

19-208・

19-501; 荒川和晴、ExCELLS 先端共創プラットフォーム（物質-⽣命の境界探査）22EXC601; 荒川和晴 、⼭形県、鶴岡市等の⽀援を受けて実施されました。

(⽤語説明)*1 緑⾊蛍光タンパク質(GFP)
⻘⾊光を照射することにより、緑⾊の蛍光を発するタンパク質。今回の実験では、遺伝⼦発現ベクターがクマムシ細胞内で機能するか否かを判断する⽬的で使⽤している。また、クマムシ固有のタンパク質は通常では検出できないため、末端に GFP を融合した状態でクマムシ細胞内に発現させることで、それらの細胞内局在などを蛍光顕微鏡下で観察することが可能になる。

*2 遺伝⼦発現ベクター
導⼊した細胞の核内で外来遺伝⼦を発現し、それに由来するタンパク質を新たに合成させるために使⽤される環状の DNA のこと。

*3 乾眠

クマムシをはじめとするいくつかの⽣物がもつ特性で、周辺環境の乾燥に伴って、含⽔量約 3%まで脱⽔し、代謝機能を⼀時停⽌させることができる。このような状態であれば、真空や⾼線量放射線にも耐えることができるため、宇宙空間への曝露実験もおこなわれた。

*4 マイクロインジェクション
ガラス針を使⽤し、DNA 溶液などを個体や細胞に注⼊する⽅法。顕微注⼊とも呼ばれる。

＜お問い合わせ先＞(本資料の内容に関するお問い合わせ)
⾃然科学研究機構 ⽣命創成探究センター
慶應義塾⼤学 先端⽣命科学研究所

特任助教

所員

⽥中 冴
E-mail: sae-tanaka@ims.ac.jp

慶應義塾⼤学 先端⽣命科学研究所教授

⾃然科学研究機構 ⽣命創成探究センター

客員教授

荒川 和晴
TEL: 0235-29-0571
E-mail: gaou@sfc.keio.ac.jp(広報に関するお問い合わせ)
⾃然科学研究機構

⽣命創成探究センター

TEL：0564-59-5885

研究戦略室

FAX：0564-59-5202

E-mail： press@excells.orion.ac.jp

慶應義塾⼤学 先端⽣命科学研究所
TEL：0235-29-0802
E-mail : pr2@iab.keio.ac.jp

渉外担当

⾃然科学研究機構

基礎⽣物学研究所

TEL: 0564-55-7628

広報室

FAX：0564-55-7597

E-mail : press@nibb.ac.jp

明視野像

TardiVec

蛍光像 (GFP)

クマムシゲノム由来の遺伝⼦発現ベクター

カバーガラス

インジェクタークマムシ
TardiVec溶液⼊りのガラス針
オイル層

スライドガラス

100 μm

上から⾒た図クマムシへのマイクロインジェクション実験(クマムシにTardiVecを導⼊する⼿法)

TardiVec導⼊48時間後のクマムシ

図 1. クマムシベクターTardiVec により GFP を発現するクマムシ.
クマムシゲノム由来の配列を含む DNA ベクター「TardiVec」を、マイクロインジェクションによりクマムシに直接導⼊しました(左)。導⼊後 48 時間経過したクマムシでは、TardiVec に組み込んだ外来遺伝⼦である GFP 由来の蛍光が観察されました(右)。線状に⾒えるものは、GFP 蛍光を発するクマムシの筋⾁組織です。

GFP融合SAHSタンパク質
SAHS発現細胞

SAHSは発現細胞から分泌されて細胞外へ

CAHS発現細胞

GFP融合
CAHSタンパク質

CAHSは表⽪細胞の細胞質に局在図 2. クマムシ特異的遺伝⼦ SAHS・CAHS の発現領域と局在.
クマムシ特異的な遺伝⼦である SAHS・CAHS は、乾眠に関わると考えられている遺伝⼦です。クマム

シの体の中でこれらがどのように発現しているのか、これまで不明でしたが、TardiVec により SAHS 遺伝⼦はクマムシ体腔に浮遊する貯蔵細胞に主に発現し、その後 SAHS タンパク質は細胞外へ分泌されて全⾝に広がること、CAHS 遺伝⼦は体表の細胞に主に発現し、CAHS タンパク質は発現した細胞の細胞質に局在することがわかりました。
左図は実際の蛍光写真。左上に SAHS、左下に CAHS の発現細胞と GFP 融合型のタンパク質の局在を⽰しました。右図は結果に基づくモデル図。ピンクで SAHS 発現細胞と SAHS タンパク質が全⾝に広がっている様⼦を、緑で CAHS 発現細胞が体表に存在していることを⽰しました。