●日本医学会 100 周年記念シンポジウム

1．これからの基礎医学―生体情報を中心に―
中西重忠＊

2001 年にヒトの全遺伝子配列が決定され，その成果に基づき，医学・医療の分野では，遺伝子診断，遺伝子治療，さらには single nucleotide polymorphism を解析することによって，多因子疾患の病因を遺伝子のレベルから究明しようとする研究が精力的に進められている．また，種々の正常および異常な細胞を対象に数万の遺伝子から生成される mRNA およびタンパク質を gene tip やプロテオミクスの手法を用いて解析し，mRNA やタンパク質の機能的な集合体の実体を明らかにする研究も多くの成果を上げつつある．一方では，functional MRI や positron emission tomography を用いた非侵襲的な解析技術の発展によって，単に生体の機能部位を明らかにするだけではなく，疾病における正確な障害部位の解析も進められている．また，発生，細胞の分化の理解が深まったことによって，幹細胞を分化し移植を行うという再生医学が次の有力な治療法として期待されている．一方では，これらの医学・生命科学の革命的な発展によって，クローン人間に象徴される，従来考えられなかった生命科学の社会への影響が問題とされている．したがってこれからの基礎医学は，ヒト遺伝子配列の解明に準拠した分子生物学，細胞生物学，物理化学あるいは情報科学などを融合した，新しい視点に立った研究がますます重要になるとともに，それに伴った医療倫理，医療経済や医療法制を含む人文，社会科学の問題も基礎医学の教育，研究の問題として議論されなければならない．限られた時間の中でこれらの基礎医学の問題点や方向性を議論することは不可能であり，本会においては筆者が従事している脳科学，分子生物学の観点から，生命現象を生体情報の問題としてとらえ，今後の基礎医学の課題と方向性を議論したい．

Prospects of Basic Medical Science
SHIGETADA NAKANISHI Department of Biological Sciences, Faculty of Medicine, and Department of Molecular and System Biology, Graduate
School of Biostudies, Kyoto University

なかにし・しげただ：京都大学
大学院医学研究科生体情報科学教授．昭和46年京都大学大学院医学研究科博士課程修了．昭和49年京都大学医学部医化学助教授．昭和56年京都大学医学部免疫研究施
設第二部門（現，生体情報科学）教授．
平成11年京都大学大学院生命科学研究科認知情報学教授併任，現職．
主研究分野／神経科学，分子生物学．
＊

12 日本医学会 100 周年記念シンポジウム

Key words

生体情報ネットワーク
情報伝達
非線形反応

情報を処理，統合，保持，抽出というさまざ

1．生体情報のプロセス

まな process を通して視覚の情報として認識している（表）．視覚系においては，図 2 に示

生体の情報系は数万の遺伝子によって支配すように，光はまず網膜の視細胞で感受され，されており，この事実は，生体が有限の情報

次に双極細胞のレベルで明るさと暗さに情報体によって無限の情報に対応できることを示が識別され，この情報は神経節細胞の視神経している．このため生体は極めて秩序だったによって中枢に伝達される．すなわち，外界ネットワークを形成し，このネットワークはのアナログの視覚情報は 2 番目の双極細胞細胞内，細胞間，臓器間と異なったレベルでで光の情報素子である明るさと暗さというデ機能している．たとえば，細胞内においてはジタル情報に変換，処理される．さらに網膜一連のタンパク質リン酸化，脱リン酸化のにおいては，一定方向に物が動いた時のみ反ネットワークを形成し，また神経系において応する方向選択性の反応を示す神経節細胞がは興奮と抑制の神経ネットワークが作用し，存在する．網膜には視細胞―双極細胞―神経

さらに個体レベルではホルモン産生と標的細節細胞からなる主経路に加え，20 種類を超え胞からなる内分泌系や，あるいは免疫系のシる amacrine 細胞という介在細胞が存在し，こステムとしてのネットワークを構築していの中で starburst 細胞と呼ばれる細胞が視神る．さらに，細胞内情報伝達系のタンパク質経―双極細胞―神経節細胞の主経路の伝達をリン酸化!
脱リン酸化や，興奮・抑制における修飾し，特定の神経節細胞に方向選択性を与神経細胞のイオンの膜透過による膜電位の変える（図 3）．すなわち，網膜において starburst化にみられるように，それぞれの情報伝達は細胞からの神経伝達の修飾によって明るさと共通のメカニズムによって支配されている．

暗さの加算，減算では生じ得ない方向選択性

この情報伝達のメカニズムの共通性は，解糖という非線形の反応を引き起こし，primitive系においてはブドウ糖が，脂肪の合成!
分解にな情報の統合がなされている．さらに網膜のは acetyl-CoA が，また酸化!
還元 に は NAD!

視覚情報は中枢に伝達され，図 1 のネット

NADP が，さらに生体のエネルギーの担体とワークを介してより高次な形での情報を統合

しては ATP が共通に使われているように，数し，デジタル情報を最終的に多様なアナログ万という有限の遺伝子が効率的に働くために情報に変換し，われわれは視覚対象物を認識不可欠のメカニズムである．したがって，生している．さらに視覚系においては情景の記体の情報系を理解するためには，集束した共憶や学習，あるいは高次なレベルでの物の識通のメカニズムからなる原理と，それぞれの別のように情報が保持，抽出される機構が働

情報伝達が多様な機能を発揮するための特異く．われわれの現状の生体情報の研究は，残性を知ることが重要である．

念ながら記憶や学習に関わる機能分子の同定

一方，生体が受け取る情報は多様なアナロや上述した primitive な情報の処理，統合のメグ情報である．以下には神経系の中で最も発カニズムを断片的に明らかにした段階であ達している視覚系を例にとって議論を進めり，今後の課題は当然のことながらより高次る．われわれは色の違い，濃淡，動き，形なな情報の処理，統合，保持，抽出のメカニズ

どの無限ともいえるアナログ情報を認識する

ムを理解することである．

図 1 に示した視覚系のことができる．生体は，神経ネットワークを介して，無限のアナログ
日本医学会 100 周年記念シンポジウム 13

HC
ER
BA36

BA46

TF

STPa

BA7b

VIP

BA7a

MSTd

LIP

STPp

FEF

MSTi

FST

TH

AITd

AITv

CITd

CITv

PITd

PITv

DP

MDP

VOT

PO

MIP

MT

V4t

PIP

V4

V3AV3

図1VP
M

V2P-B

P-I

M

V1P-B

P-I

M

P外側膝状体M

P

網膜

大脳皮質視覚野のネットワーク（Fellemann & Van Essen より引用）

る．現在，本分野は発生におけるネットワー

2．生体情報の研究課題

クの構築に関わる機能分子の同定や，gene tipやプロテオミクスの手法を用いた情報分子の表には生体の情報系の研究課題を示した．

集合体の解析が極めて精力的に進められてい第 1 に，情報系が上述したようにネットワー

る．したがって，今後 10 年ほどで基本的な機クを介して機能しているときに，ネットワー

能分子の同定と構成は明らかにされるものとクの構成と構築機構を明らかにすることであ考えられる．

14 日本医学会 100 周年記念シンポジウム

表

生体情報のプロセス，課題，特徴

視細胞
生体情報のプロセス
1．処理
2．統合
3．保持
4．抽出
生体情報の課題
1．ネットワークの構造と構築
2．情報物質
3．情報の性質・時間的，空間的なダイナミックな情報伝達・非線形4．可逆性と可塑性

双極細胞

OFFON

抑興制

奮

生体情報の特徴
神経節細胞

1．programされた情報系
2．情報による情報系の形成
3．柔軟性，適応性

OFFON

中枢へ

光
図2

網膜の視細胞―双極細胞―神経節細胞からなる視覚情報伝達の主経路と明るさ（ON）と暗さ（OFF）の分別

視細胞

Off双極細胞On双極細胞Starburst細胞

Starburst細胞
1S
On-Off方向選択性
神経節細胞
図3

網膜における双極細胞，starburst 細胞，神経節細胞のネットワーク（左）と神経節細胞の方向選択性（右）反応（左）；物が右に動くと強い反応を示すが反対側に動いたときにはほとんど反応を示さない

日本医学会 100 周年記念シンポジウム 15

第 2 は情報系の情報物質の同定である．たとえば情報物質が反応する代表的な G タン
パク共役受容体は，遺伝子配列の解明によって 500 種類以上存在することが明らかにされた．しかしこの 500 を超える受容体の生体情報物質の多くはなお不明である．疾病の治療薬の多くが受容体のアゴニストやアンタゴニストであることを考えると，情報物質の機能や作用メカニズムを明らかにすることは，単に生体情報の理解を進めるためだけではな
く，医学，医療にとっても重要な課題である．
第 3 の最も重要な課題は，情報系の特徴である時空間を持ったダイナミックな情報伝達のメカニズムを明らかにすることである．しかも視覚系の例で議論したように，デジタル化された情報がアナログ情報に変換されるのは，非線形の反応なしには起こり得ないものであり，この非線形の反応のメカニズムを明らかにすることが，生体情報の真のメカニズムを知るうえで不可欠である．これに対し，遺伝情報の解明，機能分子，タンパク集合体の同定はいずれも情報系のスタティックな面を明らかにするものであって，この点では第 1，第 2 の課題の追求のみでは決して第 3 の課題は解明され得ない問題である．
したがって，第 3 の課題を追求するためには新たな方法

図4

早期失明者における点字列課題中の一次視覚野の活動（定藤規弘博士（岡崎生理研）の好意による引用）論の導入が必須であり，それによって初めて基本的な情報系の原理が明らかにされ，また，本課題こそが postgenome の中心的な課題であると考えられる．

3．生体情報の特徴

第 4 に，情報が情報として働くためには可生体情報系の構築，機能発現は，当然なが逆的な反応であることを必要とする．
一方，
情ら遺伝子の情報によってプログラムされたも報が保持，抽出されるためには，可塑性をもたのである（表）．したがって，今後も時空間をらす機構が存在することが不可欠である．
可持った遺伝子発現のプログラム機構を詳細に塑性の機構を理解するために遺伝子発現の制解析する必要がある．一方，生体系の情報の御に焦点が当てられているが，一方で mRNA

特徴は，情報自体が情報系を構築し，制御すやタンパクの安定化，機能分子の局在化や分ることである．その代表的な例は，発達期に散化，あるいはネットワーク構築自体の変化なみられる神経ネットワークの機能形成であど，なお多くの未解決の問題が残されている．

る．たとえば動物において一方の目を遮蔽す

16 日本医学会 100 周年記念シンポジウム

ると，遮蔽された側の視覚系の機能が生涯にと同様の精神活動が働いていることを示す．

わたって著しく低下し，しかもこの効果は生

この事実は，情報系が多様なパラダイムから後の一定時期に限られており，それ以前でもなり，環境や状況に応じて多様なパラダイム

それ以降でも機能の低下をもたらすことはなが柔軟性を持って用いられていることを示す

い．このことは，神経系ネットワークの機能ものである．

が遺伝情報のみによってプログラムされているのではなく，ある critical な時期の情報自体結語が情報系を規定していること，またこのこと

以上，生体情報はダイナミックでかつ柔軟は外部情報（環境）が生体の情報系の構築に重性と適応性を持つものであることを議論して要な役割を果たしていることを示している．

きた．一方，この 30 年の生命科学の発展は，さらに生体情報系の特徴は，極めて柔軟で適遺伝子を対象にスタティックな情報の実体を応性を持つことである．
その一例を挙げると，明らかにしてきたものである．したがって，視覚障害者が点字を読むときに大脳皮質の体今後はこのスタティックな情報がいかにダイ性感覚野（触覚）のみならず，本来使われていナミックな情報として作用しているのか，まないと考えられていた視覚野が顕著に活動したそのダイナミックな情報の異常が疾病の発ていることが明らかにされている（図 4）．す症にどのように関わっているのか，これらのなわち視覚障害者が点字を読むときには，ヒ課題を新しい方法と考え方のもとに明らかにトにおいて最も発達している視覚系を駆使ししていくことが，これからの基礎医学研究のて，晴眼者が物を視，感じ，考えたりするの大きな課題であると考える．

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