飢餓適応の分子基盤の解析斉藤寿

熊本大学大学院自然科学研究科

諸仁教授

リを用いた。イモリは手足の切断や眼球切除に伴う組織・言環境から栄養を従属的に得ている動物にとって、栄養器官の再生の脊椎動物に実験モデル生物として高校の教が十分に供給されない環境へ適応する能力は、生命活動科書にでも広く紹介される水棲両生類である。当該研究を持続させるうえで極めて重要である。しかしながら、室では、実験で使用するために飼育しているイモリに餌環境がどのように変化するのかは予測不能で、栄養不足を与えることを忘れることがたびたびあったが、多くのの状況が長期にわたることも自然界では珍しいことではイモリが死ぬことなく、見かけ上正常な状態で生育してない。

いることに驚かされることがたびたびあった。本研究は、こうしたイモリの持つ極限状況に対応する強靭な生命力生物は、進化の過程で頻発した環境変化に対する応に対する驚異の念が発端となった。

答には相応の準備をしているが、めったに遭遇しない外的なシグナルに対しては順応できないことが多い。
人類は長期にわたる絶食状態といった環境を避ける能

結果力を身に付けたが、代わりに、そうした生体外から栄蒸留水を含む水槽の中でイモリを飼育した。温度は４養補給が止められた状態に適応する能力を失ったかに度に保ち、２週間に一度、水の交換を行った。水槽内に見受けられる。

は蒸留水で満たし、餌は一切与えずに飼育した。この条

一般に栄養が不足する環境下で、細胞は速やかに代謝件下で 100 匹のイモリ（メス）について観察したところ、系を変化させると考えられている。例えば、栄養源を炭60%は死ぬこともなく外見上は正常であった。この処理

水化物から備蓄している脂肪に変えることで、低栄養条を行ったイモリを「飢餓イモリ」と呼ぶことにした。
一方、件に対する適応を試みる。オートファジーと呼ばれる自常温の蒸留水を含む水槽内で赤虫を餌として飼育したイ

己鈍食作用が、タンパク質をアミノ酸に分解・再利用すモリ（メス）を「飽食イモリ」とし、前者の処理をした

ることも知られている 1）2)。しかしながら、こうした知見は比較的短期間、低栄養状態を継続した実験から得たものである。おそらく、長期的な低栄養状態（飢餓状態）
では、代謝やオートファジーに加えて、まだよく解析されていない、未知の生体応答も生じると考えられるが、その分子制御に関する知見はほとんど知られていない。
その理由として、長期の絶食に耐える生物に関する知見が少なく、飢餓状態を実験室で再現できる高等脊椎動物のモデル生物が確立されていないことなどが理由として考えられる。
本研究では、１年間もの長期にわたり水槽内に水を満たし、低温下で飼育した本邦産アカハライモリ（Cynopus
図１

飽食状態のイモリ（左）と長期間（１年）の絶食状態にある飢餓イモリ（右）形態的には見分けがつかないが、代謝制御システムが大きく変化していると考えられる。

pyrrhogaster ）を用いて、飢餓に対する適応応答を分子・細胞レベルで明らかにすることを目的とした。比較対象として、十分量の餌が供給される常温下で飼育したイモ
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斉

藤寿

仁

イモリの比較対象とした。なお、飽食イモリの 1 年間および血液を採取し、それらの細胞の形態観察を行っの生存率は約 75%であった。飢餓イモリと飽食イモリ

た。細胞の観察はヒトの病理検査で一般的に用いられるそれぞれの肥満度を BMI 指数（Body Mass Index）を用Hematoxilin-Eosin（HE）染色を用いた。その結果、肝いて計測したところ、前者の BMI は 0.0466 で、飽食臓と血液以外の臓器にほとんど相違は観察されなかっイモリのそれは 0.0629 で、絶食により肥満度が減少した。しかしながら、肝臓については、組織全体の形や、たことが明らかとなった。1 年間の絶食状態で飼育した組織を構成する細胞の形などは飽食と飢餓イモリの間でこうしたイモリを、長期の絶食に適応したモデル生物と大きな差異は観察されなかったものの、飢餓イモリの肝した（図１）。

臓には図２に示すように、飽食に比べ多数の色素細胞が観察された。

長期に及ぶ絶食（飢餓）状態に対するイモリの適応応答の機序を分子・細胞レベルで明らかにするために、ま一方、血液を飢餓と飽食のそれぞれのイモリから採取ず飢餓と飽食のそれぞれのイモリから摘出可能な臓器し、抗凝固剤としてヘパリンを用いて、薄層塗抹標本を

図２
左：飽食イモリ

図３

肝臓の HE 染色像
右：飢餓イモリ （100 倍の観察像）

ライト・ギムザ染色によるヒトおよびイモリ血液像（上段：ヒト末梢血液像

中段：飽食イモリ
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下段：飢餓イモリ）

飢餓適応の分子基盤の解析作成し、ライト・ギムザ染色を行ったのが図 3 である。のそれについては、顕微鏡観察に必要最小量を得るので

図に示すように、両生類のイモリの血液中の赤血球はヒさえ厳しい状況であった（～ 100 μ l）。

トなどの動物細胞とは異なり有核で、凝縮したクロマチン構造が観察される。とりわけ飽食イモリの血液中に観考察察された赤血球では、核が明瞭でその内部のクロマチン

本研究では、アカハライモリに餌を与えずに 1 年間構造が濃染されていることからクロマチンの大部分が高もの間、飼育可能なことを示した。これにより、長期絶度に凝縮したヘテロクロマチンとして存在すると考えら食（飢餓）への適応システムの研究が可能な脊椎動物シれる。それに比べて、飢餓イモリの赤血球核の染色は淡ステムを構築できたと考えている（図１）。
本研究の結果、飢餓イモリと飽食イモリの間でいくつく、クロマチン構造は脱凝縮した状態にあると考えられかの異なる点が明らかとなった。まず、臓器レベルでのた。
次に、飢餓と絶食イモリの赤血球核の長径・短径をそ比較から、飢餓イモリの肝臓において多数の色素細胞がれぞれ計測したところ、飽食イモリの赤血球核は長径観察された（図 2）。また、最も、顕著な差異として血19.0 μm、短径 12.4 μm で、 長径 / 短径比は 1.53 に液の量と、血中の赤血球の形態、特に赤血球の細胞核内対し、飢餓イモリのそれは長径 29 μm、短径 19.3 μm で、のクロマチン構造が変化することを見出した（図 3、４）。

長径 / 短径比は 1.45 であった。このことから、飢餓イ絶食 1 年の赤血球核は飽食のものに比べ全体的に大きモリの赤血球核の体積が飽食イモリに比べて増大していく、クロマチン構造が脱凝縮する傾向にあったのは予想ることが明らかとなった。

してなかった。こうした現象の生理的な意義について

飢餓と飽食イモリのヘパリン処理した血液をサンプル

は、まだ十分理解されていないが、ヒトにおける病態ととして蛍光免疫染色を行った（図 4）。使用した抗ヒス

この飢餓イモリにおける血液の変化との間の類似性を考トン H3-K9 のメチル化修飾抗体と抗ヒストン H3-K27えてみた。その結果、巨赤芽球性貧血の際におきる症状のメチル化修飾抗体は２種類ともヘテロクロマチンのとの類似性に思い至った。この疾患は葉酸や VB12 が欠マーカーと考えられるヒストン H3 の修飾に対する特異乏することで DNA 合成障害が起こり、その結果、血球細的抗体である。飢餓イモリ赤血球中に見られた巨核赤血胞の分化・成熟過程の制御が破綻して起こることが知ら球を観察すると、H3K9、H3K27 は飽食イモリの正常れている 。仮に、この類推が正しいとすると、飢餓イサイズの赤血球核に比べて蛍光量が低く観察された（図モリはヒトの貧血に類似の状態にあり、飢餓イモリは低4 中の矢印で示した細胞）。

酸素状態と類似の生理的な状況に陥っていると予想でき

3)

最後に、イモリの体中の全血液量の比較を試みた。全る。赤血球は主に生体内に酸素を供給する働きが主であ採血を行った結果、飽食イモリ一匹あたりに採取できる

るが、極限環境（絶食、気温の低下、低酸素下等）ではサンプル量は約 200 μ l であるのに対して、飢餓イモリ赤血球を脾臓で分解しそれをエネルギーに変えていると

図４

ヒストン修飾抗体を用いた免疫染色（左）飽食イモリ血液 （右）飢餓イモリ血液（上）anti- ヒストン H3K27 メチル化抗体 （下）anti- ヒストン H3K9 メチル化抗体3斉藤寿4)仁いった報告もある 。これは肝臓の色素細胞で作られる修飾の変化と脱凝縮したクロマチンが観察されることが物質がホルモンに作用し、心拍数を抑え、酸素の消費を明らかとなった。この現象は、ヒトの巨赤芽球性貧血の抑制することに由来すると考えられる。同様の代謝シス症状と類似性すると考え、飢餓適応の分子機序の一つにテムが飢餓状態において作動していると考えてはどうだ

低酸素応答が関わる可能性を考察した。低酸素により体ろうか。

全体の代謝の低下が誘導されたと考えると、飢餓イモリ

ところで、ヒトを含むほ乳類の雌が、妊娠期間中に栄に特有の貧血（血液量の減少）と肝臓の色素細胞の増加

養不足状態が長期にわたって継続すると、母体の代謝応は、長期の絶食に対する、酸素消費と代謝量を調節する答（飢餓応答）が胎内のヒストンや DNA のメチル化修反応であると説明できる。

飾といったエピゲノム制御に影響し、子供の発育や神経発達に障害が観察されることが報告されている。現在、謝辞本研究を行うにあたり、財団法人三島海雲記念財団かなぜ長期の絶食に対し、その効果がエピゲノム変化を介5)して世代を超えて伝播するのかは不明であるが 、本シら研究助成を受けました。ここに篤く感謝申し上げます。

ステムはアカハライモリのメスを用いているので、飢餓研究を遂行するにあたり、熊本大学大学院自然科学研究状態にあるメスに産卵させ、そこから生まれるイモリの科博士課程前期１年の河田仁さん、同大学理学部理学科解析が可能である。今後は、飢餓イモリの実験システム生物環境プログラム４年生の南早紀さんの協力を得ましを用いて、世代を超えたエピゲノムに対する変化に対すた。ここに深謝します。

る解析も行っていきたいと考えている。
文

要

献等

1) T. Wang, et al.,: Annu. Rev. Physiol ., 68, 223-251, 2006.

約2) K. Lenaerts, et al.,: J. Proteome Res ., 5, 2113-2122, 2006.

1 年間、外部からの栄養補給を絶ったアカハライモリ

3) M. Spinazzi, et al.,: Nat. Rev. Neurol . , 6, 288-293, 2010.

では、１）肝臓に多くの色素が蓄積し、２）血液の量が4) G. Frangioni, et al.,: J. Exp. Zool ., 302, 123-131, 2005.

減少し、血中の赤血球の形態、特にヒストンのメチル化

5) J. Foret, et al.: BMC Genomic , 10, 472 (1-11), 2009.

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