寒冷バイオシステム研究センター
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１．赴任にあたって

　　　　　　　　　　　　　生体機能開発研究分野　教授 　上村松生

　雪の舞う盛岡駅に降り立って以来、すでに10日が経過した。約8年ぶりに日本に腰を据えて研究生活することになり、縁あって、このたび寒冷バイオシステム研究センターにお世話になることになった。盛岡は、寒冷バイオシステム研究センターが置かれている場所にふさわしく雪も適度に降り、気温もまずまず低く（北海道生まれの私としてはあまり気にならないが）、植物の寒冷適応機構を研究するにはもってこいの場所と思われる。これから多くの方々にお世話になるので、自己紹介を兼ねてこれまでの、そしてこれからの研究について書いてみたい。
　埼玉大学理工学部生化学科での卒業研究で植物細胞の凍結保存に携わって以来、大学院、日本学術振興会奨励研究員（北海道大学低温科学研究所）、日本学術振興会特別研究員（米国コーネル大学）、神戸大学理学部、そして再び、コーネル大学を経て現在に至るまで約20年間、植物細胞の寒冷適応のメカニズムを知りたくて研究を続けてきた。私が研究を開始した1980年代初めは、低温順化及び凍結傷害と原形質膜組成・機能の強い関連が示唆されていたが、その具体的因果関係は、全く不明であった。その関係を明らかにすることを大きなテーマにして、・原形質膜単離・精製法の確立、・低温順化過程または凍結過程での原形質膜組成変化、・低温順化過程での原形質膜組成変化と凍結傷害機構出現頻度との関連、・低温誘導遺伝子発現や細胞内糖成分の増加と膜安定性の関連、等について研究を行ってきた。
　原形質膜の生理・生化学的分析を行うには、高純度の原形質膜画分を単離精製する必要があると考え、試行錯誤の上、ポリエチレングリコールとデキストランから成る水性二相分配法が非常に効果的であることを見出した。この方法は、多くの植物（草本、木本を含む）に応用できる。
　こうして得られた原形質膜の低温順化過程又は凍結過程での組成変化を分析した。その結果、・低温順化過程で多くの植物（ライムギ、オートムギ、カモガヤ、キクイモ、シロイヌナズナなど）で共通して、リン脂質の増加や特異的タンパク質の増加あるいは減少が起こること、・低温順化過程での耐凍性増大の程度が異なる植物では、原形質膜脂質組成変動の様相が異なっていること、・凍結傷害が起こる温度まで凍結すると原形質膜でリン脂質の一種（ホスファチジルエタノールアミン）や特定のタンパク質（低温感受性タンパク質）が減少し原形質膜の透過性が増加すること、などを見出した。これらの結果は、低温順化過程及び凍結傷害の出現と原形質膜組成・機能が深く関連していることを示している。しかし、各々の変化がどのように耐凍性増大や凍結傷害に結びついているかは明らかにしていなかった。
　そこで、次に膜工学的手法（単離プロトプラストと特定脂質から構成されるリポゾームを融合させて原形質膜脂質組成を人工的に変化させる）、電子顕微鏡を用いた形態観察、さらに、リポゾームを用いた生物物理的実験を行った。その結果、低温順化過程で起こる・リン脂質（特にホスファチジルコリン）の増加が、凍結傷害機構の1つ（凍結後の融解過程で原形質膜が破裂してしまう；EIL）の出現を回避させること、・リン脂質の増加は、もう1つの凍結傷害機構（原形質膜の透過性が変化するため、融解過程で体積増加が起こらなくなる；LOR）の出現を減少させること、・原形質膜に存在する糖脂質（セラミドモノヘキシド）の減少もLORの出現減少と関連していること、を明らかにした。さらに、これらの結果は、個々の脂質成分の変化が耐凍性増大と直接関連しているのではなく、それらの変化によってもたらされる脂質-脂質の相互作用の変化の結果であることを示唆する結果も得られた。
　一方で、原形質膜組成変化以外の要因も低温順化過程で起こる凍結下での膜安定性の増大に寄与している。例えば、葉緑体包膜は凍結中に原形質膜と接近し不可逆的相互作用を起こすが、低温順化中に起こるその脂質組成変化は、その相互作用を抑えることを示している。また、シロイヌナズナの低温誘導遺伝子の1つ（COR15a）にコードされているタンパク質は、葉緑体ストロマに存在し、包膜内膜と相互作用してその安定性を増大させることにより原形質膜-葉緑体包膜間の不可逆的相互作用に影響を与え、その凍結安定性を増大させる。さらに、低温順化過程で蓄積する細胞内糖も凍結脱水中に起こる膜不安定化を抑えることが明らかになった。
　さて、これらの結果をもとに、これから寒冷バイオシステム研究センターで何を研究していくのかが次の課題である。上に述べたように植物が寒冷適応（特に凍結下で生存するため）には、膜の安定化が必須である。凍結下での膜安定性の増加には、・膜自体の改変によりその安定性を増大する場合、・膜以外の要因が膜安定化をもたらす場合、の2つがあると考えられる。
　今まで得られた結果は、低温順化過程で原形質膜脂質組成が大きく変わり耐凍性増大に結びついていることを示している。しかし、低温下でどのような機構で膜脂質組成の変化がもたらされるのか、つまり、低温下での膜代謝系に関する報告はない。原形質膜脂質は、小胞体、ゴルジ体を経由して膜小胞が原形質膜と融合することにより原形質膜に組み込まれ、その結果として原形質膜脂質組成変化がもたらされる。そこで、膜単位としての代謝系と膜成分の代謝系の両者について低温下でどのような制御を受け、膜改変に至っているのかについて調べていきたい。
　凍結下での膜安定化に関与する膜以外の要因として、低温誘導遺伝子の発現産物と細胞内に蓄積される糖・アミノ酸の影響を調べようと考えている。現在までに多くの低温誘導遺伝子が同定されているが、それらがどのように耐凍性増大に結びついているかは、ごく少数の例を除いて知られていない。凍結傷害が複数の要因によって決定されている事実から考えて、1つ1つの遺伝子の発現が耐凍性を大きく変える可能性は小さいと考えられるが、各々の遺伝子の作用機作を明らかにすることは、これらの結果を育種などに応用する際に非常に重要となろう。岩手大学内外にいらっしゃる分子生物学を専門とする方々に協力をお願いして仕事を進めていきたい。また、細胞内糖やアミノ酸の低温下での蓄積と耐凍性増大に関しても、凍結脱水下での膜安定化に関わる相互作用という観点から、形態学的・生化学・生物物理学的方向で仕事を進めようと考えている。さらに研究が進めば、これらの物質の低温下での代謝系制御についても調べていきたい。
　次に、以上の研究を基本とした課題は、得られた結果の応用であろう。例えば、凍結下での膜安定性に直接寄与する低温誘導遺伝子や、特定の凍結傷害機構を回避あるいは、減少させることに寄与する遺伝子が同定された場合、その遺伝子を導入することにより低温耐性を増加させた植物を作り出すことが可能になる。また、凍結に耐えない植物に処理をして少しでも耐凍性を付加すると、今までほとんど不可能だったこれらの植物の遺伝子保存法としての凍結保存が可能になるかもしれない。ただ、1つ付け加えておきたいのは、これら遺伝子導入による新規植物の作成には、そのための基本となる研究結果を蓄積し、十分な解析を行う必要があり、かなり長い時間を必要とする。さらに、遺伝子導入による副産物的現象も十分に調べる必要がある。
　赴任にあたって頭の中にあることをつらつらと書かせていただいた。私にとって願ってもない研究ができる場所を提供していただいて感謝している。「寒冷地生物の多様な未開発素材、特に寒冷耐性に関与する物質や機能性食品素材等の検索、及びそれらの遺伝子を利用した新たな機能開発デザイン等の研究」という生体機能開発研究分野の目的を達成すべく研究を進めていきたいと考えている。今後、多くの方々の御協力、ご助言を頂きたく思う。 （平成11年1月13日記）

２．自己紹介

　　　　　　　　　　　　　細胞複製研究分野　助教授　　　　　　　　　斎藤靖史

　DNAの分子構造の解明とそれに続く分子生物学の急速な発展により、生命現象、遺伝学などが分子レベルで解明されるようになった。特に遺伝子の発現調節、ゲノムの複製、組み換えのメカニズムはファージ、大腸菌を中心に解明された。一方、高等真核生物においてはそのゲノムサイズが原核生物と比較して格段に大きいことから、遺伝情報からの生命現象の解明は複雑である。さらに、多細胞生物であることから、遺伝子数が多く、それらの発現は組織特異的、発生の時期特異的に調節されている。また、DNAの複製もゲノム中で一斉に開始するわけではなく、Ｓ期の前期、後期に開始する部位が存在する。
　高等真核生物のゲノム中に占める遺伝子の割合はほんの数パーセントにすぎず、その他の部分のDNA配列の機能は明らかではない。私はこれらのゲノム中に存在する非遺伝子領域を構成するDNA配列に興味を持ち研究を進めてきた。これらの配列は存在しているだけで生物個体の生存に関しては何の機能も果たしていない可能性もおおいに考えられる。しかしながら近年の研究により、これらの配列のあるものは細胞周期の分裂期（Ｍ期）における染色体構造や間期における核構造の構築に重要な役割を果たしていることがしだいに明らかとなってきた。
　特に多細胞生物の場合、特定の分化した細胞は個体のあらゆる細胞で必要な遺伝子をもっていながら発現しているものはごくわずかである。そのため、分化した細胞においてはその大部分の不必要な遺伝子の発現を抑制する機構が必要であると考えられる。ゲノムDNAは核内においてタンパク質と複合体を形成し、高度に折り畳まれて存在している。この折り畳まれかたは一様ではなくある部分では高度に折り畳まれてヘテロクロマチンを形成し、ある部分では弛んだ構造をもつユークロマチンを形成している。このようなクロマチン構造の違いが遺伝子の発現、DNA複製の調節に重要な役割を担っていると考えられている。
　ニワトリの雌特有の性染色体であるＷ染色体は細胞周期の間期においても高度に凝縮したヘテロクロマチンボディーを形成している。私は水野重樹教授（東北大学農学部）の研究室において、Ｗ染色体の約60％の領域を占めるタンデム反復DNA配列について解析を進め、染色体上での局在性、特徴的な湾曲構造、メチル化修飾、後期複製について明らかにし、博士の学位を取得した。Ｗ染色体上の反復DNA配列が存在しない領域には遺伝子群が存在する可能性が考えられたので池田穰衛教授（東海大学総合医学研究所）の協力を得て、Ｍ期の染色体から直接Ｗ染色体DNAを回収し、ライブラリーを作製した。その後の水野研究室の研究により、Ｗ染色体特異的な非反復DNA配列のクローンが得られている。
　博士課程修了後、私はSDS-PAGE法を開発したUlrich K. Laemmli教授（ジュネーブ大学分子生物学研究所）の研究室において、SARsと呼ばれる特殊な非遺伝子DNA配列とＭ期（細胞分裂期）染色体構築との関係について解析を行った。染色体DNAは平均75kbのクロマチンループを折り畳みの基本単位とし、ループの基部（つなぎ止める部分）にはSARs配列と呼ばれる非常にATに富む数百bpの配列が位置している。SARs配列をＭ期染色体上で検出する方法と、三次元構造を維持したＭ期染色体の単離法の開発の成功により、Ｍ期染色体の三次元内部構造を明らかとした。
　この結果、遺伝子密度が高く、Ｓ期の前半に複製するＲバンドと後期に複製するＧバンド領域ではSARs配列配置がことなり、それが染色体バンド構造形成に関与し、染色体上のある領域の活性遺伝子の密度や、DNA複製の時期を規定していると考えられた。
　その後昨年まで、池田穰衛教授（東海大学総合医学研究所）の研究室の助手として、ヒトの4.7kbを基本ユニットとするタンデム反復DNA配列について解析した。この配列のコピー数は各個人で異なり高度に多型性に富んでいる。このユニット中に新規の脱ユビキチン化酵素遺伝子が存在していることを見いだした。これは反復配列として存在していながら実際に転写、翻訳されて脱ユビキチン化酵素として機能していることを確認した。通常、反復DNA配列は遺伝子として機能はせず、染色体上においてヘテロクロマチンを構成する構造ユニットとして機能している例が多く知られているがこの新規の反復DNA配列は遺伝子として機能していることから極めて特異な例であることがわかった。
　平成11年1月1日より、私は岩手大学農学部附属寒冷バイオシステム研究センター細胞複製研究分野の助教授に就任いたしました。これからは、これまでの研究を踏まえた上で、動物、植物における細胞複製機構と細胞分化、形質発現と核、染色体内におけるクロマチン構造について研究し、細胞機能の効率的・安定的改変に応用してみたいと考えています。