3.寄 稿 3.1植 物 遺 伝 子 研 究 に 志 す 植 物 遺 伝 子 研 究 に 志 す 生 体 制 御 情 報 系 助 教 授 湯 川 泰 動 物 か 植 物 か 今 で こ そ 、 四 十 に して 惑 わ ず 植 物 遺 伝 子 の 研 究 を 行 っ て い る が 、 そ も そ も植 物 の 研 究 を 始 め た の は 、 富 山 大 学 理 学 部 生 物 学 科 で4年 次 に さか の ぼ る。 バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー を 学 ぼ う と 大 学 へ 入 り 、 は じ め は 漠 然 と動 物 学 を 修 め よ う とい う気 持 ち が 勝 っ て い た が 、3年 の 後 期 の 段 階 で は 、 そ うい う気 持 ち は 完 全 に 消 え 失 せ て い た 。 動 物 実 験 で は 避 け られ な い 殺 生 に 少 な か らず 抵 抗 が あ っ た か ら で あ る 。 し か し 、 人 間 の 慣 れ と は す ご い も の で 、 動 物 学 の 諸 先 輩 方 は ま さ に す ば ら し き 順 応 性 を 示 し て い た 。 た だ 自分 的 に は 、 うな ぎ 数 千 匹 の 頭 部 か ら松 果 体 を 取 り 出 す よ う な 実 験 に は あ え て 慣 れ た く は な か っ た 。 実 験 材 料 の 残 りで 、 蒲 焼 き パ ー テ ィ ー が で き な い の は 誠 に 残 念 で あ る が 、 そ れ は仕 方 が な い 。 しか し、 そ うい うこ とな ら、 大 腸 菌 で も 、 酵 母 菌 で も 、 ゾ ウ リ ム シ で も 良 か っ た の で あ る が 、 当 時 遺 伝 子 を や っ て い た 研 究 室 が た ま た ま植 物 専 門 だ っ た の で あ る。 実 際 に 、 山 田 恭 二 助 教 授(当 時)の 研 究 室 に 飛 び 込 ん で 、 実 験 を 始 め て み る と こ れ が 失 敗 の 連 続 で あ っ た 。 ご 存 じ の 方 も 多 い と思 うが 、 植 物 は 細 胞 が 堅 牢 な 細 胞 壁 に 囲 ま れ て い る 。 故 に 、 カ ル フ ォ ル ニ ア の ジ ャ イ ア ン トセ コ イ ア は100メ ー トル 以 上 の 高 さ に な っ て も倒 れ な い 。 しか し 、 細 胞 を つ ぶ し て そ こ か ら何 か を 取 ろ う とす る と、 細 胞 壁 は 最 大 の 障 害 と な る 。 実 際 に は ワ ラ ビ の 葉 か ら葉 緑 体 を 単 離 し て 、 そ こ か らDNAを 抽 出 す る の で あ る が 、 細 胞 を 壊 す と、 細 胞 壁 も ろ と も 葉 緑 体 も 一 緒 に 壊 れ て し ま う。 更 に 、 植 物 細 胞 の 中 に は 大 き な 液 胞 と い う構 造 が あ る 。 細 胞 の 中 に あ る 巨 大 水 袋 で あ る が 、 こ れ が 曲 者 で タ ン パ ク 質 やDNAを 分 解 す る 酵 素 を た っ ぷ り含 ん で い る 。 細 胞 を 壊 す と 、 液 胞 も 壊 れ 、 細 胞 を 構 成 す る 物 質 も分 子 の レベ ル で 破 壊 され る 。 こ れ が 、 植 物 の も つ 生 化 学 ・分 子 生 物 学 的 研 究 を 妨 げ る 最 大 の 障 壁 で あ る 。 さ ら に ワ ラ ビ に は 、 ね ば ね ば した 多 糖 類 が 大 量 に 含 ま れ て い る 。 食 べ た と き に は 、 な ん と も 日本 人 好 み の 食 感 を 生 む が 、DNA取 り に は 邪 魔 者 で あ る。 い く ら精 製 して も ね ば ね ば がDNAと 行 動 を 共 に す る 。 生 物 学 の 素 養 だ と か 、 小 手 先 の 器 用 さ に は 多 少 な りの 自信 が あ っ た が 、 こ の 時 点 で 自 尊 心 は 完 全 に 打 ち 砕 か さ れ た 。 ワ ラ ビ は な ぜ か 墓 場 に よ く生 え て い る の で 、 そ う い う場 所 か ら実 験 材 料 を よ く収 穫 した 。 実 験 が うま く い か な い の は 、 霊 の た た りで
は な い か と疑 っ て み た り した 。 し か し今 思 え ば 、 こ の と き 大 い に も が き 苦 し ん だ 経 験 は 、 プ ロ の 実 験 系 と して 生 き て い く 上 で 計 り知 れ な い 財 産 と な っ た。 ま た 、 困 難 な 材 料 と して の 植 物 に 挑 戦 す る お も し ろ み を 覚 え た 。 は っ き り言 っ て こ の 分 野 は 、 実 験 は10回 に1回 う ま く い け ば よ い 方 だ が 、 そ の 一 回 の た め に 失 敗 の 困 難 を乗 り越 え て い る とい っ て よ い 。 遺 伝 子 の 発 現 機 構 研 究 名 古 屋 大 学 の 博 士 課 程 に 移 っ て か ら は 、 植 物 の 生 化 学 ・分 子 生 物 学 的 研 究 に 本 格 的 に 取 り 組 む こ と に な っ た 。 最 近 は よ く知 られ て い る が 、 生 物 は 全 て 遺 伝 子 を 持 っ て い る 。 生 物 が 遺 伝 子 に 含 ま れ て い る 遺 伝 情 報 を 実 際 に 使 う こ と を 発 現 とい う。 発 現 に は 大 き く 分 け て 転 写 と 翻 訳 が あ る 。 遺 伝 情 報 はDNA上 にACGTの 四 つ の 情 報 と して 刻 ま れ て お り、 例 え て み る とDNA
と い う磁 気 テ ー プ の 上 に2bitシ ー ケ ン シ ャ ル デ ー タ が 記 録 され て い る よ うな も の で 、 ヒ ト のDNAの 場 合 で 約30億 個 連 な っ て い る 。DNAは 記 録 の 保 管 場 所 な の で 、使 うとき に は そ の コ ピ ー をRNAに 写 し 取 る。 こ れ が 転 写 で 、RNAは そ の 後 タ ン パ ク質 情 報 を 持 つ も の に 限 っ て 翻 訳 と い う仕 組 み で タ ン パ ク 質 合 成 の 鋳 型 と し て 使 わ れ る 。(注:実 は 、 タ ン パ ク 情 報 を 持 た な いRNAが 大 半 で あ る こ と が 最 近 分 か っ て き て 、 大 部 分 のRNAは そ れ 自身 が 何 らか の 機 能 を 持 っ て い る 。)こ れ ら、 遺 伝 子 の 発 現 に 係 わ る 分 子 機 構 は 、 主 に 大 腸 菌 や 動 物 、 酵 母 菌 を使 っ て 明 らか に され た も の で あ る 。 そ れ に は 理 由 が あ る。 細 菌 類 は 、 自 らの構 造 を単 純 にす る こ と で 進 化 して き た 生 き 物 で あ り、 材 料 と して 扱 い や す い 上 に 遺 伝 子 の 発 現 機 構 も シ ン プ ル で 、 研 究 が 早 く か ら進 ん だ 。 同 じ理 由 で 、 真 核 生 物 で あ り な が ら も っ と も コ ン パ ク トな 形 態 を 持 つ 酵 母 菌 も 分 子 生 物 学 的 研 究 が 進 ん で い る。 動 物 は 医 学 的 な 見 地 か ら莫 大 な 予 算 を つ ぎ こ ま れ て い る 。 そ れ に 対 して 、 植 物 は 分 子 生 物 学 的 研 究 が ほ とん ど進 ん で い な い と い っ て 良 い 。 そ れ に は2つ の 理 由 が あ り、 一 つ は 前 述 し た と お り材 料 と して の 困 難 さ で あ る 。 も う一 つ は 一 般 論 と し て 、 植 物 は ヒ トに と っ て 緊 急 の 生 き 死 に 関 わ る 問 題 で は な い の で 、研 究 が後 回 し に され て い る 。 確 か に 、 ガ ン 撲 滅 やAIDS撲 滅 の 方 が 先 の よ うな 気 が す る 。 植 物 の 遺 伝 子 研 究 そ ん な 中 、 名 古 屋 大 学 の 遺 伝 子 実 験 施 設 で は 、 杉 浦 昌 弘 教 授 の 下 、 植 物 の 分 子 生 物 学 研 究 に 取 り組 ん で い た 。 そ こ で 、 転 写 の 分 子 生 物 学 的 研 究 を 始 め 現 在 に 至 っ て い る 。 高 等 植 物 遺 伝 子 の 転 写 の 分 子 機 構 と い う の は 、 ほ と ん ど分 か っ て い な い こ と は 述 べ た 。 しか し植 物 は 、 研 究 の 進 ん で い る 細 菌 、 酵 母 、 動 物 に 比 べ る と 似 て い な い 部 分 が か な り大 き い 。 し た が っ て 、 先 行 した 研 究 そ の ま ま 、 全 く 同 じ と は 考 え て は い け な い 。 で は ど うや っ て 、 転 写 の 分 子 機 構
を 調 べ る の か と い う と 、in vitro転 写 系 と い う方 法 を 使 う。 転 写 は 細 胞 の 中 で 行 わ れ て い る が 、 転 写 を 行 う装 置 を 生 化 学 的 に 分 離 し て 、 そ れ を 試 験 管 の 中 で 再 現 す る の で あ る 。 実 は 細 菌 、 酵 母 、 動 物 は こ の 方 法 の 確 立 が 早 い 時 期 に な され て い た 。 大 腸 菌 で1970年 代 初 め に 、 精 製 し たRNA合 成 酵 素(RNAポ リ メ ラ ー ゼ)を 使 っ て 、tRNAやrRNAのin vitro転 写 が 行 わ れ て い る 。 真 核 細 胞 由 来 で は 、1979年 にWei1ら(1)に よ っ て 、 精 製 したRNAポ リメ ラ ー ゼII
(PolII)と 細 胞 抽 出 液 を 混 ぜ る こ とに よ っ てin vitro転 写 が 実 現 し た 。 そ の 後1980年 に は Manleyら(2)が ヒ トの 不 死 化 し た ガ ン 細 胞 で あ るHeLa細 胞 の 全 抽 出 液 を使 っ て 、1983年 に は Dignamら(3)が 、HeLa細 胞 の 単 離 核 を 用 い る 方 法 で 優 れ たin vitro転 写 系 を 完 成 させ た 。 今 日ま でDignam法 はin vitro転 写 系 の ス タ ン ダ ー ドで あ り、 広 く用 い られ て い る 。 植 物 で の 試 み は 、 動 物 か ら さ ら に7年 遅 れ て 、Yamazakiら(4)とFlynnら(5)に よ っ て な され た 。 しか し、 材 料 と して 当 時 植 物 の 生 化 学 に 広 く 用 い られ て い た 小 麦 胚 芽 を 用 い て い た た め 、 転 写 す る 遺 伝 子 と決 して 転 写 し な い 遺 伝 子 が あ り、 植 物 の 転 写 研 究 に 一 般 化 し な か っ た 。 時 は 過 ぎ 、 材 料 に 起 因 す る 困 難 さ を 克 服 す る た め に 、 培 養 細 胞 が 使 わ れ る よ う に な っ た 。 転 写 の 研 究 に 大 き な 貢 献 を 果 た し た の が 、 日本 専 売 公 社(現JT)で 開 発 され た タ バ コ の 培 養 細 胞BY-2細 胞 で あ る 。BY-2細 胞 は 成 長 速 度 が 速 く、 液 体 培 養 し て も 大 き な 固 ま りに な らず 、 細 胞 内 に 固 い 構 造 を 有 し な い の で 、 マ イ ル ドな 条 件 で 核 を 単 離 す る こ とが で き る 。 通 常 は1.5リ ッ トル の 培 養 液 か ら1グ ラ ム の 核 を 単 離 して 使 用 して い る が 、 植 物 で1グ ラ ム と い う"大 量"の 核 を 単 離 で き る の はBY-2が 唯 一 の 例 と い っ て よ い 。 単 離 し た 核 か ら は 、HeLa細 胞 のDignam法 を 踏 襲 した 方 法 で 、 核 抽 出 液 を 調 製 す る 。 す る とそ こ に は 転 写 を 行 うの に 必 要 と な る 装 置 が 含 ま れ て お り、 試 験 管 の 中 で 鋳 型 と な るDNAとRNAの 材 料 で あ る デ オ キ シ ヌ ク レ オ チ ド三 リ ン 酸 を 加 え て 温 め る と、 試 験 管 の 中 でDNAの コ ピ ー と な るRNAが 合 成 され る。 実 際 や る こ と は 、 混 ぜ て 温 め る だ け で あ る が 、 そ こ に は 膨 大 な 失 敗 と努 力 の 成 果 が 詰 ま っ て い る。 杉 浦 研 で 初 め て 高 等 植 物 由 来 で 一 般 使 用 可 能 なin vito転 写 系 が 確 立 し た の は1995年 で あ り(6)、 動 物 に 遅 れ る こ と15年 で や っ と分 子 の レベ ル で 転 写 の 仕 組 み を解 析 で き る道 具 を 手 に し た こ と に な る 。 細 胞 核 の 中 で 行 わ れ る 転 写 は 、 大 き な タ ン パ ク 質 複 合 体(RNAポ リ メ ラ ー ゼ) で そ の 反 応 が 触 媒 さ れ て い る 。RNAポ リ メ ラ ー ゼ に は 、 こ れ ま で3種 類 が 知 ら れ て い た 。
リボ ソ ー ムRNAを 合 成 す るRNAポ リ メ ラ ー ゼ1(PolI)、 メ ッ セ ン ジ ャ ーRNA合 成 を 触 媒 す るRNAポ リ メ ラ ー ゼII(PolII)、 そ し て 低 分 子 安 定RNA合 成 を 触 媒 す るRNA ポ リ メ ラ ー ゼIII(PolIII)で あ る 。 タ バ コ 由 来 のin vitro転 写 系 は そ の 全 て の 転 写 活 性 の 解 析 が 可 能 な 極 め て 汎 用 性 の 高 い も の で あ る 。(注:植 物 で は 最 近 、 遺 伝 子 の サ イ レ ン シ ン グ に 関 わ る4番 目 のRNAポ リメ ラ ー ゼ が 見 つ か っ て い る。)
植 物 学 の 現 状 と将 来 植 物 の 遺 伝 子 発 現 に 関 す る 分 子 学 的 研 究 は 立 ち 後 れ て い る と述 べ た 。 そ れ は 、 ヒ トの 生 き 死 に 関 わ ら な い た め と述 べ た 。 しか し 自 分 で 述 べ て い て な ん だ が 、 こ の 表 現 は い さ さ か 正 確 性 に 欠 い て い る 。 確 か に 、 緊 急 性 を 要 す る病 気 治 療 に 資 金 や 人 材 を 投 入 す る 必 要 が あ る 。 し か し 、 こ れ か ら深 刻 に な る で あ ろ う環 境 悪 化 や 人 口爆 発 に 伴 う食 料 問 題 、 エ ネ ル ギ ー 問 題 を 解 決 す る に は 植 物 の も つ 潜 在 力 に 頼 ら ざ る を得 な い こ とは 間 違 い な さ そ うで あ る 。 例 え ば 、 最 近 の 石 油 価 格 高 騰 の た め 、 植 物 か ら作 られ た バ イ オ エ タ ノ ー ル の 利 用 が 急 速 に 増 え つ つ あ り 、 北 米 で は 遺 伝 子 組 換 え トウ モ ロ コ シ の 作 付 け が 急 速 に 伸 び て い る 。 これ は 、 工 業 原 料 と な る 植 物 の 生 産 性 を 向 上 さ せ る た め で あ る 。 植 物 の 遺 伝 子 を 操 作 して 、 作 物 の 生 産 性 向 上 や 高 付 加 価 値 植 物 の 開 発 す る 試 み を 効 率 的 に 進 め る た め に は 、 遺 伝 子 の 発 現 制 御 を よ く知 っ て お く の が 理 想 的 で あ る。 遺 伝 子 発 現 の 詳 し い 仕 組 み が 分 か ら な い 現 段 階 と し て は 、 有 用 な 遺 伝 子 を 植 物 に 入 れ て そ れ が 有 効 に 機 能 す る か ど うか は 実 は 予 測 で き な い 。 つ ま り う ま く い く か い か な い か は 、 一 か 八 か の 賭 な の で あ る 。 た だ で さ え 、 少 な い 予 算 と 人 材 を 無 駄 に 浪 費 し て い る こ と に な る 。 今 後 の こ と を 考 え る と 、 遺 伝 子 発 現 機 構 の 基 礎 研 究 の 重 要 性 は 強 調 し て も しす ぎ る こ と は な い こ と が お 分 か りだ と思 う。 現 在 は 、 遺 伝 子 組 換 え 植 物 の 風 当 た り は 決 して 良 い と は い え な い が 、 将 来 の こ と を 見 据 え て 基 礎 研 究 を 進 め て お く必 要 が あ る。 参 考 文 献
