国内に生息する動植物の絶滅危惧種は3,690種※1、生息環境の破壊や気候変動などによって、その数はさらに増える可能性がある。そんな中、魚類の絶滅阻止に大きく役立つ手法が開発された。長期間超低温保存されたメダカの精巣から「生殖幹細胞」を取り出して、卵子と精子を生産し、正常な次世代メダカを誕生させることに成功したのだ(図1)。生殖幹細胞に着目して細胞の保存・再生を成し得たこの世界初の成果は、秋田大学、東京海洋大学、基礎生物学研究所の共同研究による。
※1 環境省レッドリスト2017より(本ページ末尾の関連リンク参照)
哺乳類よりも難しい魚類の再生
一般的に哺乳類の精子や卵子は超低温保存が可能で、我々ヒトの精子や卵子も然りだ。すでに不妊治療のための人工授精用などとして、精子や卵子が液体窒素で保存され、必要なときに融解され利用されている。一方、魚類の場合は、精子の超低温保存は可能だが、卵の保存は技術的に難しい。目に見えないほど小さい哺乳類の卵子に対して、イクラやタラコなどを思い浮かべれば分かるように魚類の卵はサイズが大きいため(メダカ約1ミリメートル、ヒト0.1ミリメートル)、冷却スピードが遅くなる。すると細胞の内部で氷の結晶が大きく成長し、細胞を破壊してしまうのだ。
生殖幹細胞を超低温で保存する
受精には精子と卵子の両方が必要だ。卵が冷却の途上で壊れてしまうようでは、魚類の種の保存はできない。そこで、研究グループが今回着目したのが精巣中にある「生殖幹細胞」だった。この細胞は、移植するとオスの体内では精子に、メスの体内では卵子になり、0.01ミリメートルと十分に小さい。
研究グループは2004年に、ヤマメにニジマスの精子を作らせることに成功した実績を持つ。そのときに利用したのは「始原生殖細胞」という、やはり精子にも卵子にもなる細胞だった。しかしこの細胞は稚魚にしか存在しないために、適正な日齢の稚魚を見つけ、採取する必要があった。また、その1.5センチメートルほどしかないニジマスの稚魚から始原生殖細胞を見つけ出すことも容易ではなかった。一方、今回着目した「生殖幹細胞」は、どの日齢の魚からも採取可能なため、比較的簡単に利用できるメリットがある。
細胞を壊さない超低温保存法「ガラス化」
さらに研究グループは、メダカの精巣を超低温で保存する手法として、細胞の生存率を高めるために「ガラス化」という方法を用いた。細胞内に氷の結晶ができないように、急速冷却によって、ガラスのような非結晶の構造で保存するという方法だ※2。まずメダカの精巣を熱伝導の良い銅のメッシュに載せ、0℃の凍結保護溶液に浸してから、?196℃の液体窒素で冷却する。融解する際は、温度の異なるスクロース水溶液(ショ糖水)に段階的に浸すことで、生存している生殖幹細胞を数年後(理論的には数千年後)でも用意することができるという。
※2 結晶は原子や分子が規則正しく配列された構造体である。これに対し、非結晶は、不規則な構造体である。冷却速度が大きいほど結晶は形成されず、小さいほど大きな結晶が形成される。
手法開発を主に担当した関 信輔(せき しんすけ)秋田大学助教は、「精巣をまるごと超低温保存するためのガラス化の手法開発に最も苦労しました。凍結する際の保護溶液の配合や温度、溶液に浸す時間、あるいは、融解の方法で最も効果的な条件を探すなどです。保存の操作は、できれば電気の届かないフィールドでも行えるように、できるだけ簡単・シンプルで、効率の良いことが求められます。私たちの論文を読んだ研究者が、いつでもうまく実施できるような手法を目指しました」と話す。
たった2匹から30〜50匹への移植が可能
オスとメスの稚魚(代理親)の腹腔に、緑色蛍光タンパク質(GFP)※3遺伝子で発光させた生殖幹細胞を移植して観察してみると、9日後には生殖幹細胞が自動的に生殖腺に移動し、オスの体内では精子が、メスの体内では卵子が作られることが確認された。またこの精子と卵子は、次世代を産み出すのに十分に機能的であることも分かった(写真1)。
※3 オワンクラゲが持つ蛍光性タンパク質。1962年に下村 脩(しもむら おさむ)博士によって発見された。博士はこれにより、2008年ノーベル化学賞を受賞。
関氏によれば、2匹の雄メダカの精巣を超低温保存しておけば、最大50匹の代理親への移植が可能で、その代理親の50?70%が、移植した細胞由来の精子・卵子を生産するとの結果が得られたという。
魚類の絶滅を防ぐ手助けを
プロジェクトの指揮をとる吉崎 悟朗(よしざき ごろう)東京海洋大学教授は、「この技術を使って、手助けしないと滅びてしまう世界中の魚を救いたいと思っています」と話す。環境保全の意識が少しずつ高まっている昨今、さまざまな環境保全団体や市民団体が、魚類の生息環境の整備や稚魚の放流などの地道な活動を各地で行っている。しかし、生息数の減少スピードが速すぎるために、そうした活動では絶滅が避けられない種もあるという。
吉崎氏は、「環境保全活動に積極的な人たちの中には、我々の研究のような『発生工学的アプローチ』に抵抗を感じる人もいるでしょう。しかし、種が一旦絶滅してしまうと取り返しがつきません。私たち人間はこの技術によって生態系にどのような影響があるのかを未だ知り得ませんが、絶滅してしまう前にとりあえずそれぞれの種の精巣を超低温保存しておこう、というのが私の提案です。将来必要なときが来たら、今回開発した手法で種の再生ができます。種を守るためのいくつかある方法に、新たな方法がひとつ増えたと考えてもらえれば」と語る。
「生殖幹細胞」からの種の再生にはもうひとつのメリットがある。例えば稚魚の放流では、異なる生息域から持ち込まれた遺伝的に異なる集団が使われるケースがあるが、これではその地域に固有の集団と遺伝的に異なる集団の交雑が起こってしまい、固有種の保存にはならない。
「世界中の魚類を守りたい」という研究グループの思いは、一連の手法が、どこでも比較的簡単に実施できることにこだわって開発された点にも反映されている。世界でレッドリストに載っている魚類は2,359種。絶滅の危機にさらされている種を救う新たな手法に期待したい。
(サイエンスライター 田端 萌子)