研究内容

Research

生物発光の起源と進化

私たちは、「生物はなぜ、どのようにして発光能力を獲得したのか？」という進化生物学上の未解決問題に挑んでいます。街中から森林・深海まであらゆるフィールドを舞台に、未知の発光生物の探索を行うと同時に、新しい研究モデルとして飼育系の立ち上げも手掛け世界に先駆けた研究を展開します。

生物発光の進化を知る上で、ルシフェリン（発光分子）とルシフェラーゼ（発光タンパク質）に注目しています。様々な生物でどのようなルシフェリンやルシフェラーゼが使われているかを明らかにし、それら分子の進化過程を明らかにすることで、発光能力の進化過程を明らかにすることができると考えています。具体的には、最先端のゲノム解析や生化学的手法を駆使して、その発光メカニズムを分子レベルで解明しています。

これまでの研究では、魚類キンメモドキが餌生物からルシフェラーゼそのものを取り込み利用する「盗タンパク質（Kleptoprotein）」現象を世界で初めて発見・実証しました。摂食されたタンパク質が数ヶ月以上も分解せずに本来の触媒活性を持つことはこれまでの常識を覆す発見でした。食う-食われるという生態系の基本的な関係を通して生物発光は独立して何度も起きてきました。この「生物発光の収斂進化」の全貌と、その進化的起源の特定を目指しています。

On the Origins of Bioluminescence
We tackle a fundamental question in evolutionary biology: "Why and how did organisms acquire the ability to produce light?" Our research spans diverse fields—from urban environments to forests and the deep sea—in search of unknown bioluminescent organisms. Concurrently, we are establishing novel breeding systems for these organisms to pioneer world-leading research using emerging models organisms.

To understand the evolution of bioluminescence, we focus on luciferin (light-emitting small molecules) and luciferase (catalytic proteins/enzymes). We believe that identifying the types of luciferins and luciferases used across various species, and tracing their molecular evolution, will allow us to reconstruct the history of bioluminescence itself. Specifically, we employ cutting-edge genomic analysis and biochemical techniques to elucidate these light-producing mechanisms at the molecular level.

In our previous work, we reported the world's first discovery of "Kleptoprotein" bioluminescence, in which the golden sweeper fish (Parapriacanthus ransonneti) sequesters luciferase directly from its prey. Surprisingly, the ingested protein is maintained for several months while retaining its original enzymatic activity. Through such fundamental predator-prey interactions, bioluminescence has evolved independently multiple times. We aim to uncover the full scope of this "convergent evolution" and identify the evolutionary origins of living light.

キンメモドキ x 盗タンパク質

キンメモドキは、太平洋沿岸の浅い海に生息し、数千匹からなる大きな群れが美しい魚です。実は、キンメモドキは腹側に発光器官をもち、薄暗い環境では自分の影を隠すため（カウンターイルミネーション）に発光します。
面白いことにキンメモドキは、発光に必要なルシフェリンやルシフェラーゼを自分で作ることができず、餌である発光性甲殻類のトガリウミホタルから取り込んで利用しています。他種の生物から摂取されたタンパク質が、分解されずに本来の機能として利用される現象（盗タンパク質）は、発達した消化器官を持つ動物において初めての発見でした。どのようにして、発光酵素としての機能を数ヶ月以上も保持することができるのか。その仕組みは全くわかっていません。私たちは、生化学実験や、組織・細胞培養、ゲノム解析など多角的なアプローチで、盗タンパク質が取り込まれる仕組みを解明しようとしています。
また、キンメモドキが属するハタンポ科において、光らなかった魚が、どのようにして、盗タンパク質という機構を獲得し、光るようになったのか、その進化についても興味を持っています。

Parapriacanthus x Kleptoprotein

The Golden sweeper, Parapriacanthus ransonneti, is a fish that inhabits the shallow waters along the Pacific coast, often forming shimmering schools of thousands. Beneath their radiant exterior, these fish possess light organs on their ventral side, which they use for counter-illumination—a role of bioluminescence to cancel out their silhouette against downwelling light in dim environments.
Intriguingly, P. ransonneti cannot produce the essential components for light—luciferin and luciferase—on its own. Instead, it acquires them by consuming bioluminescent crustacean sea fireflies, Cypridina noctiluca.
The phenomenon where a protein ingested from another species is utilized for its original function without being digested is known as "kleptoprotein." Our discovery of this mechanism in P. ransonneti marked the first time. How these fish manage to maintain the enzymatic activity of the stolen luciferase for months remains a complete mystery. We are dedicated to unraveling the mechanisms behind kleptoprotein uptake through a multidisciplinary approach, including biochemistry, cell biology, and bioinformatics.
Furthermore, we are also interested in the evolutionary history of the family Pempheridae. We seek to understand how ancestral, non-luminous fish evolved to acquire this remarkable kleptoprotein system and successfully harnessed the power of biological light.

新奇発光分子・遺伝子の同定

生物発光は、様々な系統で独立に進化し、100回以上の起源をもつと考えられています。このうち、イカや魚といった約20の系統が発光バクテリアと共生することで、発光能力を獲得しました。そのほかの生物では、盗タンパク質あるいは自前のルシフェラーゼによって発光す流のですが、それらの遺伝子が解明された例は10個程度しかありません。つまり、およそ７割の生物発光システムは未解明なのです。
ルシフェリンやルシフェラーゼが全くわかっていない生物には、森の落ち葉からみつかるアカイボトビムシや、磯でみつかるようなウロコムシなどといった身近な生物から、アカサンゴスナギンチャクといった深海生物があります。
これらの生物をフィールド調査で採取し、研究室で科学的な実験・解析によって、かれらのもつルシフェリンやルシフェラーゼの構造を決定する（同定する）ことで、発光の仕組みを明らかにしようとしています。
ルシフェリンの構造やルシフェラーゼの遺伝子配列を明らかにすることで、それらがどのように誕生したのか、すなわち進化の歴史を辿ることが可能になります。

Novel Bioluminescent Systems

Bioluminescence is a privileged example of convergent evolution, having evolved independently more than 100 times across diverse lineages. Among these, approximately 20 lineages—including certain squids and fishes—acquired their glow through symbiosis with bioluminescent bacteria.
However, for the majority of other luminous organisms, the light is produced either through kleptoprotein mechanisms or their own endogenous luciferase. To date, the genetic basis for these systems has been decoded in only about 10 lineages. This means that rest of luminous taxa–roughly 70% of bioluminescent systems in nature remain a complete mystery.
Our research targets a wide array of organisms whose luciferins and luciferases remain entirely unidentified. These range from common creatures found in our own backyards to the mysterious inhabitants of the deep sea, such as springtails, scale worms, and zoanthids.
By conducting rigorous fieldwork to collect these specimens and performing advanced scientific analysis in the lab, we aim to determine (identify) the molecular structures of their luciferins and luciferases. Through this process, we strive to illuminate the fundamental mechanisms of biological light.
By identifying the chemical structures of luciferins and the genetic sequences of luciferases, we can trace the history of their emergence—effectively reconstructing the evolutionary journey of how these organisms first learned to harness light.

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