発光メカニズム解明による全地球規模での発光生物フロンティア開拓

• Project/Area Number: 18KK0199
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 三谷 恭雄 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究グループ付 (10358103)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 蟹江 秀星 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究員 (10828304) ; 近江谷 克裕 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 招聘研究員 (20223951) ; 二橋 亮 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 上級主任研究員 (50549889) ; 光田 展隆 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 副研究部門長 (80450667)
• Project Period (FY): 2018-10-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2018: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 生物発光 / ルシフェラーぜ / ルシフェリン / ゴカイ / 分子系統解析 / ウミホタル / ルシフェラーゼ / 発光生物 / 発光酵素

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、世界に散在する発光生物について発光酵素遺伝子の取得等を通じて、その多様性を明らかにするとともに、発光機能獲得の意義に迫ろうとしている。2022年度までは、COVID-19の影響により、当初予定していた北米他の研究者らとの共同試料採取や実験実施が困難な状況が続いていた。2023年度には、ようやく海外渡航も可能な状況に戻りつつあったが、先方の研究者との調整がつかず、また、渡航費が想定以上に高騰していたこともあり、手元試料での解析を優先させた。そのため、引き続き、これまでに解析を進めてきた発光ゴカイの国内種やウミホタルルシフェラーゼの応用利用に向けた研究などを進めた。これまで難航していた国内種発光ゴカイ由来ルシフェラーゼについては、組換え発現系の構築に見通しがついたため、構造解析に向けた大量生産を進めている。また、ウミホタルの発光酵素について、国内種およびカリブ海地域の種を比較検討し、基質認識部位や活性部位の予測を行った。特に基質（ウミホタルルシフェリン）はイソロイシン由来と考えられる側鎖を持っているが、ルシフェラーゼによるS体とR体の認識が行われているかは不明であった。その理由は、これまではウミホタルルシフェリンのキラル分離を達成する手段がなかったことであった。本研究を通じて、キラル分離が可能となったため、それぞれに対する活性測定が可能となり、ルシフェラーゼによる基質認識の一端が明らかとなった。得られた結果をもとに、今後、カリブ海の種との比較など解析を進める。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本課題の中心的な位置付けとなる外国での共同研究先との合同フィールドワークが実施できていないという点において、想定より進捗が遅れていると考えられる。一方で、国内種を中心に解析を継続しており、結晶構造解析の準備も含め、想定以上の結果も得られつつある。

Strategy for Future Research Activity

ようやく本格的に海外渡航も可能な状況が整ってきたところであり、次年度に一部予算を繰り越したが、渡航費を捻出できるほどの額ではないため、次年度いっぱいで本課題のデータを精査し、論文執筆に進める。また、本課題で実施できなかった海外渡航も含め、別途、科研費等の申請を行い、研究推進の準備を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UCSB(米国)
• [Int'l Joint Research] Federal University of ABC(ブラジル)
• [Int'l Joint Research] UCSB(米国)
• [Int'l Joint Research] Federal University of ABC(ブラジル)
• [Int'l Joint Research] UCSB(米国)
• [Int'l Joint Research] University of California Santa Barbara(米国)
• [Int'l Joint Research] New York University, Abu Dhabi(アラブ首長国連邦)
• [Int'l Joint Research] UCSB(米国)
• [Journal Article] Bioluminescence of (R)-Cypridina Luciferin with Cypridina Luciferase (2024)
  • Author(s): Kanie Shusei、Wu Chun、Kihira Kiyohito、Yasuno Rie、Mitani Yasuo、Ohmiya Yoshihiro
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 25 Issue: 5 Pages: 2699-2699
  • DOI: 10.3390/ijms25052699
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genome analysis of Phrixothrix hirtus (Phengodidae) railroad worm shows the expansion of odorant-binding gene families and positive selection on morphogenesis and sex determination genes (2023)
  • Author(s): Amaral Danilo Trabuco、Mitani Yasuo、Bonatelli Isabel Aparecida Silva、Cerri Ricardo、Ohmiya Yoshihiro、Viviani Vadim Ravara
  • Journal Title: Gene Volume: 850 Pages: 146917-146917
  • DOI: 10.1016/j.gene.2022.146917
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigating the diversity of bioluminescent marine worm Polycirrus (Annelida), with description of three new species from the Western Pacific (2023)
  • Author(s): Jimi Naoto、Bessho-Uehara Manabu、Nakamura Koji、Sakata Masahiko、Hayashi Taro、Kanie Shusei、Mitani Yasuo、Ohmiya Yoshihiro、Tsuyuki Aoi、Ota Yuzo、Woo Sau Pinn、Ogoh Katsunori
  • Journal Title: Royal Society Open Science Volume: 10 Issue: 3 Pages: 230039-230039
  • DOI: 10.1098/rsos.230039
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Potential use of Cypridina luciferin for quantifying alpha 1-acid glycoprotein in human serum (2022)
  • Author(s): Kanie Shusei、Mitani Yasuo
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 38 Issue: 12 Pages: 1555-1562
  • DOI: 10.1007/s44211-022-00191-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene Cloning and Functional Analysis of the Luciferase from Luminous Syllids of the Genus Odontosyllis (2022)
  • Author(s): Yasuno Rie、Mitani Yasuo、Ohmiya Yoshihiro
  • Journal Title: Bioluminescence: Methods and Protocols Volume: 1 Pages: 3-15
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2453-1_1
  • ISBN: 9781071624524, 9781071624531
• [Journal Article] Host-Dependent Producibility of Recombinant Cypridina noctiluca Luciferase With Glycosylation Defects (2022)
  • Author(s): Mitani Yasuo、Yasuno Rie、Kihira Kiyohito、Chung KwiMi、Mitsuda Nobutaka、Kanie Shusei、Tomioka Azusa、Kaji Hiroyuki、Ohmiya Yoshihiro
  • Journal Title: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Volume: 10
  • DOI: 10.3389/fbioe.2022.774786
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular insights into luminescence system of the pelagic shrimp <i>Lucensosergia lucens</i> (2022)
  • Author(s): Kanie Shusei、Komatsu Mami、Mitani Yasuo
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 86 Issue: 3 Pages: 368-373
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Violet bioluminescent Polycirrus sp. (Annelida: Terebelliformia) discovered in the shallow coastal waters of the Noto Peninsula in Japan (2021)
  • Author(s): Kanie Shusei、Miura Daisuke、Jimi Naoto、Hayashi Taro、Nakamura Koji、Sakata Masahiko、Ogoh Katsunori、Ohmiya Yoshihiro、Mitani Yasuo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-021-98105-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Selection, drift, and constraint in cypridinid luciferases and the diversification of bioluminescent signals in sea fireflies (2021)
  • Author(s): Hensley NM, Ellis EA, Leung NY, Coupart J, Mikhailovsky A, Taketa DA, Tessler M, Gruber DF, De Tomaso AW, Mitani Y, Rivers TJ, Gerrish GA, Torres E, Oakley TH.
  • Journal Title: Molecular Ecology Volume: 30 Pages: 1864-1879
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanically Assisted Bioluminescence with Natural Luciferase (2020)
  • Author(s): Schramm Stefan、Al‐Handawi Marieh B.、Karothu Durga Prasad、Kurlevskaya Anastasiya、Commins Patrick、Mitani Yasuo、Wu Chun、Ohmiya Yoshihiro、Naumov Pan?e
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 59 Issue: 38 Pages: 16485-16489
  • DOI: 10.1002/anie.202007440
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Luminescence of Cypridina Luciferin in the Presence of Human Plasma Alpha 1-Acid Glycoprotein (2020)
  • Author(s): Kanie Shusei、Komatsu Mami、Mitani Yasuo
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 21 Issue: 20 Pages: 7516-7516
  • DOI: 10.3390/ijms21207516
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Luciferase gene of a Caribbean fireworm (Syllidae) from Puerto Rico (2019)
  • Author(s): Mitani Yasuo、Yasuno Rie、Futahashi Ryo、Oakley Todd H.、Ohmiya Yoshihiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-019-49538-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel application of Macrolampis sp2 firefly luciferase for intracellular pH-biosensing in mammalian cells (2019)
  • Author(s): Gabriel Gabriele Ver?nica de Mello、Yasuno Rie、Mitani Yasuo、Ohmiya Yoshihiro、Viviani Vadim Ravara
  • Journal Title: Photochemical & Photobiological Sciences Volume: 印刷中 Issue: 5 Pages: 1212-1217
  • DOI: 10.1039/c8pp00573g
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel gene encoding a unique luciferase from the fireworm Odontsyllis undecimdonta (2018)
  • Author(s): Mitani Yasuo、Yasuno Rie、Isaka Minato、Mitsuda Nobutaka、Futahashi Ryo、Kamagata Yoichi、Ohmiya Yoshihiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 12789-12789
  • DOI: 10.1038/s41598-018-31086-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ヒトのα1-酸性糖タンパク質を利用したウミホタルルシフェリンの発光反応 (2023)
  • Author(s): 蟹江秀星、三谷恭雄
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] ヒトalpha1-酸性糖タンパク質が引き起こすウミホタルルシフェリンの発光 (2022)
  • Author(s): 蟹江秀星、三谷恭雄
  • Organizer: 第64回天然有機化合物討論会
• [Presentation] 新たな発光生物の探索とその発光分子機構解明への挑戦 (2021)
  • Author(s): 三谷 恭雄
  • Organizer: 生物発光化学発光研究会第３６回学術講演会
  • Invited
• [Presentation] ヒト血漿由来の糖タンパク質存在下でのウミホタル由来物質の発光 (2021)
  • Author(s): 蟹江 秀星、三谷 恭雄
  • Organizer: 第19回 産総研・産技連LS-BT合同研究発表会
• [Presentation] Global scale diversity of a novel luciferase candidate gene from the genus Odontosyllis (2018)
  • Author(s): Mitani Y, Yasuno R, Oakley HT, Ohmiya Y
  • Organizer: ISBC 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of N-Glycosylation Deletions on Cypridina Luciferase Activity (2018)
  • Author(s): Yasuno R, Mitani Y, Ohmiya Y
  • Organizer: ISBC 2018
  • Int'l Joint Research
• [Book] SUPERサイエンス 生物発光の謎を解く (2021)
  • Author(s): 産業技術総合研究所 近江谷 克裕 三谷 恭雄
  • Total Pages: 208
  • Publisher: シーアンドアール研究所
  • ISBN: 9784863543515
• [Remarks]
  • URL: https://www.aist.go.jp
• [Remarks] 産業技術総合研究所HP
  • URL: https://www.aist.go.jp
• [Remarks] 産業技術総合研究所HP
  • URL: https://www.aist.go.jp/
• [Remarks] 産業技術総合研究所
  • URL: https://www.aist.go.jp/
• [Remarks] 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 生物プロセス研究部門
  • URL: https://unit.aist.go.jp/bpri/