木内 信 衣料革命から医療革命へ 進化する カイコ技術3...

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Special Features 1

──誰でも一度は飼ったことがあるのではないかというカイコ。実は品種改良を重ねて人が創り出したともいえる生物であり、遺伝学を始めとする生物学の発展に貢献している。カイコは、人間の都合に合わせて長年にわたって改良されてきた生物で、いろいろな面から研究が重ねられ、多くの蓄積があります。たとえば遺伝学で有名なメンデルの法則が発見されたのはエンドウマメですが、動物でいち早くメンデルの法則が確認されたのはカイコです。現在では遺伝学のモデルといえばショウジョウバエということになっています。しかしそれ以前、動物における遺伝学ではカイコが最も進んでいました。一方、昆虫の中で最初に全ゲノム、DNAの塩基配

中国で始まった養蚕が日本に伝わったのは、およそ2000年前の1～2世紀頃といわれ、皇室などとも縁が深い。「シルクロード」の名の通り、かつて世界中の人々が絹を求め、それによって産業のみならず大きな文化を築くことにもなった。現代に至って日本では、絹という繊維の利用とともに医療分野での利用が期待されている。

衣料革命から医療革命へ進化する「カイコ技術」

列が解読されたのがショウジョウバエです。ゲノムサイズが小さいので解読も比較的簡単だったのですが、もっとゲノムサイズが大きいチョウやガの仲間で初めて全ゲノムが解読されたのがカイコです。

2004年にはこの研究所でカイコのゲノムをほぼ解読していました。一方、マユの生産量が世界で最も多い中国も、同じころカイコのゲノムを解読していたのですが、双方、完全に解読したといえるには解析量が足りませんでした。そこで協力して解析を進めることとなり、2009年にカイコの全ゲノムを高精度で解読することに成功したのです。それによりカイコのさまざまな遺伝子の働きを解明する研究や有用物質生産に関する研究が飛躍的に進みました。またカイコはガの仲間ですが、ガの幼虫である青虫、毛虫の中には農作物の大敵が多く、そうした害虫の研究モデルになる点でも、カイコは非常に重要な役割を果たしている昆虫です。先述したメンデルの遺伝の法則は、1865年にエンドウマメを用いて発見され、1900年に再発見されたのですが、1906年に、昆虫においてもメンデルの法則が成立することを発見したのは、タイで養蚕技術の指導にあたるため招聘されていた外

と

山やま

亀太郎博士です。外山博士はまた、遺伝的に異なる性質を持つ両親の間

世界に誇る日本のカイコ構成◉飯塚りえ composition by Rie Iizuka

イラストレーション◉小湊好治 illustration by Koji Kominato

独立行政法人農業生物資源研究所昆虫科学研究領域長

木内 信

木内 信（きうち・まこと）農学博士。独立行政法人農業生物資源研究所昆虫科学研究領域長。1978年4月農林水産省入省。1983年まで、当時松本にあった蚕糸試験場中部支場で天蚕の飼育法の研究に従事。その後、茨城県つくば市の蚕糸試験場本場に移り、主に、ホルモンによるカイコの発育制御の研究に従事。組織再編により、1988年蚕糸・昆虫農業技術研究所、2001年に独立行政法人農業生物資源研究所と名称変更。2009年3月日本蚕糸学会賞受賞。　　（写真：佐藤佳穗）

巻頭インタビュー

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カイコは品種改良の必要性から、遺伝学的研究がとても進みました。カイコは28対の染色体を持っていますが、どの染色体のどのあたりにどのような遺伝子が載っているかということも調べられ、染色体地図というものも作られました。1944年には、幼虫の斑紋を作る遺伝子を含む染色体の一部を放射線によって転座（染色体の一部を切断して他の染色体と結合させること）させ、斑紋があるかないかで雌雄を区別できる系統を創り出すという、染色体工学のさきがけ的な研究も行われています。カイコの全ゲノム解析が比較的簡単にできたのは、こうした遺伝学的研究の蓄積が豊富にあったからです。カイコは「絹を作るためだけに創り出された虫」ですから、「どうやったら良い絹をたくさん作れるか」という研究があらゆる角度から行われています。遺伝学だけではなく、カイコの脱皮や変態のしくみ、栄養吸収の経路、絹の成分であるフィブロインという絹タンパクの合成過程、フィブロインの性質の解明などといった研究が続けられています。中でも最近になって、遺伝子組換えが可能になって以降、カイコの利用法は大

に生まれたカイコが両親より優れた性質を持つこと（これを雑種強勢という）を発見しました。養蚕が始まったのは中国ですが、その後、日本やヨーロッパ、東南アジア、インドなど世界各地に広がり、中国種、ヨーロッパ種、日本種、熱帯種といった、それぞれの地域固有の品種群ができました。外山博士は、日本種と中国種が交配したカイコは、両親より丈夫で育てやすく、大きなマユを作ることを突き止め、一代雑種（交配した第一世代）の利用を奨励しました。日本のマユ生産は、この一代雑種の利用により飛躍的に向上しました。雑種強勢を利用した一代雑種は、今では非常に多くの農作物で利用されていますが、最初に実用的な利用が始まったのはカイコだったのです。

遺伝子組換えで大きく変化した利用法―遺伝学的研究が進む中、カイコの遺伝子組換えは、ショウジョウバエでの成功から15年を経てようやく成功し、これが医学への実用的な貢献につながっていく。

（左）幼虫の斑紋やマユの色、脱皮の回数など、カイコが持ついろいろな形質（特徴）の元になる遺伝子が、28対の染色体のどれのどのあたりにあるかを調べて図にした連鎖地図。この「地図」を作るためには膨大な回数の交配実験が必要となる。品種改良を重ねられたカイコだからこそ得られたものであり、ゲノムの解析にもその蓄積が大いに役立った。（上）カイコの品種数は数百以上といわれ、幼虫も斑紋から大きさまで多種多様。

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■変異系統と連鎖地図

連鎖地図：ナショナルバイオリソースプロジェクト（カイコ：九州大学）HPより

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きく変化しました。遺伝子組換え技術は、マウスなどで確立され、昆虫では1982年にショウジョウバエで初めて成功しています。しかし、それ以外の昆虫ではなかなか成功せず、カイコの遺伝子組換えは2000年になってようやくこの研究所で成功したのです。昆虫の遺伝子組換えでは、遺伝子の運び屋としてトランスポゾンという「動く遺伝子」を用います。遺伝子は生物の設計図ですから、簡単に変わってしまっては困るわけで、基本的に変わらないようにできているものですが、その中で特異なものがトランスポゾンです。トランスポゾンは、染色体から自分自身を切り出して別の場所に組み込む酵素を持っていて、染色体の中を動き回ることができる遺伝子です。その中に組み換えたい遺伝子を組み込んで外から入れてやると、染色体DNAの紐を切ってその間に入り、遺伝子組換えが起こるというわけです。ショウジョウバエの場合は、もともと持っていたp─エレメントというトランスポ

ゾンを使って遺伝子組換えに成功しています。ところがカイコではp─エレメントがうまく機能せず、ヨトウガの仲間が持っていたピギー・バック（piggyBac）というトランスポゾンを使うことで、ようやく組換えに成功しました。

標準タンパク質をカイコによって生産もう一つ、カイコの遺伝子組換えで難しいことがありました。組み換える遺伝子を外から卵に注射する必要があるのですが、マウスやショウジョウバエで使われている細いガラス針では、固い殻を持つカイコの卵にうまく注射できません。そこでタングステンの細い針でまず卵に穴を開けてからガラス針で注射するという方法を編み出しました。こうしてようやくカイコの遺伝子組換えに成功したのです。できてみれば簡単な話ですが、そこに辿り着くまでには大変な苦労がありました。一度、針で穴を開けて、そこにもう一度注射針を刺すというのは、手先がとても器用でなくては難しく、当時、この作業ができるのは研究所に一人しかいませんでした。今はコンピューターで針をコントロールできるので、多くの者ができるようになっています。遺伝子組換えが成功してからまだ10年余ですが、今では遺伝子組換えカイコが実際に産業利用されているというところまで技術的に進歩しています。―遺伝子組換えが成功したことによって、カイコを利用してタンパク質などの有用物質を生産するという医学的な利用ができるようになった。さらに、カイコをマウスのような実験動物の代わりに使うという試みも始まった。例えば、検査用の試薬や抗体の生産です。ヒトの血液検査では、比較対象となる標準タンパク質が必要となりますが、それを遺伝子組換えカイコによって生産しているのです。この場合、カイコは、本来作るべきタンパク質に加えて、組換えで外から入れた遺伝子の設計図を元に、人間が本来持っているタンパク質を作るのです。カイコがマユを作るために吐く糸は、フィブロインとセリシンという 2種類のタンパク質でできています。フィブロインが絹糸の本体です。セリシンはマユを作

カイコの遺伝子組換えには、ピギー・バックというトランスポゾンを利用する。コンピュータ制御が可能になるまで、組換えの作業ができる研究者は限られ、「職人技」が必要だった。

■遺伝子組換えカイコの作り方

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るときに糸を付着させる糊の役目をするタンパク質でフィブロインのまわりを包むような構造になっています。そして、カイコはフィブロインだけでなくセリシンも大量に生産します。セリシンやフィブロインが作られるのは、カイコの体内にある絹糸腺という組織で、絹糸腺はいくつかの部分に分かれていて、セリシンはその中の中部糸腺という組織で作られます。その部分で組換え遺伝子を発現させるようにすると、中部糸腺で人間が持っている酵素やインターフェロンが作られ、それがセリシンと一緒に糸について出てくるのです。絹糸の本体であるフィブロインは水に溶けませんが、一方、セリシンは水溶性で、マユから糸を引く時にも溶けて落ちますし、精練といって絹糸や織物にする最終工程でもセリシンを落とす作業をしますので絹糸にはセリシンは付着せず、目的とするタンパク質がセリシンとともに簡単に採れるのです。遺伝子組換えでさまざまなタンパク質を作ること自体は、大腸菌や酵母、さらに哺乳動物の培養細胞を使って行われていますが、では、なぜカイコを使うのか─。大腸菌や酵母といった単純な生物では、複雑な形をしたタンパク質や糖鎖を持ったタンパク質を作るのは困難です。一方、哺乳動物の培養細胞は、培養設備にコストがかかり簡単に生産規模を変えることができません。ところがカイコは、複雑なタンパク質や糖鎖がついたタンパク質も作れるし、大量生産を目的に改良されている虫なので、比較的簡単な設備でいくらでも増やすことができ、便利なのです。

絹糸を使った人工血管の開発この他、企業と共同で医薬品として使えるタンパク質生産の研究や、絹糸を使った人工血管の製造なども行っています。フィブロインから絹タンパク由来のゲルやスポンジのようなものを開発していますが、これは人間の軟骨細胞などを培養して軟骨を再生するなどの利用が考えられますし、フィブロインの中に細胞接

Special Features 1

着性を良くするタンパク質が含まれるよう、カイコの遺伝子を組み換え、その糸から包帯など傷を保護する医薬用品を作るといったことも研究されています。タンパク質由来の素材は、アレルギーを起こすことがありますが、絹は、昔から手術用の縫合糸に使われているように、人間の体に対して親和性があるようで、絹の粉末を利用した化粧品なども市販されています。もう一つ、私たちカイコの研究者にとっても意外な研究が進んでいます。カイコをヒトの病気の実験モデルとして利用し、医薬品を開発しようというのです。カイコと哺乳動物では体の構造が大きく違っていますし、代謝系にも違いがあります。ところが、意外なことに病原菌に対する反応や病原菌を注射したときの抗生物質による治療効果には共通性が高いことがわかってきました。また、カイコに大量のブドウ糖を与えると血液の血糖値が上がりますが、インシュリンを注射すると血糖値が下がる、つまり治療できることもわかったのです。試験管での実験と哺乳動物を使った実験の間をつなぐ実験動物として、カイコが重要な役割を果たすようになるかもしれません。―もちろん医学的な利用だけでなく、蛍光色の絹糸の開発など、本来の目的である絹の生産においても研究成果を上げている。遺伝子組換えカイコの研究は、もともと中国などに押されて国産の絹糸に競争力がなくなってきた1970

世界に誇る日本のカイコカイコの絹糸腺はタンパク質生産工場。部位によって作られるタンパク質が異なる。

■カイコの絹糸腺

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年代終わりごろから、付加価値のある絹糸の生産を目的に行われるようになりました。例えばクモの糸の性質を持った絹糸や、普通のカイコにない野蚕（カイコ以外の野生のマユを作る昆虫）の繭糸の性質を取り入れた糸を作ることなどです。蛍光色の絹糸は、当初、組換えの研究の過程で、組換えが起きたかどうかを確認するためのマーカーとして緑色蛍光タンパク質（GFP）を使っていたものですが、遺伝子組換えが成功してみたら、きれいな緑色に光るマユができたので、製品にしたというわけです。これが、ファッションデザイナー、桂由美さんの目に留まって、その糸を使ったウェディングドレスが制作されました。GFPだけでなく、オレンジや赤、緑といった蛍光タンパク質の遺伝子を入れたものも作りました。またクモの糸の性質を持った絹糸を作る研究も行われています。クモは一匹で何種類もの糸を作りますが、自分がぶらさがる牽引糸は非常に強いことが知られています。カイコにクモの糸の遺伝子を入れると、カイコのフィブロインの中にクモのフィブロインが混ざった状態で出てきます。クモのフィブロインはアミノ酸の組成がカイコとは違いますから、糸の性質もカイコとは異なります。クモの糸の強さと、絹のような滑らかさを持った糸というわけです。他にも、水の中で糸を吐いて巣を作るトビケラという昆虫の糸の遺伝子を

利用する研究も進んでいます。 ただ、これらが実用化されるまでには、越えなくてはならないハードルがあります。

カイコは高度に家畜化された生物蛍光絹糸を使ってみたいという需要は少なくありません。しかし残念ながら現在は、需要に応えられる状況ではありません。遺伝子組換えをした生物の利用に法的な規制があるからです。2000年1月に遺伝子組換え生物の使用による生物多様性への悪影響を防止することを目的とした「生物の多様性に関する条約のバイオセーフティに関するカルタヘナ議定書」が国連で採択され、これに基づいて日本では、「遺伝子組換え生物等の使用等の規制による生物の多様性の確保に関する法律（カルタヘナ法）」が成立、公布されました。そこでは遺伝子組換え生物の飼育について、「一種使用等」「二種使用等」という使用区分があり、使用が規制されています。「二種使用等」は、生物が外に出て行かない環境で閉じ込めて飼育するもので、特にカイコの場合、元々動かない昆虫ですから、研究所の中で閉じ込めて飼うのは比較的簡単なことです。ところが洋服を作れるほどの絹糸を作るには、何十万というカイコを飼育する必要があり、実験室ではできません。つまり、ある程度の量を供給するには養蚕農家が飼育する必要があるのですが、それは「環境への拡散を防止しないで行う」という「一種使用等」で飼育することになります。「一種使用等」で飼育するには、農林水産省に環境への影響などを申請し、承認を得なくてはなりません。そのため今のところ養蚕農家が簡単に遺伝子組換え生物を使うのは難しいのです。遺伝子組換え生物の「一種使用等」をする場合には、

（左上）普通の光を当てた絹糸腺。（右上）蛍光を当てると蛍光タンパク質が発現している中部糸腺だけが緑色に光る。（右）中部糸腺を水に溶かすと蛍光タンパク質が簡単に精製できる。

蛍光絹糸。紫外線の下で光を放つ。需要は高く、実用化に向けて環境整備が求められている。　　　　（写真：佐藤佳穗）

■カイコの中部糸腺での緑色蛍光タンパク質（GFP）の発現

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その遺伝子組換え生物が生物多様性に与える影響を前もって評価しておくことが必要です。そこで、遺伝子組換えカイコの環境（生物多様性）への影響についても研究が進んでいます。カイコの先祖は中国に生息しているクワコという昆虫ですが、クワコは日本でも沖縄地方を除く全国にいます。カイコとクワコは、元は同じ種ですから交配して子孫ができます。カイコが日本に入ってきたのは2000年も前ですから、どこにでもいるクワコと交配があった可能性はあります。そこで過去にカイコがクワコと交配し、カイコの遺伝子が入ったクワコがいるかどうか調査を行いました。3、4年ほどかけて日本各地からクワコを集めて数千頭のクワコを調べましたが、カイコの遺伝子は見つかっていません。つまりカイコが外に出て行ってクワコと交配し、子孫を残した可能性は極めて低いということになります。遺伝子組換えカイコといっても、組み換えた遺伝子以外の性質は元のカイコと同じなので、これまでと同様の飼い方でも、外に出て環境に影響を与えることはないのではないか、と考えています。

「軍艦は絹を売ったお金で買った」―カイコの成り立ちに目を向ければ、「家蚕」「養い子」という字があてられるように、野生のものはまったくいない。そのカイコは、歴史的に日本の経済を支え、現代においては医学の発展に貢献し、また新しい産業となるべくさまざまな絹を吐くカイコが作られる。カイコの祖先種であるクワコは、中国にも日本にもいますが、カイコの元になったのは中国のクワコだということが分かっています。野外にいたクワコはクワの葉を食べて、木の上で貧弱なマユを作っていました。そして少なくとも5000年以上前から、人間はそのマユから繊維をとって使っていたのです。最初は野外からマユを集めて糸を作っていただけですが、そのうちクワコを集めて飼うようになりました。それが今のカイコの先祖です。その後、中国では養蚕が盛んになり国内で生産された絹糸はシルクロードを通ってヨーロッパに輸出されるようになりましたが、カイコを中国から国外に持ち

出すことは厳しく止められていました。それにもかかわらず、養蚕は、世界中に広がりました。それについては、西方に嫁ぐお姫様が帽子に隠してカイコを持ち出して広まったとか、お坊さんが杖の中に卵を隠して持って行き、ヨーロッパに広めたとか、さまざまな伝説があるほどです。いずれにせよ、いろいろなルートを通って世界中に広まりました。日本の歴史においては、カイコ＝絹を作る虫が、明治維新後の経済発展に大きく寄与したことはよく知られた話です。明治維新で開国をした日本にとって、外貨を獲得する重要な輸出産品であった絹（生糸）は、その後、貿易額の数分の一という、非常に大きな割合を占めていきます。「日露戦争の軍艦は絹を売ったお金で買った」といわれているほどですが、当初は、糸の品質が安定しない、太さが揃わないなど、生糸の規格が定まらず、質も良くありませんでした。そこで良いカイコを育てて良いマユを作る、そして良い糸を作ることが必須となり、国を挙げてカイコの研究を開始し、種製造所で品種の管理をするという体制が作られたのです。こうした国の産業発展の必要性から行われたカイコの品種改良や飼育法に関する研究を背景に、カイコの研究は遺伝学や生理・生化学等に貢献し、それが、現代のバイオテクノロジーにつながっていくのです。

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（図版・写真提供：独立行政法人農業生物資源研究所）

世界に誇る日本のカイコ