「カイコ創薬」における遺伝学と生化学
生物学は「カイコ創薬学」を支える学問領域のひとつである。現代の生物学においては、生命現象を分子レベルで理解することが目標となっている。「カイコ創薬学」に関連した新しい現象を発見したというだけでは、我々が目指す新しい分野を開拓するのに十分な水準の研究とはならない。具体的に我々は何をすべきか、以下に論じてみたい。
生命現象を分子レベルで理解するためには、生化学と遺伝学の両面からの理解が重要である。生化学的研究手法とは、新しい現象を分析し、対象となる分子を同定することである。その場合必要な手技は、生物活性を有する分子の精製による同定と構造決定である。「カイコ創薬学」に関連した分野を解明し、これまで機能について未知であった物質が新しく発見されれば、みている現象の新しさが担保されることになる。創薬の観点からは、新規抗生物質のような新しい医薬品の候補を発見できれば、一つの達成点となるであろう。また、カイコの病害モデルの解明においては、タンパク質の機能解明が必要となるであろう。タンパク質は酵素として、殆どの生命現象において重要な役割を果たしている。対象となる現象において役割を果たしているタンパク質を生理活性物質としてとらえ、精製し構造を決定することが必要である。精製されたタンパク質が機能未知である場合には、新たな分野を開いたという高い評価を得るであろう。従来はタンパク質を精製してもその構造を明らかにすることは容易ではなかった。しかしながら、近年では精製したタンパク質の部分構造（ペプチド断片）とゲノムデータベースの情報を照合することによって、全アミノ酸配列を決定することが可能である。さらにその情報を元に、リコンビナントタンパク質を合成して当該生理活性の有無を検討する、という分子生物学的手法が確立されている。「カイコ創薬学」においては、研究がこのレベルに到達することが要求されている。
生化学的方法論の弱点は、精製したタンパク質などの生理活性物質が、対象となる現象の中で必要不可欠な役割を果たしていることを証明することが困難なことである。精製されたタンパク質による再構成系が見かけ上いかに対象とする現象を模していても、それは実際に生体内で起きていることとは違うのではないか、という原理的な疑問に答えることはできない。この問題の重要性はこれまでの生化学研究の歴史が証明している。遺伝学的手法はこの問題を解決するために有用で、かつ必要不可欠である。タンパク質は遺伝子にコードされているので、遺伝子を操作できれば、対象とするタンパク質の変異細胞や変異個体を得ることができる。そのような細胞や個体において、対象となる現象が遺伝子の変異により影響を受けることが示されれば、見出されたタンパク質の生体内における役割が実証されたこととなる。大腸菌を用いた研究において、生化学と遺伝学が両輪として使われ、新しい生物学を拓いてきた歴史を忘れてはならない。
カイコを対象とする「カイコ創薬学」において、どのように生化学と遺伝学を駆使してゆくかは我々に与えられた課題である。カイコは比較的大型の昆虫であり、飼育方法が確立されている。そのためカイコは、生化学的研究手法には適した生物材料である。通常の動物では採取困難な、大量の臓器や血液試料を短時間に安価に得ることが可能である。現在、私たちの研究室においても、新規タンパク質の精製にチャレンジしている。問題なのは遺伝学的手法である。無脊椎動物における遺伝学的手法はショウジョウバエや線虫で確立されているが、それらに比べるとカイコを用いた研究では遺伝学的手法が手薄である。ただし最近ではTALENやCRISPR-Cas9などの遺伝子改変技術をカイコに適用できることが分かってきている。これらの技術を利用したカイコの変異系統を確立し、「カイコ創薬学」に関連した新しい現象を分子レベルでの解明することが我々に与えられた喫緊の課題である。
Biochemistry and Genetics in Drug Discoveries by Silkworm Models
The biological sciences are the basis of Drug Discoveries by Silkworm Models. In modern biology, the goal is to understand biological phenomena at the molecular level, instead of merely reporting a new phenomenon. In the sense, Drug Discoveries by Silkworm Models should build on the molecular understanding of diseases modelled by silkworm systems. Below we explain the two reciprocally complementing approaches of the field: biochemistry and genetics.
The biochemical approach is to analyze a new phenomenon and identify the target molecule. In this case, the necessary techniques are the identification of biologically active molecules by purification and structure determination. The discovery of a new substance with a previously unknown function in a field related to Drug Discoveries by Silkworm Models will ensure the novelty of the phenomenon. From the perspective of drug discovery, the discovery of new drug candidates, such as new antibiotics, would be one outcome. In addition, the elucidation of protein functions will be necessary for establishing disease models using the silkworm. Proteins play an important role as enzymes in most biological phenomena, where proteins that play a role in the phenomena of interest should be considered as biologically active substances, and their structures should be determined following the purifications of them. If the purified protein has an unknown function, it will be highly evaluated as having opened a new field. In the past (until 1980s), it required a labor to clarify the structure of a purified protein. Recently, however, it has become possible to determine the entire amino acid sequence of a purified protein by matching its partial structure (e.g., peptide fragments) with information in genome databases, and we can synthesize the recombinant protein based on this information to determine whether it has the biological activity. In the field of Drug Discoveries by Silkworm Models, this level of the research is the minimum prerequisite.
Nevertheless, the weakness of the biochemical approach is that it is difficult to prove that the purified protein or other bioactive substance plays an essential role in the phenomenon of interest in vivo. No matter how well the reconstituted system of purified proteins apparently mimics the phenomenon, it cannot answer the fundamental question of whether it is actually different from what is happening in the organism. The importance of this question has been proven by the history of biochemical research so far. Genetic methods are useful and essential to overcome this problem and complement the biochemical approaches. Since proteins are encoded by genes, if the genes can be manipulated, mutant cells or individuals of the protein of interest can be obtained. In such cells or individuals, if the phenomenon of interest is shown to be affected by the mutation of the gene, the role of the found protein will have been demonstrated in vivo. Always remembers the history of the use of biochemistry and genetics as two wheels in the research using Escherichia coli, which has opened up new biology.
How to make full use of biochemistry and genetics in the field of Drug Discoveries by Silkworm Models is the challenge to our system. The silkworm is a relatively large insect with a well-established breeding system, making it an ideal biological material for biochemical research methods, for it is possible to obtain large amounts of organs and blood samples quickly at low costs, which is difficult when using other animals. Some of the ongoing projects in our laboratory is to purify proteins of novel functions from the silkworm system. However, the genetic approaches are less established. Genetic methods for invertebrates have been established for Drosophila and Caenorhabditis elegans, but compared to these species, application in the silkworm system is slim. There is a growing evidence that the genetic manipulation using TALEN and CRISPR-Cas9 can be applied to the silkworm, which we think is essential in Drug Discoveries by Silkworm Models.