ブロモデオキシウリジン

ブロモデオキシウリジン（BrdU）

ブロモデオキシウリジン（Bromodeoxyuridine, 略称: BrdU）は、人工的に合成されたヌクレオシドの一種であり、正式名称は5-ブロモ-2'-デオキシウリジン（5-bromo-2'-deoxyuridine）です。これはDNAを構成する主要な塩基の一つであるチミジン（thymidine）と非常に類似した構造を持っています。具体的には、チミジンが持つメチル基（CH~3~）の代わりに重い臭素原子（Br）が結合しています。この構造類似性により、BrdUは細胞内でチミジンと間違えられてDNAに取り込まれる性質を持ちます。BrdUは通常、5-ブロモデオキシシチジンが細胞内で特定の酵素によって脱アミノ化されることで生成されます。

細胞増殖の検出と系譜追跡への応用

BrdUの最も広く知られている用途は、細胞が増殖しているかどうかを調べる研究手法です。細胞が分裂する際には、まず自身の持つDNAを複製します。このDNA複製の過程で、細胞内に存在するチミジンが新しいDNA鎖に取り込まれますが、培地や生体内にBrdUが存在すると、BrdUがチミジンと競合して、新しく合成されるDNAの鎖に取り込まれます。したがって、DNAにBrdUが取り込まれた細胞は、その時点で活発にDNA複製を行っていた、すなわち増殖期にある細胞であると判断できます。

BrdUが細胞のDNAに取り込まれたことを検出するためには、BrdUに特異的に結合する抗体を用いた免疫学的な手法が用いられます。この手法は免疫染色と呼ばれ、組織切片や細胞標本中の特定の分子の存在部位を視覚化する技術です。BrdUに特異的な抗体は、DNAの二重らせん構造の中にあるBrdUには効率的に結合できません。そのため、抗体を反応させる前に、熱や酸などの処理によってDNAを一本鎖に変性させる必要があります。この処理によってBrdUが抗体に認識されやすい状態になり、結合した抗体を標識（蛍光色素や酵素など）によって検出することで、BrdUを取り込んだ細胞の位置や数を顕微鏡観察などで確認できます。

DNAに一旦取り込まれたBrdUは、細胞が分裂するたびに娘細胞へと受け継がれていきます。この性質を利用して、特定の時点に増殖していた細胞が、その後の期間にどのように移動し、分化していくかといった細胞の系譜（lineage）を追跡する研究にもBrdUが用いられます。生体にBrdUを一度投与した場合、細胞のDNAに結合したBrdUが2年以上にわたって検出されることが報告されており、比較的長期間にわたる細胞動態の追跡を可能にします。

利用上の安全性と毒性

BrdUはDNAの構成要素であるチミジンのアナログとしてDNAに取り込まれるため、細胞にとって本来異物であり、いくつかのリスクを伴います。DNA複製時にチミジンと置き換わることで、DNAポリメラーゼの誤りや修復メカニズムへの干渉を引き起こし、結果としてDNAに変異が生じる可能性があります。この変異誘発能のため、BrdUの使用は健康への影響（例えばがん化のリスク増加）を引き起こす可能性が指摘されており、その使用にあたっては慎重な検討が必要です。

ただし、研究目的、特に細胞の増殖状態を標識（ラベリング）するために用いられる比較的低い濃度においては、BrdU自体が放射能を持たず、生体に対する急性的な骨髄毒性もほとんど示さないことが知られています。そのため、がん細胞の増殖を生体内で追跡する研究などでは広く利用されています。一方、放射線治療の効果を高める目的で用いられるような高い濃度では、BrdUは骨髄の細胞分裂を抑制する作用を示すため、この目的での臨床応用は限られています。

その他の応用

BrdUは、その独特な構造を利用した別の応用も存在します。チミジンにはない重い臭素原子を持つため、DNAやRNAを含む生体分子の結晶構造をX線回折によって解析する際に利用されることがあります。臭素原子はX線に対して特異的な散乱（異常散乱）を示す性質があるため、この信号を利用することで、結晶構造解析における初期段階の位相決定と呼ばれる難しいプロセスを効率的に進めることが可能になります。特に、タンパク質と核酸の複合体など、DNAやRNAを含む結晶の解析において、BrdUは等形置換誘導体として有効な手段となり得ます。

また、研究レベルではありますが、BrdUがDNAのメチル化によって引き起こされる遺伝子の発現抑制（サイレンシング）を解除する効果を持つ可能性も示唆されています。

環境微生物研究への応用

近年、BrdUは環境中に存在する微生物群集の生態や機能を解析する手法にも応用されています。特定の環境サンプル（水や土壌など）にBrdUと調べたい特定の有機物（炭素源）を加えて培養すると、その炭素源を栄養として利用できる微生物が活発に増殖します。この増殖の際にDNAを複製する微生物は、培地中のBrdUを自身のDNAに取り込みます。

培養後、環境サンプル全体のDNAを抽出し、BrdUが取り込まれたDNA断片だけを、BrdUに対する抗体を用いた免疫捕捉法（immunocapture）によって選択的に回収・精製します。精製されたBrdU標識DNAには、添加された炭素源を利用して増殖した微生物のゲノム情報が濃縮されています。このDNAの塩基配列を次世代シーケンサーなどで解析（シーケンシング）することで、どの種類の微生物がその炭素源の分解や代謝に関与したのかを特定することが可能になります。これは、環境中の物質循環に関わる微生物群集の役割を理解するための強力なツールとなります。

ただし、この手法にはいくつかの限界も存在します。環境中に存在する全ての炭素源応答性微生物が、培養条件でBrdUを取り込むほど活発にDNA合成を行うとは限りません。そのため、特定の炭素源を利用できるにも関わらず、この技術では検出されない微生物が存在する可能性があります。さらに、微生物の持つDNAの塩基組成（アデニンとチミンの割合など）によって、BrdUが取り込まれやすい、あるいは抗体による捕捉効率が異なるといったバイアスが存在することも指摘されています。

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