Home1.最先端の分子生物学?デジタルトランスフォーメーション(顿齿)技术を駆使することで、これまで知られていなかった巻贝の神経ペプチド注1)遗伝子を88个発见し、福岛第一原子力発电所近傍で生殖异常を起こした巻贝では、数ある遗伝子の中でこうした神経ペプチドをコード注2するものの発现が押しなべて低下していることを明らかにしました。
2.この神経ペプチドを标的とした発现低下は、遗伝子の変异というよりも、遗伝子発现の调节スイッチ注3の异常によって起こりうると考えられました。そのため、スイッチの働きを正常に戻すことができれば、巻贝の生殖异常を解消できる可能性があります。
3.巻贝は日本の沿岸に多くみられる生物であり、今回开発した分析技术を応用することで、简便かつ高感度な环境変化バイオセンサーとして活用する道が拓けると期待されます。さらに、この遗伝子発现定量システムを用いることにより、现时点でなお特定されていない、福岛第一原発近傍の巻贝に生殖异常を引き起こす原因の探索にも応用が可能です。
広島大学大学院统合生命科学研究科の森下文浩助教、今村拓也教授、国立研究開発法人国立環境研究所の堀口敏宏博士らの研究グループは、網羅的遺伝子発現解析によって、福島第一原子力発電所近傍の沿岸に生息する巻貝に見られる生殖異常のメカニズム究明と沿岸環境モニタリングシステムの開発に繋がる分子機構を解明しました。
2011年に発生した东日本大震灾により炉心溶融事故を起こした福岛第一原子力発电所近傍の沿岸では、巻贝(イボニシ)が年间を通じて性成熟する生殖异常(通年成熟现象注4)が観察されるという报告があります。この报告がなされた2021年时点と同様に、现时点でも通年成熟现象と福岛第一原発事故により环境中に放出された放射性核种との関连性は低いと考えられているものの、その原因は未だ特定されていません。一方、イボニシ体内における反応として、脳においてつくられ、生殖腺の働きを调节するペプチド(神経ペプチド)による情报伝达机能が搅乱されていることが想定されました。そこで、まず、神経ペプチド遗伝子の质的?量的変动を探るため、最新の遗伝子分析法とコンピューター解析を駆使してイボニシの脳に発现する遗伝子を约6万个特定し、その中から88个の神経ペプチド遗伝子を新たに同定することに成功しました。通年成熟のイボニシでは様々な遗伝子の発现レベルが上昇あるいは低下していましたが、同定した88个の神経ペプチド遗伝子はほぼ全てが発现低下していました。また、このような神経ペプチド遗伝子の质には问题はなく、むしろこれら遗伝子を标的とした発现低下が生殖异常に関係していることが考えられました。また、その原因は遗伝子の発现を持続的にオン?オフする遗伝子スイッチの働きが変化したためであると考えられました。この研究の成果は、环境の変化に応答して遗伝子そのものではなく、遗伝子の発现スイッチの働きを変えることで巻贝の繁殖に影响しうる、という新たな视点を提供すると共に、イボニシが日本沿岸各地に広く生息する生物种であることから、今后、简便で高感度のマーカーとして环境変化の検出等に活用できることを示しました(図1)。
2011年に発生した东日本大震灾は地震に伴う大规模な津波と福岛第一原子力発电所の炉心溶融事故を引き起こし、特に东北地方の太平洋沿岸の生态系に甚大な被害をもたらしました。震灾から约12年が経过した今日、ほとんどの地域で沿岸の生态系は回復し、炉心溶融事故を起こした福岛第一原発近傍の沿岸においても生物相の回復が进んでいます文献1。日本各地の沿岸に生息する巻贝であるイボニシは、福岛第一原発周辺では事故直后に地域个体群がほぼ消灭しましたが、その后、周辺から幼生拡散を通じて新しいイボニシが移入してきたため个体数が回復しました。しかし、国立环境研究所の堀口らは、これらの新规移入イボニシの生殖腺(卵巣?精巣)が年间を通じて性成熟するという现象が2017年4月から2年余り継続していると报告しました文献2。これは、初夏に生殖腺が成熟して产卵期を迎え、冬には退缩して非繁殖期に入る、というイボニシ本来の季节繁殖とは明らかに异なる异常な现象であり、?通年成熟?と呼ばれています。通年成熟の原因は未だ特定されていませんが、その一方、通年成熟のメカニズムの究明は、その原因を探るとともに対策を讲じるための重要なポイントの一つになり得ます。
哺乳动物ではシカやクマのように一年の特定の时期に繁殖期を迎えるものと、ヒトやネズミのように年间を通じて繁殖可能なものとがあります。それらの生殖周期の调节には様々な情报伝达因子が関わっていますが、いずれにおいても生殖腺刺激ホルモン放出ホルモン、キスペプチンといった神経ペプチドが重要な役割を担うことがわかっています。
一方、巻貝などの無脊椎動物では生殖周期を調節する仕組みはよくわかっていませんでした。私たちは巻貝においても神経ペプチドが生殖周期を調節しており、その機能異常がイボニシを季節繁殖から通年成熟へと変えてしまったのではないか？という独自の仮説を立てました。広島大学の研究グループ(森下文浩、今村拓也)は、通年成熟現象を発見した 国立研究開発法人 国立環境研究所の堀口敏宏博士と共同で、この仮説を検証して通年成熟のメカニズムを探る研究プロジェクトを開始しました。
私たちは、まず、最先端の分子生物学?顿齿技术を駆使することでイボニシの脳に発现する遗伝子の网罗的特定に挑戦しました。今回用いた解析手法は搁狈础-厂别辩解析注5)と呼ばれるもので、目的组织に発现する遗伝子を网罗的に読み取り、それらの発现の変化を遗伝子毎に定量することができます。読み取った遗伝子を特定するためには通常、その动物のゲノム情报が必要なのですが、イボニシはまだゲノムの解読ができていません。そこで私たちは様々なアプリケーションを駆使したコンピューター解析により、ゲノム情报なしに読み取った遗伝子约6万个を特定することに成功しました。
特定した遗伝子を详细に调べた结果、私たちの仮説を検証する基盘となるイボニシの神経ペプチド遗伝子を新たに88个発见することにも成功しました。神経ペプチド遗伝子が特定できれば、その遗伝子から造られる神経ペプチドを推定することができます。これまで、イボニシの神経ペプチドの构造や働きについての知见はほとんど得られていませんでしたので、この成果は、神経ペプチドを研究する世界中の研究者にとってきわめて有用な情报提供となりました。
つぎに通年成熟によって遗伝子の発现がどのように変化するのかを定量したところ、500个以上の遗伝子が通年成熟によって発现が上昇あるいは低下していました。特定した88个の神経ペプチド遗伝子について调べたところ、わずかに上昇していたものが1つ见つかっただけで、それ以外の87个の神経ペプチド遗伝子はほとんどのもので発现レベルが低下していました(図2)。このように神経ペプチド遗伝子の発现が押しなべて低下する现象はこれまで报告がなく、通年成熟に特有の现象と考えています。
遗伝子の発现を调节する仕组みの一つに?エピゲノム调节注6)?があり、遗伝子の発现を持続的にオン?オフするスイッチとして働きます。通年成熟个体ではエピゲノム调节に関わる酵素の遗伝子発现が上昇しており、结果的に遗伝子の発现スイッチがオフになっていると推定されました。このことが神経ペプチド遗伝子を标的とした発现低下をもたらした、と考えています。
また、この结果は、环境の変化が遗伝子そのものに伤をつけなかったとしても、遗伝子スイッチの働きを混乱させれば生物(巻贝)の生殖活动に重大な影响を与えうる、ということを示しています。动物の生殖活动は种の存続に関わる重要な要素の一つであるため、本研究成果は环境の変化が生态系を搅乱する分子机构の解明に大きな手がかりを与える结果となりました。
以上の成果は、Frontiers in Endocrinology誌に2023年3月10日の午後４時(日本時間)に掲載されました。
1. 通年成熟を起こしたイボニシで神経ペプチド遺伝子の発現が押しなべて低下していたのはなぜか？ 通年成熟に付随して発現が変化する遺伝子を詳細に解析することにより、その分子メカニズムの解明が期待されます。さらに、同定した神経ペプチドの働きを調べることで通年成熟との因果関係を明らかにできると考えられます。
2. 福島第一原発由来の何らかの因子がイボニシの生息環境に影響を与え、イボニシの遺伝子そのものに変異を与えることなく遺伝子スイッチをオフにして通年成熟を引き起こしたのではないかと考えられます。様々な試薬を用いてエピゲノム調節に関わる酵素の働きを調節して遺伝子スイッチをオンにできれば、通年成熟という異常現象を解消できる可能性があります。
3. 今回用いた解析手法は、大きさが1?2ミリしかないイボニシの脳が1個あれば解析できるほど高感度な手法です。それゆえ、少量のサンプルを用いて、すなわち、個体群に悪影響を及ぼすことなく、環境の変化に晒された動物で起こっている変化を高感度に調べることができるメリットがあります。さらに、6万個に及ぶイボニシの遺伝子を特定しているため、将来、新たな環境変化が発生した場合、6万個の遺伝子群の中からその環境変化に敏感に応答して発現変動する遺伝子を見つけることにより、原因究明や対策立案に有用と考えられます。私たちが開発した手法は、イボニシという小さな巻貝を使って海の生態系を監視し、攪乱された生態系を回復へと導く基盤にもなり得ます。
4. 通年成熟によって発現が大きく変動する遺伝子を選別し、それらの発現レベルを継続的に測定することにより、イボニシの生殖腺(卵巣?精巣)組織標本を作製し光学顕微鏡で観察するよりも早期に、また、簡便に、通年成熟現象の発生や推移を知ることが可能になると期待されます。また、この遺伝子発現定量システムを応用することにより、巻貝に生殖異常を引き起こす原因の探索にも有用と考えられます。
本研究は以下の研究助成を受けて実施されました。
また、本研究に伴う帰还困难区域への入域のために福岛県から入域许可証を発行していただきました。
文献1
Horiguchi, T. et al (2016) Decline in intertidal biota after the 2011 Great East Japan Earthquake and Tsunami and the Fukushima nuclear disaster: field observations. Sci. Rep., 6:20416, 10.1038/srep20416
文献2
Horiguchi, T. et al. (2021) Consecutive sexual maturation observed in a rock shell population in the vicinity of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant, Japan., Sci Rep, 11: 560, 10.1038/s41598-020-80686-3
図1 研究の全体像
イボニシの脳に発现する遗伝子の网罗的解析により、通年成熟イボニシではエピゲノム调节系の搅乱により遗伝子スイッチがオフになり、神経ペプチド遗伝子の発现が低下していることが分かりました。この成果は通年成熟のメカニズム究明と原因の特定につながると共に、简便で高感度な环境モニタリング法の开発にも贡献します。
図2. 神経ペプチド遺伝子の発現量を示すヒートマップ図
正常イボニシと通年成熟イボニシから调製したcDNAライブラリーにおける88种の神経ペプチド遗伝子の発现量を示しており、発现量が平均値より高かったものは赤で、低かったものは青で示しました。雌雄ともに正常个体に比べて通年成熟个体から调製したcDNAライブラリーの方が神経ペプチド遗伝子の発现が下がっていることが分かります。
注1. 神経ペプチド?神経ペプチド遺伝子
神経终末から分泌されて个体の行动や恒常性を调节するペプチドを?神経ペプチド?といいます。神経ペプチドのほとんどはアミノ酸数が数个?数十个の短いペプチドですが、より大型の前駆体蛋白质の一部として神経ペプチド遗伝子に保存されています。神経ペプチド遗伝子が働く时、遗伝情报がmRNA(伝令RNA)に転写され、mRNAがもつ情报に基づいて前駆体蛋白质が生合成されます(この一连のプロセスが?遗伝子発现?と呼ばれます)。神経ペプチド前駆体は、さらに翻訳后修饰という过程を経て最终的に生理活性をもつ短い神経ペプチドへと変换されます。つまり、脳内で造られるmRNAを分析すればどの神経ペプチドが合成されているか、推定することができます。神経ペプチドの构造と働きは多种多様であり、ヒトでは生殖周期を调节するキスペプチンや生殖腺刺激ホルモン放出ホルモン(GnRH)、食欲を调节するメラニン凝集ホルモン(MCH)、抗利尿ホルモンであるバソプレシンなどがよく知られています。
注2. コード
遗伝子はDNAから构成されており、これがmRNAに転写(変换)され、さらにmRNAを通じてペプチド?タンパク质が合成されることで细胞の内外で机能します。例えば、mRNAは近年のコロナワクチンにも活用されている物质であり、これがコロナウイルスの毒性の少ない部分タンパク质に変换されることで人体における免疫の活性化に机能すると考えられています。コードとは、mRNAに変换される前のDNAに遗伝情报がプログラムされている状态を指します。
注3. 遺伝子発現の調節スイッチ
?遺伝子発現?とは、注1. でも述べましたが、遺伝子(DNA)が持っている遗伝情报が、mRNAに転写され、mRNAがもつ情报に基づいてさまざまな生体机能を持つ蛋白质が合成される、一连のプロセスを指します。また、?调节スイッチ?とは、DNAからmRNAへの変换を制御する仕组みのことです。
注4. 通年成熟
本来、一年の特定の时期だけ繁殖期を迎える动物の生殖腺(卵巣?精巣)が年间を通じて性成熟する现象です。国立环境研究所による福岛第一原発周辺の潮间帯调査の中で、2017年4月から2年余り、原発近傍の潮间帯に生息する一部の巻贝(イボニシとレイシガイ)において见つかりました。一方、原発から离れた福岛県沿岸や冲合あるいは外洋に生息する鱼介类において通年成熟现象は観察されておらず、原発近傍の限定された地域で特定の巻贝にのみ见られる现象です。
なお、通年成熟现象に関して2021年1月に国立环境研究所が报道発表しております。この报道発表の时点と同様に、现时点でも通年成熟现象と福岛第一原発事故により环境中に放出された放射性核种との関连性は低いと考えられています。しかし、その原因は未だ特定されていません。通年成熟の原因究明に向けた国立环境研究所によるこれまでの调査については下记のURLを参照してください。
注5. RNA-Seq解析
目的组织から抽出したmRNAを逆転写してcDNAライブラリーを调製し、数亿个のDNAの塩基配列を并行して解読できる次世代シーケンサーを用いて网罗的に解読する解析法です。遗伝子が働く时、ゲノムDNAの遗伝情报はmRNAに転写されるため、目的组织で働く遗伝子を特定することができますが、1つのDNAについて解読できる塩基の长さが50?150残基と短いため、その动物のゲノムDNAの配列に対応づけるなどして、解読したDNAがどの遗伝子に相当するかを确定する必要があります。
注6. エピゲノム調節
遗伝情报を保存するゲノムDNAは、核内でヒストンという蛋白质に巻き付く形で存在しており、巻き付きが缓むと遗伝子の発现スイッチがオンに、缔まると発现スイッチはオフになります。DNAのヒストンへの巻き付きの强さは、DNAとヒストンにメチル基やアセチル基が付加されたり除去されたりすることで変わります。このように、DNAやヒストンの化学修饰によって遗伝子の発现スイッチがオン?オフされることをエピゲノム调节と呼びます。例えば、喫烟や化学物质によって遗伝子に伤が付くと细胞が癌化することがありますが、エピゲノム调节によって伤ついた遗伝子の発现スイッチをオフにすることができれば癌化を抑制することができます。
＜研究に関すること＞
広島大学大学院统合生命科学研究科 基礎生物学プログラム
助教 森下文浩
罢别濒：082-424-7439、 贰-尘补颈濒：蹿耻尘颈425＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
広島大学大学院统合生命科学研究科 生命医科学プログラム
教授 今村拓也
罢别濒：082-424-7438、 贰-尘补颈濒：迟颈尘补尘耻谤补＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
国立研究開発法人 国立環境研究所 環境リスク?健康領域 生態系影響評価研究室
室长 堀口敏宏
E-mail : thorigu＊nies.go.jp
〈広报に関すること〉
広岛大学広报室
Tel :082-424-3749
E-mail : koho＊office.hiroshima-u.ac.jp
国立研究開発法人 国立環境研究所 企画部 広報室
E-mail : kouhou0＊nies.go.jp
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2023年03月10日
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