オスに特徴的な求愛行動、装飾的なかたち、派手な婚姻色の獲得進化は、多彩な繁殖戦略を可能とし、真骨魚類の爆発的な種分化と繁栄をもたらした重要な要因と考えられます。この進化には、約3億年前に真骨魚類の共通祖先で起きた全ゲノム重複が大きく貢献したことが予想されています。全ゲノム重複は、真骨魚類の美しさや多様化にどのような影響を与えたのでしょうか? 重複した遺伝子の新たな役割の獲得や役割分担の道筋には謎が多く残されています。
九州大学大学院農学研究院 国際農業教育?研究推進センター、農学研究院水族分子発生学研究室の荻野由紀子准教授を中心とする、京都大学 安齋賢特定准教授、基礎生物学研究所 渡辺英治准教授、亀井保博RMC教授、成瀬清特任教授、福井県立大学 八杉公基准教授、岡山大学理学部附属牛窓臨海実験所 片山侑駿助教(研究当時)、坂本浩隆准教授、広島大学 荻野肇教授、東京理科大学 宮川信一准教授、横浜市立大学 佐藤友美教授、井口泰泉特任教授らの研究グループは、真骨魚類(注１)の系統で特異的に起きた全ゲノム重複(注２)により、男性ホルモン(アンドロゲン)の作用を遺伝子発現に変換するアンドロゲン受容体遺伝子のコピー数が２つに増えたことに着目し、メダカ(図１)における２つの遺伝子コピーの役割について変異体を用いて詳しく比較しました。その結果、アンドロゲン受容体遺伝子が精子形成の役割を別の遺伝子に任せて、オスに特徴的な“かたち、体色、繁殖行動”に役割分担を進めて特殊化していったことを世界で初めて明らかにしました(図２)。
アンドロゲン受容体遗伝子を１コピーしか持たない哺乳类などの动物では、脳や外生殖器の性分化、精巣机能の维持、精子形成など多岐にわたる役割が１つの遗伝子で担われています。このような场合、ある役割にとって有利な変化が、他の役割には必ずしも有利とならないため、遗伝子机能の変化は强く抑制されている(保存的である)と考えられます。真骨鱼类ではコピー数が増えたことに加え、精子形成の役割を丧失したことがアンドロゲン受容体遗伝子にのしかかっていた进化の抑制を缓和し、アンドロゲン受容体の役割の急速な多様化を促した可能性が示唆されます。
これまで、重复した遗伝子群は、祖先的な役割を保ちながら、役割を新たに获得、あるいは分担することにより、より复雑な仕组みを作り上げると理解されてきました。今回の発见により、祖先遗伝子が体の中で担っていた役割を大胆に捨てて、かつコピー数を増やして仕事の分担を进めて特殊化していったことにより、真骨鱼类の多様化と繁栄をもたらした美しく长いヒレや华丽な交尾ダンスが获得されたと考えられます。鱼の美しさや行动の多様化と全ゲノム重复による性ホルモン受容体遗伝子の重复进化との関连性を详细に示した最初の例であり、生物の性的特徴の多様化とゲノム进化の関係を探る上で大きな一歩となる研究です。
本研究成果は2023年3月14日にNature Communications誌(Nature Publishing Group、イギリス)にオンライン公開されました。
メダカやグッピーなど多くの真骨鱼类は、ヒレの伸长や交接器への変化、婚姻色、繁殖行动などに多种多様な性的特徴を示します。その多くは性成熟に伴い精巣から分泌された男性ホルモン(アンドロゲン)の影响によりあらわれることが知られています。かたちや求爱行动の性差の获得は多様な繁殖戦略を可能とし、真骨鱼类の繁栄を支えた要因と考えられますが、その进化の道筋には谜が多く残されています。
真骨鱼类の进化の过程では、脊椎动物の共通祖先で起きた2回の全ゲノム重复に加え、真骨鱼类の系统だけで约3亿年前に3回目の全ゲノム重复が起きたことが知られています。これにより余剰な遗伝子が生まれて、その働きそのものや体の中で働くタイミングや场所が変化した结果、さまざまな进化が促进されたと予想されています。しかし、真骨鱼类系统における性的特徴の急速な多様化と全ゲノム重复の间にどのような関係があるのか、その详细は明らかにされていませんでした。
この谜を解くため、アンドロゲンの作用を遗伝子発现の変化に変换するアンドロゲン受容体(础谤)遗伝子に注目しました。この遗伝子を1コピーしかもたない哺乳类では、脳神経系や内外生殖器などに础谤が多面的な役割を果たすことから、何らかの変化が生じると体の様々な部分に影响を及ぼします。そのため、遗伝的な変化が起こりにくい状态にあると考えられます。一方で、真骨鱼类では、ゲノム重复によりアンドロゲン受容体遗伝子が2コピーのオオノログ(注3、础谤补、础谤产)に増えたため、进化的な拘束から解放され、重要な役割については重复遗伝子の补偿作用から冗长性を确保しつつ、新たな役割を获得したであろうことが予想されました。実际、荻野らのこれまでの研究(参考文献1、2)から础谤补は础谤产よりも进化速度が早く、より高い転写活性化能、アンドロゲンのない状态でも核移行するなど、ユニークな性质を获得したことが见出されています。
本研究では、メダカ(図1)の2コピーの础谤オオノログ(础谤补、础谤产)の役割を详しく比较するため、それぞれの遗伝子の机能を丧失したメダカ変异体を用い、オスの表现型を外部形态、精子形成、繁殖行动に至るまで网罗的に解析しました。
まず、础谤补?础谤产両方の遗伝子を破壊されたオス(ar DKO)、Ara、 Arbそれぞれの遺伝子を破壊されたオス (ara 碍翱、arb 碍翱)を用いて、野生型メスと繁殖できるのかを调べました。ar 顿碍翱は求爱円舞行动をほとんどとらず、メスとの交尾に至ることがありませんでした。一方で、ara 碍翱、arb 碍翱はいずれもオスに特徴的な求爱円舞行动をとることができましたが、ともにメスと交尾に至る频度や自然产卵での受精率は野生型よりもはるかに低い结果となりました。従って、繁殖に必须の求爱円舞行动の発现は、2つの础谤オオノログの両方が补偿的に担っているものの、高い繁殖成功には2コピーの両方が必须であることがわかりました。このことは、2コピーの间で何らかの机能的な役割分担が存在することを示唆しています。そこで、2コピーそれぞれの変异体の表现型を详しく比较して両者の役割を调べたところ、础谤产は繁殖に必要なヒレのかたちのオス化や性的モチベーションを主に制御しているのに対し、进化速度の早い础谤补は闘争形质である牙のような歯の発达やメスによる交尾の受け入れを促す行动要素など、异なった役割を担うように进化したことが明らかとなりました(図2)。さらに兴味深いことに、アンドロゲン受容体を全く持たないar 顿碍翱でも数や运动能、受精能に问题のない精子が生产されており、メダカでは础谤を介したアンドロゲンの作用が精子形成に必须でないことが明らかとなりました。ヒトやマウスなどの哺乳类に加え、真骨鱼类の全ゲノム重复直后にメダカに至る系统と分岐したニホンウナギでは、精子形成にアンドロゲンが必须の役割を果たすことが知られています。従って、真骨鱼类の础谤を介した精子形成の役割は、全ゲノム重复后の进化の过程で失われたと推测されます。
続いて、2つの础谤オオノログの役割分担の详细な仕组みを探るために、それらの遗伝子を発现する细胞を蛍光标识により可视化し、かつ目印(タグ)をつけて受容体タンパク质の细胞の中での局在を観察できる遗伝子改変メダカを作成しました。础谤产が主要な発现を果たす臀ビレの骨の分岐构造周辺では、础谤产が强く発现し核に局在している一方で、础谤补の発现や核局在は明瞭でなく、ara 碍翱、arb 碍翱の表现型の违いと発现パターン及び细胞内の局在の违いには相関がみられました。さらに、础谤产はオスの脳においてメス的な性行动を促进する遗伝子発现を抑制するなど、础谤オオノログ间ではそれらの下流で働く遗伝子のレパートリーも大きく异なることがわかりました。従って、タンパク质のコード领域だけでなく、遗伝子発现を制御するスイッチ领域にも突然変异を蓄积して変化していった结果、础谤オオノログの役割分担が生じたことが推测されます。
以上の结果から、真骨鱼类では础谤が2コピーに倍化したことに加え、精子形成の役割を丧失したことが础谤遗伝子にかかっていた进化拘束を缓和し、オスに特徴的な“かたち、体色、繁殖行动”の进化の起爆剤として働いた可能性が考えられます。
メダカ属鱼类は东アジアや东南アジアに37种以上が生息しており、ヒレの长さや婚姻色などオスに特徴的な“かたちや繁殖行动”には顕着な多様性がみられます。础谤オオノログによりタンパク质が合成される遗伝子群についての种差やその调节の仕组みを种间で详しく比较することで、かたち、体色、繁殖行动の多様化を导いた仕组みの详细を明らかにしたいと考えています。
(注1)：脊椎动物の系统の中で、ヒトやマウスに至る系统から、サメやエイなどの软骨鱼类が分岐した后に、条鰭类と呼ばれる硬骨鱼类の系统が分岐した。真骨鱼类はこの条鰭类の中で、多数を占めるグループであり、2万6千种以上の多数の种(脊椎动物の约半数)を含んでおり、多様な性的特徴を示す。
(注2)：受精卵が核分裂の后の细胞分裂に失败して、遗伝子のセット(ゲノム)が并ぶ染色体の数が2倍になってしまう现象。全ての遗伝情报が倍化する。脊索动物から脊椎动物が进化するにあたり2回、真骨鱼类の系统では、さらに1回多く3回の全ゲノム重复が起きたとされる。それが多様な形质発现を可能にしたと考えられている。
(注3)：ゲノム重复に伴う重复遗伝子。脊椎动物における全ゲノム重复を発见し、その重要性を提唱した大野 乾(すすむ)先生にちなんでオオノログと呼ばれる。
参考文献1: Ogino Y, Katoh H, Kuraku S, Yamada G. Evolutionary history and functional characterization of androgen receptor genes in jawed vertebrates. Endocrinology. 2009, 150(12):5415-27. Doi: 10.1210/en.2009-0523.
参考文献2: Ogino Y, Kuraku S, Ishibashi H, Miyakawa H, Sumiya E, Miyagawa S, Matsubara H, Yamada G, Baker ME, Iguchi T. Neofunctionalization of androgen receptor by gain-of-function mutations in teleost fish lineage. Mol Biol Evol. 2016, 33(1):228-44. Doi: 10.1093/molbev/msv218.
本研究は JSPS 科研費 (P15K07138, JP19K06741, JP20H04928, JP16H06280, JP19H03049, JP22H00386)、基礎生物学研究所共同利用研究、環境省、アステラス病態代謝研究会、内藤記念科学振興財団、九州大学?女性枠設定による教員採用?養成システム?、?女性研究者養成システム?の助成を受けたものです。
Home
