Home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
准教授 奥村美纱子
Tel：082-424-7633
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(注: ＊は半角@に置き換えてください)
研究成果のポイント
? 線虫(※1)を食べる線虫において、捕食するために必要な「歯」の進化に重要なタンパク質分解酵素アスタシン(※2)を発見しました
?线虫を食べる线虫では、アスタシンが口の近くで机能し、「歯」の微细构造の形成に重要な役割を持つように进化したことがわかりました
?多様な食性を示す线虫の进化を理解することで、寄生性线虫による身近な动植物への被害を軽减する研究に贡献する可能性があります
概要
広島大学大学院统合生命科学研究科の奥村美紗子准教授らの研究グループは、明治大学との共同研究により「線虫を食べる線虫」として知られるPristionchus pacificus(プリスティオンクス?パシフィクス：P. pacificus)の捕食性の进化に、タンパク质分解酵素が重要な役割を果たしたことを明らかにしました。
动物がどのようにして様々な食べ物を食べるように进化してきたのかという问いは、古くから多くの生物学者の関心を集めてきました。体长1ミリ程度の小さな动物である线虫P. pacificusは、进化の过程で、他の线虫を食べる「捕食性」を获得し、その过程で「歯」のような突起构造を进化させてきましたが、その仕组みについてはほとんどわかっていませんでした。当该研究チームは、この「捕食者の歯」を获得する过程で、タンパク质分解酵素であるアスタシンが重要な役割を果たしたことを発见しました。アスタシンを失ったP. pacificusでは、歯を正しく形作ることができなくなり、捕食が全くできなくなってしまうことがわかりました。さらに、アスタシンが进化の过程で歯の近くの细胞で机能するようになることがP. pacificusの捕食性の获得に重要であることを、様々な遗伝子操作によって示しました。この研究は、动物が新しい饵を食べるようになる进化の仕组みの一端を実験的証拠と共に示したもので、画期的な成果であると言えます。
本研究成果は、進化生物学の権威ある国際学術雑誌Molecular Biology and Evolutionのオンライン版に2023年12月18日付で公開されました。
论文情报
论文タイトル
Co-option of an astacin metalloprotease is associated with an evolutionarily novel feeding morphology in a predatory nematode
着者
井下 结葵1、小野寺扬羽1、浴野 泰甫2、千原 崇裕1,3、奥村美纱子1,3,*
1：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
2：明治大学农学部农学科
3：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
＊：責任着者
掲载雑誌 Molecular Biology and Evolution
顿翱滨番号 10.1093/尘辞濒产别惫/尘蝉补诲266
背景
&苍产蝉辫; 地球上に生息する动物は、肉食、草食、雑食など、様々な食性を示します。动物が新たな食性を获得するには、その食料源に合った口の形を持つことが非常に重要です。例えば、ライオンなどの肉食动物は鋭い牙を持つことで、获物を捕食することができます。食料源に适応した口の形がどのようにして进化してきたかという谜は、ダーウィンが进化の概念を発表してから多くの人を魅了してきました。
普段あまり目にしない小さな动物である线虫も、様々なものを食料源としています。线虫は地球上のあらゆるところに生息しており、微生物を食べるものや动植物に寄生するものなど数万种以上が存在すると言われています。当该研究チームは、他の线虫に噛み付いて食べる线虫P. pacificusが、どのようにして他の线虫を食べるよう进化してきたのかに注目しました。
P. pacificusは、环太平洋地域などの世界中の温暖な地域に生息する、体长1尘尘程度の小さな线虫です(図1)。野生下ではコガネムシ科の昆虫に乗って移动することが知られていますが、昆虫に乗ることは必须ではなく、実験室内では大肠菌を饵として简単に饲育することができます。通常、P. pacificusは细菌类や菌类を食べますが、兴味深いことに他の线虫を捕食することも知られています。P. pacificusは、线虫を食べない线虫から进化したと考えられており、捕食性を获得する过程で他の线虫に噛みつくための动く「歯」を获得してきました(図2)。しかし、机能的な歯がどのようにして获得され、P. pacificusが捕食性を获得したのかについてはほとんど知られていませんでした。
研究成果の内容
当该研究チームは、P. pacificusの捕食に関わる遗伝子を同定するため、独自に开発した実験方法を用いて顺遗伝学的スクリーニング(※3)を行いました。5000系统を超える変异体の中から5系统の「他の线虫を捕食できない」系统を见つけ出しました。うち1系统はタンパク质分解酵素アスタシンの一つをコードするnas-6遗伝子に変异を持っていることを明らかにしました。ゲノム编集技术を用いて作出したnas-6の机能を完全に破壊した线虫は、他の线虫を捕食できなくなることがわかりました。さらに电子顕微镜などを用いて线虫の口の形を详しく调べると、「歯」の微细な构造に欠陥があることを见出しました（図3）。次にP. pacificusと非捕食性のモデル线虫C. elegansのnas-6遗伝子を比较しました。その结果、nas-6遗伝子からできる狈础厂-6タンパク质の分子机能に违いはないものの、P. pacificusだけで狈础厂-6タンパク质が働く场所が歯の近くの细胞に変化していることがわかりました(図4)。
动物の食性の多様性がどのようにして生まれてきたのかについて実験的に明らかにした例は少なく、本研究成果は线虫を用いてその谜の一端を明らかにしたという意味で画期的なものと言えます。
今后の展开
今后の研究で、P. pacificusがどのように饵となる线虫を见つけ、捕食し、食べるようになったかを明らかにすることで、线虫における新たな食性获得の仕组みの全容に迫ることができると考えています。様々な动物がどのように食べ物にあった口の形や、消化器官、感覚系などの神経回路を进化させてきたのか、生物の多様な「食」を理解する手がかりが得られると考えています。さらに、线虫には动植物に寄生しヒトや农作物に害を与えるものもいます。寄生性线虫の「寄生的食性」の获得にも本研究と类似の仕组みが関わっている可能性もあり、线虫による动植物の被害を軽减する研究に贡献する可能性もあると考えています。
参考资料
(※1)线虫：线形动物门に属する动物。モデル生物のC. elegansなどの他、动物寄生性のフィラリアやアニサキス、农业害虫のシストセンチュウやネコブセンチュウの仲间などが属している。
(※2)アスタシン：タンパク质分解酵素の一群。ほとんどの动物が持っており、动物の形づくりや食物の消化に関わるものがあることが知られている。狈础厂-6はその一つで、线虫だけが持っている。なお、エビやカニの赤い色の成分の一つであるアスタシンとは别物である。
(※3)顺遗伝学的スクリーニング：化学物质や放射线などを用いてゲノム顿狈础上にランダムに変异を入れ、兴味がある表现型を示す个体を単离し、その表现型を示す原因となった遗伝子の変化を调べるという手法。遗伝子の机能を调べる际によく用いられる。
図１ P. pacificus雌雄同体成虫の顕微镜写真(撮影：甲斐千夏氏)
図2 P. pacificusの食性と口の构造
P. pacificusは他の线虫を食べる「捕食性」を示し(础)、他の线虫を噛むための歯を持っている(叠,贰)。一方、近縁の线虫C. elegansはバクテリアを食べ(颁)、P. pacificusのような歯は见られない(顿)。P. pacificusはC. elegansのようなバクテリア食性の线虫から进化してきたと考えられている。
図3 nas-6変异体は歯の微细构造に欠陥を示す
野生型とnas-6が机能していない変异体の口の透过型电子顕微镜写真。上のパネルの点线で囲まれた部分を下の図で示している。nas-6変异体の「歯」の周辺は、野生型と比较して黒いしみが见られる(矢尻)、表面や构造の境目が波状になっている(点线部分)など、微细な构造异常が见られた。
図4 nas-6が歯の近くの细胞で机能することが捕食性の进化に重要である
nas-6がどのように进化し、捕食性の获得に関わったかを示す仮説。P. pacificusでは、nas-6が歯の近くの细胞ではたらくように进化してきた。これによって、歯の形づくりを正しく行えるようになり、捕食性の获得に贡献したと考えられる。
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