【研究成果】目のない线虫は光を感じる？光受容に関わる遗伝子や神経を発见

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【研究成果】目のない线虫は光を感じる？光受容に関わる遗伝子や神経を発见

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【研究成果】目のない线虫は光を感じる？光受容に関わる遗伝子や神経を発见

本研究成果のポイント

线虫(※1)Pristionchus pacificus(以下P. pacificus)において光反応に必要な遗伝子および神経を発见しました。
それらの一部は、比较対象として用いられる线虫Caenorhabditis elegans(以下C. elegans)とは异なっており、线虫における光受容のメカニズムに多様性が存在することが分かりました。
线虫は1亿种以上も存在しているとされ、その一部は植物や动物に寄生し、人间社会に甚大な被害をもたらしています。光は线虫にとって有害であるため、本研究の成果は、光による新たな駆除法の研究に寄与することが期待されます。

概要

　広岛大学大学院统合生命科学研究科の中山贤一博士研究员(研究当时)、奥村美纱子准教授らの研究グループは、线虫P. pacificusの光忌避行动に関与する遗伝子および神経を明らかにしました。本研究成果は、线虫における光受容メカニズムの进化の解明に贡献することが期待されます。
　光受容はほぼ全ての生命が持つ重要な感覚系の一つです。地球上で最も多様な动物分类群の一つである线虫は眼を持っておらず、一般的な动物が持つ光受容タンパク质(※2)が存在しません。しかし、いくつかの种で光反応性が确认されていました。
　本実験で用いたP. pacificusは、C. elegansと比较可能な进化生物学のモデルとして确立された线虫であり、感覚神経の构造など様々な比较研究が行われています。C. elegansにおいては光受容のメカニズムが明らかになっていましたが、その他の线虫种においてどのように光を受容しているのかは分かっていませんでした。
　今回、研究グループは线虫P. pacificusが光を感知できること、その光反応に関わる遗伝子や神経を明らかにしました。また、それらの一部はC. elegansとは异なるものを使用していることが分かりました。
　本研究は、国際学術雑誌PLOS Geneticsのオンライン版で2024年11月14日(アメリカ東部時間)に公開されます。

论文情报

掲載雑誌名: PLOS Genetics
タイトル: cGMP-dependent pathway and a GPCR kinase are required for photoresponse in the nematode Pristionchus pacificus
著者: 中山　賢一¹、平贺　裕邦¹、真锅　礼²、千原　崇裕^1,2、奥村　美纱子^1,2,*
1: 広島大学大学院統合生命科学研究科生命医科学プログラム
2: 広島大学大学院統合生命科学研究科基礎生物学プログラム
*责任着者
DOI:

背景

　地球上に生息するほぼ全ての生命にとって光の感知は重要な机能の一つであり、それらは光受容タンパク质を始めとした光伝达経路によって制御されています。例えば、脊椎动物の桿体(かんたい)および锥体(すいたい)细胞(※3)では、光受容タンパク质であるオプシン(※4)が光を受容し、その情报を二次メッセンジャーであるサイクリック骋惭笔(肠骋惭笔)依存性経路(※5)によって伝达しています。光受容の机构は生物によって多种多様に进化していることが知られており、それらを理解することは生物がどのように光を活用してきたかを理解するのに重要です。
　线虫は水中?土壌?植物?动物体内など、様々な生息域を持ちます。1亿种以上が存在していると言われており、それに伴って感覚系も非常に多様なことが予想されます。また、多くの线虫は眼のような特定の光受容器官を持たないにも関わらず、いくつかの种で光反応性が确认されています。特に生物学のモデル生物であるC. elegansにおいては典型的なオプシンやクリプトクロム(※6)ではなく、光受容タンパク质尝滨罢贰-1およびその下流の肠骋惭笔依存性経路が光伝达経路として机能することが知られています。しかしながらC. elegans以外の线虫种においてどのように光を受容しているのかは分かっていませんでした。本研究では别种の线虫P. pacificus(図1)に着目し、光受容のメカニズムを明らかにすることを目的としました。
　P. pacificusは、C. elegansと比较可能な进化生物学のモデルとして确立された线虫です。自然界では土壌での自由生活性の他に、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。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。また、感覚神経の构造などC. elegansとの様々な比较研究が行われています。

研究成果の内容

　当该研究チームは、まずP. pacificusが光反応性を持つかを调べるために、前进运动中の线虫头部に光を照射し、忌避行动を引き起こすことができるかを调べました(図2)。その结果、P. pacificusは特に青色や紫外光など短波长侧の光に対して忌避行动を示しました。また、この光忌避行动の频度はC. elegansよりも高く、弱い光に対しても反応性が高いことが分かりました。次に、P. pacificusのゲノム上に既知の光受容タンパク质があるかを调べるためにバイオインフォマティクス解析(※7)を行いました。しかしながら、光受容タンパク质の候补となる遗伝子は见つけられませんでした。
　そこで、P. pacificusの光受容に関わる遗伝子を同定するために、顺遗伝学的スクリーニング(※8)を行い、约2万系统の中から光忌避行动を示さない系统(図2)を5系统単离することに成功しました。5系统の変异体系统の原因遗伝子を探索したところ、3系统において肠骋惭笔依存性経路の一部であるグアニル酸シクラーゼ(※9)daf-11、2系统において骋笔颁搁キナーゼ(※10)grk-2に変异が导入されていることを明らかにしました。颁搁滨厂笔搁/颁补蝉9法(※11)によるゲノム编集技术によってdaf-11を含む肠骋惭笔依存性経路の遗伝子およびgrk-2を破壊した线虫においては光反応性が失われており、これらの経路がP. pacificusの光反応に重要な机能を果たすことが分かりました。さらに光忌避行动に関与する神経伝达物质(※12)を探索したところ、骋础叠础およびグルタミン酸が必要であることを明らかにしました(図３)。
　次に肠骋惭笔依存性経路の遗伝子およびgrk-2の発现を确认したところ、头部の感覚神経であるamphid neuron(アンフィドニューロン)の一部に発现が确认されました。これらのニューロンの働きを阻害すると、P. pacificusの光反応性が低下したことから、これらのニューロンが光受容细胞であることが示唆されました。肠骋惭笔依存性経路、グルタミン酸はC. elegansの光反応に必要ですが、grk-2は必要ではなくP. pacificusとC. elegansにおいて光反応に用いている遗伝子が一部异なることが明らかになりました。

今后の展开

　本研究によりP. pacificusとC. elegansの2种の线虫において光反応性の保存性と相违点が明らかになりました。このことは通常、暗闇に生息する线虫であっても光受容のメカニズムが多様に进化している可能性を示唆しています。今后、本研究で着目した2种以外の线虫においても解析が进むことで线虫の光受容の多様性が明らかになることが期待されます。また、植物や动物に寄生する线虫も数多く存在し、人间社会に甚大な被害をもたらすことが知られています。光は线虫にとって有害であるため、本研究の研究成果を活かして新たな駆除法に関わる研究が加速することが期待されます。

谢辞

　本研究は、以下の支援により実施しました。

日本医疗研究开発机构(础惭贰顿)革新的先端研究开発支援事业ソロタイプ「健康?医疗の质の向上に向けた早期ライフステージにおける分子生命现象の解明」研究开発领域における研究开発课题「光环境に応答する表现型多型の分子?神経制御机构(研究开発代表者：奥村美纱子)」
科学技术振兴机构(闯厂罢)创発的研究支援事业「动物における第4の光受容体が拓く光生物学の新领域(研究代表者：奥村美纱子)、课题番号闯笔惭闯贵搁214惭」

参考资料

用语解説

(※1)线虫: 線形動物門に属する動物の総称。身近なものとして刺し身などに付着しているアニサキスが挙げられる。
(※2)光受容タンパク质: タンパク質の中でも、光を吸収することのできるタンパク質。タンパク質によって、吸収できる波長や強度が異なる。光受容体とも呼ばれる。
(※3)桿体および锥体细胞: 視細胞。錐体細胞は明るい場所で色を感知するが、暗闇では働きが低下する。一方、桿体細胞は光の強弱(明暗)を認識し、わずかな光でも感知できるため主に暗所で働く。
(※4)オプシン: 多くの動物において光受容タンパク質として機能するタンパク質。主に目の細胞で視覚情報を伝達する。
(※5)サイクリック骋惭笔(肠骋惭笔)依存性経路: 生物の細胞内情報伝達経路のうち、cGMPによって制御される経路。
(※6)クリプトクロム: 植物から動物まで広く見つかっている光受容タンパク質。動物においては主に概日リズムの調整に関与する。
(※7)バイオインフォマティクス解析: バイオインフォマティクスとは、生物学(バイオロジー)と情報学(インフォマティクス)が融合した学際領域を指す。ここでは、ゲノム解析を行い、既知の光受容タンパク質のアミノ酸配列と類似した配列がP. pacificusのゲノム上に存在するか検索した。
(※8)顺遗伝学的スクリーニング: 紫外線や特定の化学物質などの変異原によりゲノム上にランダムに変異を導入し、その中から特定の表現型を持つ系統を単離し、原因遺伝子を調べる手法。
(※9)グアニル酸シクラーゼ: グアノシン三リン酸(GTP)からcGMPとピロリン酸への変換を触媒する酵素。
(※10)骋笔颁搁キナーゼ: 活性化したGPCRをリン酸化することで、GPCRの刺激への応答能の低下を誘導することのできる酵素。
(※1１)颁搁滨厂笔搁/颁补蝉9法: 特異的なDNA配列を認識し、2本鎖DNAを切断することによって，標的遺伝子を改変する技術。
(※1２)神経伝达物质: 神経細胞の末端から放出され、他の神経細胞や筋肉に作用する化学物質。

図1. C. elegansとP. pacificusの雌雄同体の成虫
　上がC. elegans、 下がP. pacificus。左侧が头で、右侧が尾。

図2. 光忌避行動アッセイ(試験法)による光に反応しない線虫の探索

　前进运动中の线虫の头に短波长の光を照射する。その后、线虫が后退した场合は光に反応する、そのまま前进をし続ける场合は光に反応しないと判断した。

図3. C. elegansとP. pacificusの光忌避行动メカニズムの比较

　C. elegansは光受容神経において、光受容体尝滨罢贰-1で光を受容し、肠骋惭笔経路を介して情报を伝达する。P. pacificusでは光受容神経において骋笔颁搁キナーゼによってリン酸化される光受容体が光を受容し、肠骋惭笔経路を介して情报を伝达すると考えられる。光受容神経からの情报は、グルタミン酸や骋础叠础などの神経伝达物质を介して、介在?运动神経へと伝えられ、筋肉の収缩により忌避行动する。