Evolutionary development of the craniofacial morphology in amniotes

• Project/Area Number: 17J11177
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Evolutionary biology
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 東山 大毅 東京大学, 医学研究科, 特別研究員(SPD)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 進化 / 顎顔面 / 発生 / 哺乳類 / 古生物学 / 形態形成 / 頭部 / 神経堤細胞 / 脊椎動物 / 形態 / 顔面 / モジュール / 爬虫類 / 解剖

Outline of Annual Research Achievements

脊椎動物の顔面は複数の発生原基により生じる。その組合せのパターンは、あらゆる教科書において少なくとも羊膜類で保存されているとされてきた。しかし、哺乳類での軟組織―例えば三叉神経の分布は、教科書的な原基の組合せから想像されるのとはまるで異なるパターンを見せる。これは何を表すのか。
本研究では、①顔面原基の結合阻害実験 ②上顎原基の細胞系譜追跡実験 ③非モデル動物胚や化石も含めた形態比較の３つを講じ、動物の顔面の構造がどの胚原基に由来するか、哺乳類とそれ以外の動物の差は何によって生み出されるかを明示した。
①ではcyclopamine を用いた、既にある口唇口蓋裂モデルの作成法をマウスとニワトリで施し、さらに同様に口唇口蓋裂のソメワケササクレヤモリとも比較した。
②ではDlx1-CreERT2 マウスというほとんど誰もモデルとして用いてこなかったマウスを導入して顔面原基の系譜追跡実験をおこなった。
③ではニホンアカガエルをも含めて顔面の発生を三次元構築して比較、また日本ではまず入手できないようなハリモグラ・カモノハシ胚に関してもベルリン自然史博物館の試料を使って三次元像を構築した。さらにテュービンゲン大学に赴いて、哺乳類への進化過程の化石を数多く観察し、進化史を考察した
以上の結果、「末梢神経のような解剖学的構造は発生の由来と頑健に対応する」「哺乳類での構造のズレは発生の由来自体の大幅にシフトによる」「哺乳類の鼻先は祖先における口先の転用であり、上あごは漸進的なシフトによって新規に形成された」という結論を導いた。この成果は、18 世紀から当たり前に教科書に書かれてきた解剖学的フレームワークを塗り替えてしまうものと考えている。現在は論文として執筆済みであり、投稿中である。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] エバーハルト・カール大学テュービンゲン(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] エバーハルト・カール大学 テュービンゲン(ドイツ)
• [Journal Article] Probing the origin of matching functional jaws: roles of Dlx5/6 in cranial neural crest cells (2018)
  • Author(s): Miki Shimizu、Nicolas Narboux-Neme、Yorick Gitton、Camille de Lombares、Anastasia Fontaine、Gladys Alfama、Taro Kitazawa、 Yumiko Kawamura、Eglantine Heude、Lindsey Marshall、Hiroki Higashiyama、Youichiro Wada、Yukiko Kurihara、Hiroki Kurihara、Giovanni Levi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33207-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sox17 is essential for proper formation of the marginal zone of extraembryonic endoderm adjacent to a developing mouse placental disk. (2018)
  • Author(s): Igarashi H, Uemura, M, Hiramatsu R, Hiramatsu R, Segami S, Pattarapanawan M, Hirate Y, Yoshimura Y, Hashimoto H, Higashiyama H, Sumitomo H, Kurohmaru M, Saijoh Y, Suemizu H, Kanai-Azuma M, Kanai Y.
  • Journal Title: Biol Reprod Volume: - Issue: 3 Pages: 578-589
  • DOI: 10.1093/biolre/ioy079
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 前上顎骨再考：鼻先は祖先の口先 (2020)
  • Author(s): 東山大毅, 栗原裕基
  • Organizer: 日本古生物学会第169回年会
• [Presentation] 上あごから鼻を分離させた、哺乳類の顔面進化 (2020)
  • Author(s): 東山大毅, 栗原裕基
  • Organizer: 第16回東京呼吸器リサーチフォーラム
  • Invited
• [Presentation] 原基シフトが哺乳類顔面をつくった (2019)
  • Author(s): 東山大毅, 栗原裕基
  • Organizer: 日本動物学会 第90回 大阪大会
• [Presentation] Mammalian nose-tip is ancestral jaw-tip (2019)
  • Author(s): 東山大毅, 栗原裕基
  • Organizer: 日本進化学会第21回北海道大会
• [Presentation] Mammalian face is evolved by drastic shift of facial prominences (2019)
  • Author(s): Hiroki Higashiyama, Hiroki Kurihara
  • Organizer: International Congress of Vertebrate Morphology 2019 (ICVM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 「哺乳類顔」を成立させた単弓類系統での劇的なシフト (2019)
  • Author(s): 東山大毅, 栗原裕基
  • Organizer: 日本古生物学会2019年年会
• [Presentation] Mammalian face is evolved by drastic shift of facial prominences (2019)
  • Author(s): Hiroki Higashiyama, Hiroki Kurihara
  • Organizer: International Congress of Vertebrate Morphology 2019 (ICVM2019)（
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2S20-2 三叉神経が紐解く顔面の進化 in シンポジウム「鰓弓神経の本質についての再検討」 (2019)
  • Author(s): 東山 大毅
  • Organizer: 第124回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Invited
• [Presentation] 羊膜類顔面構造の進化は、顔面原基の伸長で説明できるか？ (2018)
  • Author(s): 東山 大毅
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] サテライトフォーラム 「口先が鼻先になった：顔面発生における原基と解剖学的構造の結合一致性」 (2018)
  • Author(s): 東山 大毅
  • Organizer: 第161回日本獣医学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 鼻の頭は嘴の先か？：羊膜類の顔面形成についての考察 (2018)
  • Author(s): 東山 大毅, 栗原 裕基
  • Organizer: 日本進化学会第20回大会
• [Presentation] 哺乳類の鼻は祖先的羊膜類の口先か？ (2018)
  • Author(s): 東山 大毅
  • Organizer: 第8回 Tokyo Vertebrate Morphology Meeting
• [Presentation] Making of mammalian face by drastic shift of facial processes (2018)
  • Author(s): Hiroki Higashiyama, Hiroki Kurihara
  • Organizer: 7th Euro Evo Devo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Does facial anatomy follow the topographical relationships of facial primordia? (2018)
  • Author(s): Hiroki Higashiyama, Hiroki Kurihara
  • Organizer: 1st Asia Evolutionary Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 顔面の構造は、発生原基の構成をどこまで反映するのか？ (2017)
  • Author(s): 東山 大毅
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（ConBio2017）
• [Presentation] Does adult facial anatomy reflect embryonic primordial composition? A perspective on the mammalian craniofacial morphogenesis (2017)
  • Author(s): Hiroki Higashiyama
  • Organizer: 29th CDB Meeting "Mavericks, new models in developmental biology"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 羊膜類顔面の発生と進化 (2017)
  • Author(s): 東山 大毅, 栗原 裕基
  • Organizer: 日本進化学会第19回大会
• [Presentation] 羊膜類の顔面形成についての展望 (2017)
  • Author(s): 東山 大毅
  • Organizer: 7th Tokyo Vertebrate Morphology Meeting (TVMM)