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Kleptoprotein bioluminescence in fish: Molecular mechanism of protein uptake and its evolutionary origin

Research Project

Project/Area Number 21K15144
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 45020:Evolutionary biology-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

別所 学 (別所ー上原学)  名古屋大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (80880434)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords盗タンパク質 / 生物発光 / キンメモドキ / ルシフェラーゼ / トランスクリプトーム解析 / ウミホタル
Outline of Research at the Start

ユニークな形質を持つ生物は、それらが独自の遺伝子をゲノム中に獲得することで進化したと考えられてきた。ところが、発光魚キンメモドキは、発光に必要な酵素遺伝子をゲノム中に持たず、餌であるウミホタルから発光酵素(ルシフェラーゼ)を獲得していることが、 申請者の研究により明らかとなった。「餌由来のタンパク質が消化されずに特定の器官の細胞に取り込まれ、さらに、本来の酵素機能が保持される」現象(盗タンパク質現象)の取込みの分子・細胞生物学的メカニズムおよび進化的起源は未知である。本研究では、キンメモドキにおいて餌由来タンパク質を細胞内に取込む仕組みの解明 と本現象がみられる新たな生物種の発見を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

発光魚キンメモドキParapriacanthus ransonneti(ハタンポ科)は、発光性甲殻類トガリウミホタルCypridina noctilucaのルシフェラーゼタンパク質を発光器に取り込むが、その動態は不明である。また、免疫組織化学による染色像より発光細胞の細胞質にルシフェラーゼが存在することから、細胞膜介在性の取り込み機構などによりルシフェラーゼが取り込まれていると予想される。すなわち、細胞膜に局在するトガリウミホタルルシフェラーゼ受容体の存在を想定して、これを同定することを目指す。
ルシフェラーゼ抗体を用意し、これを用いてキンメモドキの発光器由来のタンパク質粗抽出物に対して免疫共沈降法による受容体の同定を試みた。しかしながら、夾雑タンパク質が多く、有力な候補を得ることができなかった。
本年度は、ゲノム・トランスクリプトーム解析を行い、発光器特異的な遺伝子の探索を行った。PacBioシーケンサーによるロングリードを用いたゲノム解読を行なった。その結果、高品質なドラフトゲノム(N50=13M b)を得ることができた。作成したゲノム情報とすでにえら得ていたトランスクリプトーム情報を統合して解析することで、De novoトランスクリプトーム解析では解釈が困難なパラログの解析や、大きな遺伝子の解析を、ゲノム情報を整備することで解決した。今後は、発光器特異的遺伝子の機能解析を培養細胞系で発現させて行う。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、前年度までの進捗をうけて、比較トランスクリプトーム解析を進め、ルシフェラーゼの取り込みに関与すると考えられる遺伝子の候補を得た。すなわち、発光器における発光細胞の細胞膜上でルシフェラーゼと結合する受容体の候補遺伝子をバイオインフォマティクス解析から見出した。しかし、当該遺伝子は非常に長く、ショートーリードを用いた遺伝子予測では全長を復元推定することができなかった。そこで本年度は、PacBioシーケンサーによるロングリードを用いたゲノム解読を行なった。その結果、高品質なドラフトゲノム(N50=13M b)を得ることができた。これを用いて遺伝子カタログを作成した。作成した遺伝子カタログに対して、トランスクリプトーム解析を行なったところ、上記と同じ候補遺伝子を得ることができ、再現性が担保された。
また、ハタンポ科に属する1種とハタンポ科に近縁なアオバダイ科の1種のトランスクリプトームデータを得ることができた。これらを用いて、キンメモドキのゲノム・トランスクリプトームデータと比較し、発光形質や盗タンパク質に関わる遺伝子群を網羅的に解析することができる。

Strategy for Future Research Activity

ルシフェラーゼの受容体候補遺伝子の全長クローニングを行い、培養細胞系で発現させ機能解析を行う。機能解析のためにトガリウミホタルルシフェラーゼを受容体の相互作用相手として調製する必要があるが、当該タンパク質はシステインを多数含み一般的な大腸菌E. coli (DE) BL21などでの発現が困難である。そこで、メタノール資化酵母Pichia pastorisを用いてこれを発現する。作成したルシフェラーゼを細胞培養液に添加し、結合能をルシフェラーゼ活性(発光強度)を用いて評価する。
また、ハタンポ科に属する1種とハタンポ科に近縁なアオバダイ科の1種のトランスクリプトームデータを、キンメモドキのゲノム・トランスクリプトームデータと比較し、発光形質や盗タンパク質に関わる遺伝子群を網羅的に解析する。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022 2021

All Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 14 results)

  • [Presentation] 深海に棲む光る生物のいろいろ2023

    • Author(s)
      別所上原学
    • Organizer
      動物学会関東大会
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  • [Presentation] 盗タンパク質をもつ発光生物の探索2023

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      日本進化学会
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  • [Presentation] キンメモドキの盗タンパク質現象とタンパク質取込メカニズム解明に向けて2023

    • Author(s)
      別所上原学
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      動物学会中部支部
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  • [Presentation] ‘盗タンパク質による生物発光’2022

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      別所上原学
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      ERATO共生進化機構先端セミナー
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  • [Presentation] ‘キンメモドキの盗タンパク質による生物発光’2022

    • Author(s)
      別所上原学
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      基礎生物学研究所 トランススケールバイオロジーワークショップ
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  • [Presentation] 盗タンパク質による生物発光~ウミホタルを食べて光るキンメモドキ~2021

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      別所上原学
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      盗機能生物研究会
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  • [Presentation] ‘ウミホタルから発光分子を盗むキンメモドキ’2021

    • Author(s)
      別所上原学
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      アドバンス生命理学特論
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  • [Presentation] 盗タンパク質による生物発光~ウミホタルを食べて光るキンメモドキ~2021

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      別所上原学
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      ScienceOme
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Kleptoprotein Bioluminescence: Protein uptake in a fish from luminous crustacean2021

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      別所上原学
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      2nd Asia Evo Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ‘深海サンゴ(花虫綱)の生物発光メカニズムの比較と進化’2021

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      第92回動物学会(米子オンライン大会・ハイブリッド形式)
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  • [Presentation] ‘キンメモドキのユニークな発光器官’2021

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      別所上原学
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      第6回ユニーク会(ハイブリッド形式・東京・名古屋・オンライン)
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  • [Presentation] Kleptoprotein Bioluminescence: A fish obtains luciferase from a luminous ostracod prey2021

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      別所上原学
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      Living Light
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  • [Presentation] ‘盗タンパク質による生物発光:ウミホタルを食べて光るキンメモドキ’2021

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      別所上原学
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      基礎生物学研究所部門公開セミナー
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  • [Presentation] ‘太古の海の光る森’2021

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      名古屋大学出前授業
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      第22回静岡ライフサイエンスシンポジウム
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  • [Presentation] ‘生物発光の進化と盗タンパク質`2021

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      第2回ERATO共生進化機構先端セミナーオンライン
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  • [Presentation] ‘キンメモドキの盗タンパク質による生物発光’2021

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      別所上原学
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      盗機能生物研究集会
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  • [Presentation] ‘第2のKleptoproteinの発見’2021

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      別所上原学
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      ACT-X「生命と化学」第3回領域会議(東京オンライン大会・ハイブリッド形式)
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  • [Presentation] ‘盗タンパク質をもつ発光生物の発見’2021

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      別所上原学
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      JST創発の場
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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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