Exploaring the origin of appendages in metazoans: Verification of the genitalia-origin hypothesis

• Project/Area Number: 21K18240
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 45:Biology at organismal to population levels and anthropology, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三浦 徹 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00332594)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2025: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2024: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
• Keywords: 珍無腸動物 / 雄性生殖器 / パターニング遺伝子 / 突出部委 / 付属肢 / 無性生殖 / トランスクリプトーム / 分裂 / 突出部位 / 縦分裂 / 珍無腸動物門 / 左右相称動物 / 交尾器 / 繁殖様式 / 有性生殖 / 体内受精

Outline of Research at the Start

動物の交尾器の発生には付属肢の発生に必要なパターニング遺伝子が関与していることが知られている。また、突出部位を発生させるDistal-less遺伝子も交尾器と付属肢の発生に用いられている。一方、動物界全体では、付属肢を持たない動物においても、雄性生殖器を有するものが多数知られる。これらから左右相称動物の共通祖先で既に交尾器を有した可能性も考えられる。交尾器の起源が付属肢よりも古ければ、交尾器の発生機構が、付属肢発生に転用された可能性もある。本研究では、最も古い左右相称動物とされる珍無腸動物を対象として、交尾器の分子発生機構および進化発生学的機構を解明することで、この仮説を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、左右相称動物の起源に関係すると考えられている無腸動物の繁殖様式について、交尾器形成の機構に着目して進化発生学的研究を展開している。潮間帯から潮下帯において生息するミサキムチョウウズムシを対象として、生殖腺と雄性交尾器の形成について詳細な組織観察を行っている。これまでに、卵巣組織は体の後半部の上皮近傍に、精巣組織は体の前半部の上皮近傍に形成されることが明らかとなり、前半部の腹側に雄性交尾器が形成されることが明らかとなった。また、雌性生殖器に比して雄性生殖器の方が先に発達する雄性先熟であることも確認された。また、トランスクリプトーム解析データから主要な発生制御因子の遺伝子カタログを作成しており、リアルタイム定量PCRに基づいて、付属肢形成遺伝子などの主要な発生制御因子の遺伝子発現解析を進行している。微小な生物のためサンプル調製に手間取っているが、試行錯誤しながら着実に進めている。また、他の左右相称動物では一般的に見られる遺伝子群が本種では見つからないものがいくつかあり、珍無腸動物門の系統学的位置を考える上でも興味深い結果が得られている。
一方、無腸動物 Convolutriloba longifissura について、体の前後に横分裂を行った後、後半部分のみが正中線にそって縦分裂を行うという特徴的な無性生殖様式をとることが明らかとなっっている。経時観察および組織観察、更にトランスクリプトームに基づくRNA-seq解析により、この縦分裂では、組織学的特徴と、再生による2つの頭部の形成により縦分裂が進行することが示唆された。その他、左右相称動物である環形動物や節足動物の様々な種においても、多様な繁殖様式が明らかとなり、左右相称動物の進化における繁殖パターンの多様化に関する示唆が得られている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ミサキムチョウウズムシの成長に伴う生殖器官の発達についてデータがまとまってきており、組織学的記載についての論文をまとめつつある。同時に、主要な発生制御遺伝子の発現動態について、リアルタイムqPCRのデータが蓄積しつつあり、本研究課題で掲げる仮説の検証は順調に進んでいると言える。その一方で、他種の無腸動物であるConvolutriloba longifissuraの縦分裂のメカニズムについても論文化を進めている。左右相称動物における繁殖様式の進化を考える上では、他の動物門との比較も重要であり、その意味においても、環形動物や節足動物、脊椎動物での繁殖に関わる進化発生学的知見が蓄積しつつあり、当初予定していたよりも幅の広い展開が見られており、今後の展望も期待されている。

Strategy for Future Research Activity

ミサキムチョウウズムシの交尾器の発達とその分子発生学的基盤については、現在解析を進めている発生制御遺伝子の発現動態について更に詳しく調べ、データを蓄積していき、総合的な考察を目指す。in situ ハイブリダイゼーションや免疫染色などの実験系も確立しつつあるため、個々の遺伝子の詳細な発現部位についても特定されることが期待される。更に、シングルセルRNA-seqなどについても検討を行い、具体的な勝算が得られると期待されればそのような解析も積極的に行っていく。他の動物門等でもデータが蓄積されているため、動物界全体における繁殖様式の進化などに結びつけた考察が得られることを目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Georg-August-Universitat Gottingen(ドイツ)
• [Journal Article] Structural and functional analyses of chitinolytic enzymes in the nacreous layer of Pinctada fucata (2023)
  • Author(s): Lingxiao Zhu, Keisuke Shimizu, Hiroyuki Kintsu, Lumi Negishi, Zehua Zheng, Hitoshi Kurumizaka, Shohei Sakuda, Isao Kuriyama, Takashi Atsumi, Kaoru Maeyama, Kiyohito Nagai, Michiyo Kawabata, Hisanori Kohtsuka, Toru Miura, Yoshitaka Oka, Shinsuke Ifuku, Koji Nagata, Michio Suzuki
  • Journal Title: Biochemical Engineering Journal Volume: 191 Pages: 108780-108780
  • DOI: 10.1016/j.bej.2022.108780
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Appearance of a transparent protrusion containing two pairs of legs on the apodous ring preceding the anamorphic molt in a millipede, Niponia nodulosa (2023)
  • Author(s): Chiyoda Soma、Oguchi Kohei、Miura Toru
  • Journal Title: Frontiers in Zoology Volume: 20 Issue: 1 Pages: 14-14
  • DOI: 10.1186/s12983-023-00493-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Physiological and developmental mechanism of regressive molt in a damp-wood termite Hodotermopsis sjostedti (2023)
  • Author(s): Kobayashi Kenta、Oguchi Kohei、Miura Toru
  • Journal Title: Frontiers in Ecology and Evolution Volume: 11 Pages: 1200081-1200081
  • DOI: 10.3389/fevo.2023.1200081
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differences of Sucker Formation Processes Depending on Benthic or Pelagic Posthatching Lifestyles in Two Octopus Species (2023)
  • Author(s): Kimbara Ryosuke、Kohtsuka Hisanori、Miura Toru
  • Journal Title: The Biological Bulletin Volume: 244 Issue: 2 Pages: 82-93
  • DOI: 10.1086/726772
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Upregulation of Hox genes leading to caste-specific morphogenesis in a termite (2023)
  • Author(s): Oguchi Kohei、Miura Toru
  • Journal Title: EvoDevo Volume: 14 Issue: 1 Pages: 12-12
  • DOI: 10.1186/s13227-023-00216-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gonadal and cellular dynamics during protogynous sex change in the harlequin sandsmelt <i>Parapercis pulchella</i> (2023)
  • Author(s): Yao Akifumi、Nakamura Mayuko、Kohtsuka Hisanori、Sunobe Tomoki、Miura Toru
  • Journal Title: Journal of Fish Biology Volume: 103 Issue: 6 Pages: 1347-1356
  • DOI: 10.1111/jfb.15534
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Morphological, histological and gene-expression analyses on stolonization in the Japanese Green Syllid, Megasyllis nipponica (Annelida, Syllidae) (2023)
  • Author(s): Nakamura Mayuko、Oguchi Kohei、Sato Daisuke S.、Kato Sumika、Okanishi Masanori、Hayashi Yoshinobu、Aguado M. Teresa、Miura Toru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 19419-19419
  • DOI: 10.1038/s41598-023-46358-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Construction of a massive genetic resource by transcriptome sequencing and genetic characterization of <i>Megasyllis nipponica</i> (Annelida: Syllidae) (2022)
  • Author(s): Hayashi Yoshinobu、Oguchi Kohei、Nakamura Mayuko、Koshikawa Shigeyuki、Miura Toru
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 97 Issue: 3 Pages: 153-166
  • DOI: 10.1266/ggs.21-00137
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2022-06-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The pentameric hydrocoel lobes organize adult pentameral structures in a sea cucumber, Apostichopus japonicus (2022)
  • Author(s): Udagawa Sumio、Nagai Akiko、Kikuchi Mani、Omori Akihito、Tajika Atsushi、Saito Mieko、Miura Toru、Irie Naoki、Kamei Yasuhiro、Kondo Mariko
  • Journal Title: Developmental Biology Volume: 492 Pages: 71-78
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2022.09.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pleopodal lung development in a terrestrial isopod, Porcellio scaber (Oniscidea) (2022)
  • Author(s): Inui Naoto、Kimbara Ryosuke、Yamaguchi Haruka、Miura Toru
  • Journal Title: Arthropod Structure & Development Volume: 71 Pages: 101210-101210
  • DOI: 10.1016/j.asd.2022.101210
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ontogenetic Expressions of Sexually Dimorphic Traits in the Skeleton Shrimp Caprella scaura (Crustacea: Amphipoda) (2022)
  • Author(s): Otomo Yohei、Shinji Junpei、Kohtsuka Hisanori、Miura Toru
  • Journal Title: Zoological Science Volume: 39 Issue: 5 Pages: 431-445
  • DOI: 10.2108/zs220038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hormone-related genes heterochronically and modularly regulate neotenic differentiation in termites (2022)
  • Author(s): Oguchi Kohei、Koshikawa Shigeyuki、Miura Toru
  • Journal Title: Developmental Biology Volume: 485 Pages: 70-79
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2022.02.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Understanding of superorganisms: collective behavior, differentiation and social organization (2022)
  • Author(s): Miura Toru、Oguchi Kohei、Yamaguchi Haruka、Nakamura Mayuko、Sato Daisuke、Kobayashi Kenta、Kutsukake Nobuyuki、Miura Kyoko、Hayashi Yoshinobu、Hojo Masaru、Maekawa Kiyoto、Shigenobu Shuji、Kano Takeshi、Ishiguro Akio
  • Journal Title: Artificial Life and Robotics Volume: 27 Issue: 2 Pages: 204-212
  • DOI: 10.1007/s10015-022-00754-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Developmental Process of a Heterozooid: Avicularium Formation in a Bryozoan, Bugulina californica (2021)
  • Author(s): Yamaguchi Haruka、Hirose Masato、Nakamura Mayuko、Udagawa Sumio、Oguchi Kohei、Shinji Junpei、Kohtsuka Hisanori、Miura Toru
  • Journal Title: Zoological Science Volume: 38 Issue: 3 Pages: 203-212
  • DOI: 10.2108/zs200143
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parasitism-Induced Intersexuality in a Sexually Dimorphic Varunid Crab, Ptychognathus ishii (Decapoda: Varunidae) (2021)
  • Author(s): Inui Naoto、Oguchi Kohei、Shinji Junpei、Okanishi Masanori、Shimomura Michitaka、Miura Toru
  • Journal Title: Zoological Science Volume: 38 Issue: 5 Pages: 416-426
  • DOI: 10.2108/zs210049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sucker formation in a bigfin reef squid: Comparison between arms and tentacles (2021)
  • Author(s): Kimbara Ryosuke、Kohtsuka Hisanori、Abe Sou、Oguchi Kohei、Miura Toru
  • Journal Title: Journal of Morphology Volume: 283 Issue: 2 Pages: 149-163
  • DOI: 10.1002/jmor.21434
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ミノウミウシ類における背側突起の形態形成機構 (2024)
  • Author(s): 金井直樹, 小口晃平, 三浦徹
  • Organizer: 日本動物学会第76回関東支部大会
• [Presentation] 環形動物ミドリシリスの性転換及び性分化 (2024)
  • Author(s): 本藤 あゆみ，小口 晃平，佐藤 大介，三浦 徹
  • Organizer: 日本動物学会第76回関東支部大会
• [Presentation] 無腸動物における縦分裂の分子発生機構の解明 (2023)
  • Author(s): 田村花，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] 特異なボディプランを持つワレカラにおける生殖腺発達の特殊化 (2023)
  • Author(s): 大友洋平，幸塚久典，小口晃平，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] 陸生等脚目甲殻類における空気呼吸器官の形成過程とその進化 (2023)
  • Author(s): 乾直人，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] ヤスデ類はどのように新たな脚を増やすのか？：増節変態における形態形成過程 (2023)
  • Author(s): 千代田創真，小口晃平，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] 群体動物コケムシにおける防衛個虫「鳥頭体」の形成過程とそのコスト (2023)
  • Author(s): 山口悠，広瀬雅人，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] コウイカにおける吸盤の構造分化に関する分子機構の解明 (2023)
  • Author(s): 金原僚亮，幸塚久典，小口晃平，黒川大輔，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] 棘皮動物の五放射性を規定する器官、水腔における遺伝子発現の経時的変化 (2023)
  • Author(s): 宇田川澄生，内田唯，入江直樹，池田貴史，黒川大輔，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] 性転換する魚類トラギスにおける両性生殖腺構造とシングルセル解析の試み (2023)
  • Author(s): 八尾晃史，幸塚久典，鈴木穣，三浦徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] 環形動物ミドリシリスにおける特異な繁殖様式に伴う異所的な尾部形成 (2023)
  • Author(s): 佐藤 大介，三浦 徹
  • Organizer: 2023年度日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] トゲワレカラ（軟甲綱端脚目）の後胚発生における性的二型の発現過程 (2022)
  • Author(s): 大友洋平, 進士淳平, 幸塚久典, 三浦徹
  • Organizer: 第74回日本動物学会関東支部大会
• [Presentation] オオシロアリにおける退行脱皮: ニンフ分化後も全能性を持つ (2022)
  • Author(s): 小林拳大, 小口晃平, 三浦徹
  • Organizer: 日本動物学会関東支部 第74回大会
• [Presentation] 雌性先熟のトラギスにおける性転換と両性生殖腺形成 (2021)
  • Author(s): 八尾晃史, 中村真悠子, 幸塚久典, 三浦徹
  • Organizer: 第55回日本魚類学会年会
• [Presentation] イカ類における吸盤形成関連遺伝子の探索 (2021)
  • Author(s): 金原僚亮，幸塚久典，三浦徹
  • Organizer: 第四回イカタコ研究会
• [Remarks] Miura Lab
  • URL: https://sites.google.com/view/miura-lab/
• [Remarks] 東京大学大学院理学系研究科附属臨海実験所
  • URL: https://www.mmbs.s.u-tokyo.ac.jp/wp/
• [Remarks] 東京大学大学院理学系研究科・附属臨海実験所
  • URL: https://www.mmbs.s.u-tokyo.ac.jp/wp/
• [Remarks] Miura Lab （三崎臨海実験所）旧ページ
  • URL: https://www.mmbs.s.u-tokyo.ac.jp/research/MiuraLab/index.html
• [Remarks] Miura Lab （三崎臨海実験所）新ページ
  • URL: https://sites.google.com/view/miura-lab/