ボルバキアが宿主昆虫を時空間的に制御し、オス殺しを成立させる仕組みを解明する

• Project/Area Number: 22H00366
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 勝間 進 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (20378863)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2024: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2023: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2022: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
• Keywords: ボルバキア / 性決定 / 遺伝子量補償 / アワノメイガ / Oscar / オス殺し / 共生 / チョウ目昆虫 / 共生細菌 / 性操作 / 昆虫

Outline of Research at the Start

本研究では、共生細菌であるボルバキアが宿主昆虫に感染したのち、細胞や個体の中でどのような過程を経て共生を成立させ、最終的に「オス殺し」を実行することができるようになるのかを解明する。これらの知見は、オス殺し因子を利用したチョウ目昆虫における新規性操作法やボルバキア逆遺伝学の確立という技術革新にもつながるものである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、わたしたちが発見したオス殺し候補因子の機能を証明することで、ボルバキアがチョウ目昆虫においてオス殺しを引き起こすメカニズムを明らかにする。一方、ボルバキア感染における「場」と「時間」に着目した研究を行い、ボルバキアの宿主制御について、時空間的な理解を目指す。
1. ボルバキアオス殺し因子Oscarのオス殺しメカニズム
昨年度までにボルバキアオス殺し因子Oscarが、単独で細胞と個体、両方においてオス化抑制を実行できることを証明している。本年度は、Oscar cRNAをインジェクションしたカイコ胚子、およびアワノメイガ胚子を用いたトランスクリプトーム解析を行い、Oscar発現時に遺伝子量補償が破綻していることが明らかになった。つまり、ボルバキアによるオス殺しは、OscarによるMascの無効化、およびそれに基づく遺伝子量補償の破綻によるものであることが判明した。
2. ボルバキア感染細胞におけるscMultiome解析
ボルバキア感染アワノメイガ胚子より作成した培養細胞を用いて免疫染色やFISHを行ったところ、ボルバキアの量が細胞によってかなり異なることが明らかになった。また、ボルバキア量が多い細胞は巨大化し、かつ宿主オス化因子OfMascのタンパク質レベルでの蓄積が顕著に低下していることが明らかになった。このことから、ボルバキアの共生過程、あるいはオス殺しの実現において、細胞集団として検討するのと同時に個々の細胞における「ボルバキア量」と「宿主遺伝子発現（宿主側の応答）」の関係をボルバキアの「細胞間移行」も含め調査する必要があると考えた。この課題を解決するために、ボルバキア感染、非感染アワノメイガの胚子から独自に樹立した培養細胞を用いて、ゲノム、トランスクリプトームのシングルセル解析を行うことを起案した。先進ゲノム支援事業のサポートを受け、実験系の構築を検討中である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Oscarのオス殺し機構に関する論文発表を行うことができ、他の研究計画も順調に進んでいるため。

Strategy for Future Research Activity

ボルバキアの共生過程とアワノメイガにおける性決定機構の関係に関する論文を作成する。また、scMultiome解析により1細胞レベルでのボルバキアの感染と宿主応答について研究を進める。

Research Products

• [Journal Article] Expression of the Wolbachia male‐killing factor Oscar impairs dosage compensation in lepidopteran embryos (2023)
  • Author(s): Fukui Takahiro、Kiuchi Takashi、Tomihara Kenta、Muro Tomohiro、Matsuda‐Imai Noriko、Katsuma Susumu
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 598 Issue: 3 Pages: 331-337
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14777
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ボルバキアのオス殺し因子Oscar の発見 (2023)
  • Author(s): 勝間進
  • Journal Title: 細胞 Volume: 56 Pages: 25-27
• [Journal Article] Two Complete Genomes of Male-Killing Wolbachia Infecting Ostrinia Moth Species Illuminate Their Evolutionary Dynamics and Association with Hosts (2023)
  • Author(s): Muro T, Hikida H, Fujii T, Kiuchi T, Katsuma S
  • Journal Title: Microbial Ecology Volume: - Issue: 3 Pages: 1740-1754
  • DOI: 10.1007/s00248-023-02198-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Wolbachia factor for male killing in lepidopteran insects (2022)
  • Author(s): Katsuma S, Hirota K, Matsuda-Imai N, Fukui T, Muro T, Nishino K, Kosako H, Shoji K, Takanashi H, Fujii T, Arimura S, Kiuchi T
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 6764-6764
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34488-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Intensive survey of Wolbachia infection across Japanese Pyraustinae and Spilomelinae moths (2024)
  • Author(s): 室智大・松井悠樹・中秀司・勝間進
  • Organizer: 日本昆虫学会第84回大会・第68回日本応用動物昆虫学会大会
• [Presentation] アワノメイガ類のオス特異的な腹毛形質の遺伝様式 (2024)
  • Author(s): 室智大・藤井毅・勝間進
  • Organizer: 令和6年度 蚕糸・昆虫機能利用学術講演会
• [Presentation] カイコのオス化機構におけるMascタンパク質の相互作用因子の研究 (2024)
  • Author(s): 兼田竜昇・松田(今井)典子・西野耕平・小迫英尊・庄司佳祐・木内隆史・鈴木雅京・勝間進
  • Organizer: 令和6年度 蚕糸・昆虫機能利用学術講演会
• [Presentation] ボルバキア感染アワノメイガ細胞のscMultiome解析 (2024)
  • Author(s): 松田(今井)典子・室智大・福井崇弘・木内隆史・豊田敦・金井昭教・鈴木穣・伊藤武彦・勝間進
  • Organizer: 令和6年度 蚕糸・昆虫機能利用学術講演会
• [Presentation] ボルバキアがアワノメイガで引き起こすオス殺しの原因因子Oscarに関する研究 (2024)
  • Author(s): 廣田加奈子・松田(今井)典子・福井崇弘・室智大・西野耕平・小迫英尊・庄司佳祐・高梨秀樹・藤井毅・有村慎一・木内隆史・勝間進
  • Organizer: 令和6年度 蚕糸・昆虫機能利用学術講演会
• [Presentation] カイコの遺伝子量補償を制御するMasc複合体の解明 (2024)
  • Author(s): 平澤郷・兼田竜昇・松田(今井)典子・西野耕平・小迫英尊・木内隆史・勝間進
  • Organizer: 令和6年度 蚕糸・昆虫機能利用学術講演会
• [Presentation] ボルバキアがアワノメイガにおいて引き起こすオス殺し現象の原因因子の同定 (2023)
  • Author(s): 廣田加奈子、松田(今井)典子、福井崇弘、室智大、西野耕平、小迫英尊、庄司佳祐、高梨秀樹、藤井毅、有村慎一、木内隆史、勝間進1
  • Organizer: 第66回日本応用動物昆虫学会大会
• [Presentation] The piRNA-dependent sex-determination system of the silkworm Bombyx mori is not conserved in the Asian corn borer Ostrinia furnacalis (2023)
  • Author(s): 福井崇弘、庄司佳祐、木内隆史、鈴木穣、勝間進
  • Organizer: 第66回日本応用動物昆虫学会大会
• [Presentation] クワノメイガにおけるボルバキア感染 (2023)
  • Author(s): 室智大、勝間進
  • Organizer: 第66回日本応用動物昆虫学会大会
• [Presentation] オス化遺伝子Mascのゲノム編集によるカイコのメス特異的胚致死 (2023)
  • Author(s): 木内隆史、小野樹、勝間進
  • Organizer: 令和5年度蚕糸・昆虫機能利用学術講演会（日本蚕糸学会第93回大会）
• [Presentation] アワノメイガオス化因子OfMascの分解に関与するユビキチン化の解析 (2023)
  • Author(s): 松田(今井)典子、廣田加奈子、西野耕平、 小迫英尊、木内隆史、勝間進
  • Organizer: 令和5年度蚕糸・昆虫機能利用学術講演会（日本蚕糸学会第93回大会）
• [Presentation] カイコのオス化カスケードにおいてMascと相互作用するタンパク質の探索 (2023)
  • Author(s): 兼田竜昇、松田(今井)典子、西野耕平、小迫英尊、木内隆史、勝間進
  • Organizer: 令和5年度蚕糸・昆虫機能利用学術講演会（日本蚕糸学会第93回大会）
• [Presentation] チョウ目昆虫のMascにおける核移行シグナルおよびオス化ドメインの機能解析 (2023)
  • Author(s): 廣田加奈子、松田(今井)典子、木内隆史、勝間進
  • Organizer: 令和5年度蚕糸・昆虫機能利用学術講演会（日本蚕糸学会第93回大会）
• [Presentation] オス殺しWolbachiaによる「性決定ハイジャック」の分子的証拠の提出 (2023)
  • Author(s): 福井崇弘、室智大、松田(今井)典子、西野耕平、小迫英尊、木内隆史、勝間進
  • Organizer: 令和5年度蚕糸・昆虫機能利用学術講演会（日本蚕糸学会第93回大会）
• [Presentation] ノメイガ類におけるボルバキア感染の解析 (2023)
  • Author(s): 室智大、勝間進
  • Organizer: 令和5年度蚕糸・昆虫機能利用学術講演会（日本蚕糸学会第93回大会）
• [Presentation] ボルバキアによるチョウ目昆虫のオス殺し機構 (2023)
  • Author(s): 勝間進
  • Organizer: 公開シンポジウム「延長された表現型の機構解明：生物がいかにして他の生物を改変、操作するのか」
  • Invited
• [Presentation] ボルバキアはいかにしてチョウ目昆虫をオス殺すのか－オス殺し因子の同定と今後の展望－ (2022)
  • Author(s): 勝間進
  • Organizer: 第16回共生進化機構先端セミナー（主催：ERATO深津共生進化機構プロジェクト）
  • Invited
• [Presentation] The residues required for nuclear localization and masculinization of Ostrinia furnacalis Masculinizer protein (Masc) are different from those of Bombyx mori Masc (2022)
  • Author(s): Kanako Hirota, Noriko Matsuda-Imai, Takashi Kiuchi, Susumu Katsuma
  • Organizer: XXVI International Congress of Entomology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Genetic engineering of sex-linked genes in the silkworm, Bombyx mori (2022)
  • Author(s): Takashi Kiuchi, Susumu Katsuma
  • Organizer: XXVI International Congress of Entomology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アワノメイガにおけるボルバキア密度の制御機構に関する研究 (2022)
  • Author(s): 廣田加奈子、木内隆史、勝間進
  • Organizer: 第78回昆虫病理研究会
• [Presentation] ノメイガ類におけるボルバキア探索と生殖操作のフェノタイピング (2022)
  • Author(s): 室智大、勝間進
  • Organizer: 第78回昆虫病理研究会
• [Remarks] 東京大学昆虫遺伝研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/igblab-ut-aba/top
• [Remarks] 東京大学昆虫遺伝研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/igblab-ut-aba