線虫におけるゲノム、エピゲノム変化を介した温度適応機構の解明

Research Project

Project/Area Number	22K06349
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 45020:Evolutionary biology-related
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	武石明佳国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 理研白眉研究チームリーダー (30862007)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	線虫 / 高温 / 適応 / 進化 / 温度 / ゲノム / エピゲノム
Outline of Research at the Start	温度は生き物にとって特に重要な環境因子であり、生息域や種の生存を大きく左右する。各生物種の適生温度の範囲は、生息域の環境温度に合致する。しかし、生き物が進化の過程において、どのような分子メカニズムで環境温度の変化に適応してきたのかについては不明な点が多い。本研究では、C. elegansを生存極限温度で継世代的に飼育して高温に適応した株を作製する。得られた株のゲノムやエピゲノム状態を解析し、高温適応の責任分子を同定する。実験的に進化の過程を再現することで、温度適応の過程を遺伝学、分子生物学、比較進化学的に解析することを可能とし、生き物に普遍的な温度適応メカニズムを解明することを目指す。
Outline of Annual Research Achievements	常に気温変化変動が生じる地球上において、温度は生き物にとって特に重要な環境因子であり、生息域や種の生存に大きな影響を与える。各生物種の至適生育温度の範囲は、生息域の環境温度に合致していることが知られるが、生き物がどのような分子メカニズムで環境温度の変化に適応してきたのかについては不明な点が多い。本研究では、C. elegansをモデル生物として、遺伝学的および分子生物学的な解析により、生き物の至適生育温度を決定する分子基盤を明らかにすることを目指す。 C. elegansの野生型を26度（高温環境）で継続飼育するとほとんどの個体が死滅する。高温環境環境で生き残った個体を複数世代に渡り高温環境で境内・飼育し続けることにより、高温耐性株を5株得ることに成功した。20度で継続飼育を続けたコントロール株と高温耐性株の全ゲノム解析・比較、GO解析などを行い、高温耐性に関与する9候補遺伝子を同定した。 1遺伝子についてレスキュー実験などを行って、高温耐性に関与することを示した（高温耐性遺伝子と称す）。また、高温耐性遺伝子は特定の神経細胞に強く発現していることがわかった。さらに、高温下での世代の維持に高温耐性遺伝子がどのように関与しているかを調べたところ、成虫1日目、2日目に産卵する産卵数が多いことがわかった。産卵した卵の孵化率は野生型と変異体で差が認められなかった。本研究で、特定の環境因子の変化によって誘導される環境適応応答（ミクロ進化）を解析することにより、生き物の進化の過程を単一分子レベルで明らかにすることが期待できる。線虫の遺伝子の多くが進化的に保存されていることから、線虫の高温適応メカニズムは、他の生物種の生育至適温度の制御機構の理解にも応用できる可能性が高く、気候変動に対する動植物の耐性予測など、医学・農学分野の発展にも貢献することが期待される。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2023年度は、高温耐性遺伝子の発現細胞の同定とレスキュー実験を行った。高温耐性遺伝子のプロモーター下でGFPを発現する線虫を作製して今日昇天顕微鏡にて発現細胞を観察し、高温耐性遺伝子が神経細胞に強く発現していることを示した。また、高温耐性遺伝子の変異体の神経細胞に、高温耐性遺伝子を発現した系統が、野生型と同様の高温耐性を示すことがわかった。さらに、統計解析の専門家と共同研究をスタートし、野生型と高温耐性遺伝子の変異体では、産卵数に優位に差があることがわかった。
Strategy for Future Research Activity	今後は以下の実験を計画している。 -高温耐性遺伝子の機能解析（2024年度）：高温耐性遺伝子がどのようなメカニズムで産卵数を決定しているのかを明らかにする。また、高温耐性遺伝子の関与するシグナル経路の変異体を用いて、高温耐性に関与する分子を明らかにする。さらに、それらの分子の産卵数決定への関与を明らかにする。 -高温耐性メカニズムの進化保存性の検証（2024年度）：同定した高温耐性遺伝子の機能が、他の線虫種や生物種で保存されているかを検証する。至適生育温度がC. elegansとは異なる線虫（沖縄に生息するC. inopinataや寄生線虫など）において遺伝子や発現パターンが保存されているかどうか、また変異体が高温環境に対してどのように応答するかを調べる。線虫以外の生物種については、データベースを用いて遺伝子の進化保存性を調べ、可能であれば変異体の高温耐性を調べる共同研究を行う。