the Neural Genomic Basis Driving Species-Specific Vocalization Behavior Evolution

• Project/Area Number: 23K14163
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 43050:Genome biology-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 田路 矩之 北海道大学, 大学院教育推進機構, 助教 (20866371)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 動物行動学 / ソングバード / 行動の進化 / ゲノムの進化 / 細胞の進化 / Single cell RNA-seq / 神経行動学 / 動物行動 / ゲノム進化 / Single cell ATAC-seq

Outline of Research at the Start

本研究の目的は行動進化の神経基盤となる神経機能特性の種分化が、ゲノムのどんなな変異からどんなメカニズムによって駆動されるのかを解明することである。そのために音声発声学習能をもつ鳴禽類ソングバードの歌学習行動の種間多様性に着目した研究を進める。これまでの研究で歌学習行動を制御する神経核において、興奮性投射ニューロン特異的に遺伝子発現が種によって大きく異なることを発見した。本研究ではこの発見を土台として、ゲノムに集積した変異が興奮性ニューロンの種差をどのように形成するのかを解明するため、ゲノム構造および転写調節領域の種間比較を行う。また、細胞外環境の種特異的な遺伝子発現パターンへの関与を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、行動進化の神経基盤となる神経機能特性の種分化が、ゲノムのどんな変異からどんなメカニズムによって駆動されるのかを解明することである。そのために、音声発声学習能を持つ鳴禽類ソングバードの歌学習行動の種間多様性に着目した研究を進める。これまでの研究で、歌学習行動を制御する神経核において、興奮性投射ニューロン特異的に遺伝子発現が種によって大きく異なることを発見した。本研究ではこの発見を土台として、ゲノムに集積した変異が興奮性ニューロンの種差をどのように形成するのかを解明するため、ゲノム構造および転写調節領域の種間比較を行う。また、細胞外環境の種特異的な遺伝子発現パターンへの関与を検証する。初年度から本年度にかけて、遺伝子発現制御基盤となるゲノム構造が未知のソングバード種について、ロングリードシーケンスによる高品質リファレンスゲノム構築を行った。先進ゲノム支援を活用し、当初予定していたキンカチョウの最近縁種であるサクラスズメ、カノコスズメに加えて、分岐年代がやや離れた姉妹群にあたるジュウシマツ、ヘキチョウ、コシジロキンパラのゲノムについても高品質なゲノムアセンブリに成功した。現在、これらゲノム情報を利用したsnATAC-seqを実施し、ゲノムのどのような違いが遺伝子発現の種差を生じるのかを検証中である。今後、本研究を拡張した基盤研究B（25K0232005）において、神経細胞操作によって他種の歌行動を人為的に再現することを目指した実験検証を行う計画である。

Research Products

• [Journal Article] Expansion of learning capacity elicited by interspecific hybridization (2024)
  • Author(s): Shibata Yukino、Toji Noriyuki、Wang Hongdi、Go Yasuhiro、Wada Kazuhiro
  • Journal Title: Science Advances Volume: 10 Issue: 25
  • DOI: 10.1126/sciadv.adn3409
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A predisposed motor bias shapes individuality in vocal learning (2024)
  • Author(s): Toji Noriyuki、Sawai Azusa、Wang Hongdi、Ji Yu、Sugioka Rintaro、Go Yasuhiro、Wada Kazuhiro
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 121 Issue: 3
  • DOI: 10.1073/pnas.2308837121
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ソングバードの種特異的さえずり行動獲得を駆動したゲノム進化様式の解明 (2024)
  • Author(s): 田路矩之, 柴田ゆき野, 辰本将司, 郷康広, 和多和宏
  • Organizer: 2024年度「先進ゲノム支援」拡大班会議
• [Presentation] Species-specific vocal learnability associated with transcriptomic signatures in glutamatergic projecting neurons in songbirds (2023)
  • Author(s): Noriyuki Toji, Yukino Shibata, Shoji Tatsumoto, Yasuhiro Go, Kazuhiro Wada
  • Organizer: International Bioacoustics Society/Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cellular evolution in neuronal circuits regulating vocal behavior in songbirds (2023)
  • Author(s): Noriyuki Toji, Yukino Shibata, Shoji Tatsumoto, Yasuhiro Go, Kazuhiro Wada
  • Organizer: 23rd International congress of genetics
  • Int'l Joint Research