Evolutionary mechanisms leading to a transition of the sex determination systems.

• Project/Area Number: 23K27215
• Project/Area Number (Other): 23H02524 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 45010:Genetics-related; Basic Section 45020:Evolutionary biology-related; Sections That Are Subject to Joint Review: Basic Section45010:Genetics-related ,Basic Section45020:Evolutionary biology-related
• Research Institution: Nagahama Institute of Bio-Science and Technology
• Principal Investigator: 竹花 佑介 長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 教授 (60432093)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安齋 賢 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (20779467)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2026: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2025: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 性決定遺伝子

Outline of Research at the Start

脊椎動物にはXY型とZW型の性決定システムが混在するが、ZW型性決定遺伝子の実体に迫る研究例はほとんどない。そこで本研究では、同種でありながらXY型とZW型が共存するジャワメダカと、その姉妹種でZW型のハブスメダカについて、両種に共通するZW型性決定遺伝子の起源と機能を解明する。さらに、これらとXY型のインドメダカを含めた全３種４系統で交配実験や性決定カスケード比較を行い、XY型とZW型が頻繁に交代した進化メカニズムを解明する。これにより、ヒトとニワトリのような遠縁の種間比較ではみえてこなかった、性決定システム進化の基本原理を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、同種でありながらXY型とZW型が共存するジャワメダカと、その姉妹種でZW型のハブスメダカについて、性決定遺伝子の起源と機能を解明することを目的としている。本年度は各種における性決定遺伝子の同定を目指し、ゲノム解析とノックアウト解析を実施した。ジャワメダカのスラウェシ系統（インドネシア）はXY型であり、Y染色体で多重重複（約45コピー）したDmrt1Yであることが判明している。そこでDmrt1Yのノックアウト系統を複数作出し、それぞれのコピー数や挿入欠失変異を調べたところ、正常なコピーが半数程度残っていても性転換が生じることが明らかになった。この結果は性決定機能を有するコピーがごく半数以下であることを示唆している。また、ZW型を示すペナン系統（マレーシア）については、これまでに特定したW染色体特異的な３つの重複遺伝子を同定し、CRISPR/Cas9法によってノックアウト実験を実施した。これまでに、３つの候補遺伝子のひとつでZWオスを示す性転換系統が得られ、現在のところ本遺伝子を性決定遺伝子の最有力候補と考えている。同じくZW型のハブスメダカについても、ゲノム解析によって高精度のZ染色体配列とW染色体配列の構築に成功し、W特異的な３つの候補遺伝子を得た。しかし、いずれも候補遺伝子もノックアウト個体が性転換せず、いずれも性決定に関与しないことが示唆された。今後はトランクリプトーム解析や強制発現解析を併用して性決定遺伝子を探索し、性決定遺伝子候補の特定を目指したいと考えている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画に沿って各種のゲノム解析が完了し、トランスクリプトーム解析も実施できた。これにより性染色体の構造変化や性決定遺伝子候補を特定でき、一部についてはノックアウト実験によって性決定遺伝子の実体を解明できた。以上の成果から、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

詳細なトランスクリプトーム解析を行い、性決定時期に性特異的な発現パターンを示す候補遺伝子を同定すると同時に、性分化過程を種間で比較する。性決定遺伝子候補については、遺伝子ノックアウト実験と強制発現実験を行い、これらの候補遺伝子が性決定機能をもつかどうかを明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Diversity and convergence of sex-determination mechanisms in teleost fish (2024)
  • Author(s): Kitano Jun、Ansai Satoshi、Takehana Yusuke、Yamamoto Yoji
  • Journal Title: Annual Review of Animal Biosciences Volume: 12 Issue: 1 Pages: 233-259
  • DOI: 10.1146/annurev-animal-021122-113935
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Transition between XY and ZW systems through Dmrt1 duplications within a single medaka species, Oryzias javanicus (2023)
  • Author(s): Yusuke Takehana
  • Organizer: Ninth International Symposium on the Biology of Vertebrate Sex Determination
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] タイメダカ性決定機構の遺伝学的解析 (2023)
  • Author(s): 富原壮真、安齋賢、小倉淳、竹花佑介
  • Organizer: 日本動物学会第94回大会（山形）
• [Presentation] ジャワメダカペナン系統におけるZW型性決定遺伝子候補の機能解析 (2023)
  • Author(s): 金村圭悟、安齋賢、竹花佑介
  • Organizer: 日本動物学会第94回大会（山形）
• [Presentation] メダカ近縁種における性行動パターンの種間変異 (2023)
  • Author(s): 下村桐也、竹花佑介、冨原壮真
  • Organizer: 日本動物学会第94回大会（山形）
• [Presentation] Diverse sex chromosomes and sex-determining genes in the medaka fishes (2023)
  • Author(s): Yusuke Takehana
  • Organizer: NBRP Medaka International workshop 2024
  • Int'l Joint Research