Evolutionary study of primate olfaction, taste and color-vision sensor genes by targeted capture and cell-culture-based functional assay

• Project/Area Number: 23K27252
• Project/Area Number (Other): 23H02561 (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 45050:Physical anthropology-related; Basic Section 45060:Applied anthropology-related; Sections That Are Subject to Joint Review: Basic Section45050:Physical anthropology-related , Basic Section45060:Applied anthropology-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 河村 正二 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40282727)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2027: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2026: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: 感覚進化 / 霊長類 / 嗅覚 / 味覚 / 色覚

Outline of Research at the Start

ヒトを含む霊長類の感覚系はトレードオフを含む複雑な進化を遂げたと考えられ、その相互関係の実態は明らかでない。嗅覚、味覚、色覚には巨大な多重遺伝子群であるGタンパク質共役受容体（GPCR）という共通の構造的基盤をもつ受容体が関わる。本課題では多様な分類群の霊長類に対し小断片解読型大規模並列DNA配列決定を前提に上記GPCR感覚遺伝子群をゲノムから濃縮単離することで、高深度・高精度な配列取得と種間・種内配列多様性解析を行う。これにより霊長類GPCR感覚遺伝子群の構成を明らかにし、これらの感覚の進化の全体像を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

苦味の知覚は、動物が潜在的に有毒な化合物を摂取するのを防ぐ上で重要である。全ゲノムアセンブリ(WGA)データにより、苦味受容体(TAS2R)遺伝子は、霊長類において数十の無傷および欠損した遺伝子を含む多重遺伝子ファミリーを構成することが明らかになった。しかし、一般に入手可能なWGAデータは、特に多重遺伝子族において不完全であることが多い。本課題では、8種の雑食性オナガザル亜科と2種の葉食性コロブス亜科を含む、多様な食性を持つ10種のオナガザル科霊長類のTAS2R遺伝子をそれらのゲノムDNA試料から特異的に回収するtargeted capture（TC）のアプローチを採用した。オナガザル科の共通祖先において無傷であったTAS2R遺伝子（祖先オナガザル科無傷TAS2R遺伝子セット）を入手可能なWGAデータを元に推定し、それらすべてのTAS2RのRNAプローブを設計した。TCに続いて、ショートリードながらも高深度の大規模並列シーケンシングを行った。TCはWGAデータベースよりも多くの無傷のTAS2R遺伝子を回収することに成功した。オナガザル科の共通祖先で多数の遺伝子「誕生」が確認され、コロブス亜科の共通祖先とオナガザル亜科の共通祖先は、それぞれ4つの遺伝子「死亡」と3つの遺伝子誕生という対照的な軌跡をたどっていることがわかった。無傷のTAS2R遺伝子の数は、オナガザル亜科と比較して、コロブス亜科で著しく減少していた。誕生または死亡のイベントは、ほとんどすべての系統樹の枝で発生しており、無傷の遺伝子の構成に種間の多様性をもたらしていた。これらの結果は、無傷のTAS2R遺伝子の進化的変化が複雑なプロセスであることを示しており、植物食性の動物がより多くのTAS2R遺伝子を持つという単純で一般的な予測を否定し、採食特性の適応と解毒能力の進化を理解する上で重要な意味を持つ。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

雑食のサルと葉食特化したサルの苦味センサーを調査した結果、食物に占める植物の割合が高くなると苦味センサーの種類が増えるという一般的な予測は必ずしも成り立たず、解毒能の獲得など様々な要因により苦味センサーのレパートリーは動的・柔軟に進化することを示すことができた。本課題は、葉食に特化したコロブス亜科と雑食性のオナガザル亜科からなるオナガザル科のサルに注目し、これらのサルの苦味受容体（TAS2R）遺伝子ファミリーの遺伝子構成を比較した。その結果、苦味を含む葉の採食が増加したオナガザル科の共通祖先と雑食性のオナガザル亜科の共通祖先ではTAS2R 遺伝子の数が大きく増加したのに対し、葉食に特化し葉の消化と解毒能を身に着けたコロブス亜科の共通祖先では逆にTAS2R 遺伝子の種類を減らしたことを明らかにした。本成果は、ヒトを含む霊長類の味覚形成の進化史を理解する上で重要な参考情報となることが考えられる。

Strategy for Future Research Activity

ヒト：嗅覚受容体（OR）遺伝子、苦味受容体（TAS2R）遺伝子、旨味・甘味受容体（TAS1R）、色覚オプシン遺伝子および中立比較対象ゲノム領域に対して実施したtargeted capture によって得たこれらのDNA塩基配列データを使って、集団内および集団間のこれらの感覚遺伝子多様性を明らかにする。
チンパンジー・ボノボ：上記遺伝子に対して実施したtargeted capture によって得たこれらのDNA塩基配列データを使って、ヒトと比較することでこれらの遺伝子群のヒト特異的変異、Pan属特異的変異、チンパンジー特異的変異、ボノボ特異的変異を明らかにする。
テナガザル科：同様にtargeted capture によって得たこれらのDNA塩基配列データを使って、進化的に不安定なクロマチンの中で、これらの多重遺伝子族がどのように遺伝子レパートリーを維持あるいは欠落してきたかを明らかにする。
オナガザル科：同様にtargeted capture によって得たDNA塩基配列データを使って、雑食性のオナガザル亜科と葉食に特化したコロブス亜科の間で苦味受容体以外のこれらの遺伝子レパートリーがどのように分化したかを明らかにする。
広鼻猿小目：同様にtargeted captureによって得たこれらのDNA塩基配列データを使って、食性と色覚の多様な広鼻猿類の種間でこれらの遺伝子群のレパートリーがどのように多様化してきたかを明らかにする。
メガネザル下目および曲鼻猿亜目：同様にtargeted capture によって得たこれらのDNA塩基配列データを使って、霊長類進化の基部におけるこれら遺伝子群のレパートリーを特定し、様々な霊長類に分岐していく過程でこれら遺伝子群のレパートリーがどのように多様化してきたのかを明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Calgary(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Dagon University(ミャンマー)
• [Journal Article] Reduction of bitter taste receptor gene family in folivorous colobine primates relative to omnivorous cercopithecine primates (2024)
  • Author(s): Hou M, Akhtar MS, Hayashi M, Ashino R, Matsumoto-Oda A, Hayakawa T, Ishida T, Melin AD, Imai H, Kawamura S.
  • Journal Title: Primates Volume: - Issue: 4 Pages: 311-331
  • DOI: 10.1007/s10329-024-01124-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Color vision evolution in egg-laying mammals: insights from visual photoreceptors and daily activities of Australian echidnas. (2024)
  • Author(s): Sakamoto S, Matsushita Y, Itoigawa A, Ezawa T, Fujitani T, Takakura K, Zhou Y, Zhang G, Grutzner F, Kawamura S, Hayakawa T.
  • Journal Title: Zoological Letters Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2-2
  • DOI: 10.1186/s40851-023-00224-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Estimating individual exposure to predation risk in group-living baboons, Papio anubis (2023)
  • Author(s): Suire A, Kunita I, Harel R. Crofoot M, Mutinda M, Kamau M, Hassel JM, Murray S, Kawamura S, Matsumoto-Oda A.
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Issue: 11 Pages: e0287357-e0287357
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0287357
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of colour vision on attention to, and impression of, complex aesthetic images (2023)
  • Author(s): Hiramatsu Chihiro、Takashima Tatsuhiko、Sakaguchi Hiroaki、Chen Xu、Tajima Satohiro、Seno Takeharu、Kawamura Shoji
  • Journal Title: Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences Volume: 290 Issue: 2006 Pages: 20231332-20231332
  • DOI: 10.1098/rspb.2023.1332
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒト集団における嗅覚受容体遺伝子群の集団分化と平衡選択 (2024)
  • Author(s): 河村正二, Akhtar, M. S., 新村芳人, 東原和成, Melin, A. D.
  • Organizer: 第9回ケモビ研究会（Chemosensation and Behavior Workshop 2024）、御殿場高原「時之栖」、静岡県御殿場市、2024年3月10-12日．(口演)
• [Presentation] Reduction of bitter taste receptor gene family in folivorous colobine primates relative to omnivorous cercopithecine primates. (2024)
  • Author(s): Hou, M., Akhtar, M. S., Hayashi, M., Ashino, R., Matsumoto-Oda, A., Hayakawa, T., Ishida, T., Melin, A. D., Imai, I. and Kawamura, S.
  • Organizer: 第9回ケモビ研究会（Chemosensation and Behavior Workshop 2024）、御殿場高原「時之栖」、静岡県御殿場市、2024年3月10-12日．(口演)
• [Presentation] Differentiation of olfactory receptor gene family composition among chimpanzee, bonobo and human. (2024)
  • Author(s): Wang, D., Niimura, Y., Ishida, T., Melin, A. D. and Kawamura, S.
  • Organizer: 第9回ケモビ研究会（Chemosensation and Behavior Workshop 2024）、御殿場高原「時之栖」、静岡県御殿場市、2024年3月10-12日．(口演)
• [Presentation] Color vision variation of capuchins, spider monkeys and howler monkeys in Santa Rosa, Costa Rica, and its implications. (2023)
  • Author(s): Kawamura, S.
  • Organizer: Ecology, Biology, Health, and Behavior of White-Faced Capuchins, Conference Hall, The Santa Rosa Sector of the Area de Conservacion Guanacaste, Costa Rica, November 15-18, 2023. (Oral)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Toward understanding genetic diversity of chemical sensor multigene families in relation to dietary and color-vision diversity in platyrrhine primates. (2023)
  • Author(s): Wu, Z., Hou, M., Naoi, T., Hayashi, M., Ashino, R., Melin, A. D., and Kawamura, S.
  • Organizer: Ecology, Biology, Health, and Behavior of White-Faced Capuchins, Conference Hall, The Santa Rosa Sector of the Area de Conservacion Guanacaste, Costa Rica, November 15-18, 2023. (Oral)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differentiation of bitter taste receptor family composition in dietarily divergent cercopithecid primates. (2023)
  • Author(s): Hou, M., Melin, A. D., and Kawamura, S.
  • Organizer: Ecology, Biology, Health, and Behavior of White-Faced Capuchins, Conference Hall, The Santa Rosa Sector of the Area de Conservacion Guanacaste, Costa Rica, November 15-18, 2023. (Poster)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward understanding evolution of gibbon chemical sensor multigene family composition under chromosomal instability. (2023)
  • Author(s): Lin, Z., Sun, S., Ren, Z., Melin, A. D., and Kawamura, S.
  • Organizer: Ecology, Biology, Health, and Behavior of White-Faced Capuchins, Conference Hall, The Santa Rosa Sector of the Area de Conservacion Guanacaste, Costa Rica, November 15-18, 2023. (Poster)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Allelic disruption of umami taste receptor gene TAS1R1 in a non-insectivorous strepsirrhine primate, potto. (2023)
  • Author(s): Ji, Q., Hou, M., Akhtar, M. S., Hayakawa, T., Melin, A. D. and Kawamura, S.
  • Organizer: 第25回日本進化学会大会、琉球大学共通教育棟/沖縄県市町村自治会館、沖縄、2023年8月31-9月3日．(ポスター)
• [Presentation] Droplet digital PCR for color vision assessment in Cebus imitator. (2023)
  • Author(s): Fernandes, A. G., Duytschaever, G., Munds, R. A., Hernandez, S. C., Navaro, R. L., Fedigan, L. M., Kawamura, S. and Melin, A. D.
  • Organizer: International Primatological Society - Malaysian Primatological Society (IPS - MPS) Joint Meeting 2023, Borneo Convention Centre Kuching, Kuching, Malaysia, August 19 - 25, 2023. (Oral)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differentiation of olfactory receptor gene family composition among chimpanzee, bonobo and human revealed by targeted capture. (2023)
  • Author(s): Wang, D., Niimura, Y. Ishida, T., Melin, A. D. and Kawamura, S.
  • Organizer: 第39回日本霊長類学会大会、兵庫県民会館、神戸市、2023年7月7-9日．(口演)
• [Presentation] Droplet digital PCR for color vision assessment in Cebus imitator. (2023)
  • Author(s): Fernandes, A. G., Duytschaever, G., Munds, R. A., Hernandez, S. C., Navaro, R. L., Fedigan, L. M., Kawamura, S. and Melin, A. D.
  • Organizer: The Association for Research in Vision and Ophthalmology 2023 Annual Meeting (ARVO 2023), The New Orleans Ernest N. Morial Convention Center, New Orleans, Louisiana, USA, April 23 - 27, 2023. (Poster)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 河村正二研究室ホームページ
  • URL: http://www.jinrui.ib.k.u-tokyo.ac.jp/kawamura-home.html
• [Remarks] Shoji Kawamura Lab Home Page
  • URL: http://www.jinrui.ib.k.u-tokyo.ac.jp/kawamura-home-E.html