Analysis of the singularity phenomenon in the evolution of eyes

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 21H00435
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022); Osaka City University (2021)
• Principal Investigator: 小柳 光正 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (30379276)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 光遺伝学 / 分子進化 / 突然変異 / 人為選択 / ロドプシン

Outline of Research at the Start

「分子レベルの進化と表現型レベルの進化をつなぐ」、すなわちDNAに生じた突然変異がタンパク質の機能や発現パターンの変化を引き起こし、細胞の機能を変え、より高次の表現型の進化へとつながる、この一連の進化プロセスを理解することは、進化学に残された最重要課題の一つである。しかしながら、このプロセスの中で、DNAの突然変異からタンパク質機能の進化に至るプロセス以外についてはほとんど明らかにされていない。
そこで本研究では、眼を持たない線虫に、光遺伝学の技術を用いて眼点・光感覚を付与することで、視覚・眼の進化プロセスの再構成を試み、細胞機能の進化以降のプロセスの解析を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

「分子レベルの進化と表現型レベルの進化をつなぐ」、すなわちDNAに生じた突然変異がタンパク質の機能や発現パターンの変化を引き起こし、細胞の機能を変え、より高次の表現型の進化へとつながる、この一連の進化プロセスを理解することは、進化学に残された最重要課題の一つである。このプロセスの中で、DNAの突然変異からタンパク質機能の進化に至るプロセスについては、試験管内進化実験などの構成的アプローチによって盛んに研究されているが、タンパク質レベルの進化以降のプロセスについては、人工進化実験での再現が困難であることから、実証的研究はほとんどない。
そこで本研究では、眼を持たない線虫に、光遺伝学の技術を用いて光感覚・眼点を付与することで、光感覚・眼の初期進化プロセスの再構成を試み、光感受性の獲得以降、すなわち細胞機能の進化以降のプロセスの解析を目指す。令和4年度は、光遺伝学の手法を用いて光感覚を付与した線虫に対して人工進化実験を行い、以下の成果を得た。
・「紫外光で止まり緑色光で動き出す線虫」に対して、変異原処理および紫外光感度の低下によるセレクションを行った結果、数世代で、光受容タンパク質の発現量の低下による線虫の光感度の減少を引き起こすことに成功した。
・「光を忌避する線虫」に対して、変異原処理および光感度の上昇によるセレクションを行った結果、数世代で、線虫の光感度の上昇を引き起こすことに成功した。
・「光を忌避する線虫」において生じた光感度の上昇について、ゲノム解析による責任変異の同定を行った。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of Manchester(英国)
• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute(スイス)
• [Int'l Joint Research] Institut de la Vision(フランス)
• [Int'l Joint Research] The University of Toledo(米国)
• [Int'l Joint Research] The University of Manchester(英国)
• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute(スイス)
• [Int'l Joint Research] Institut de la Vision(フランス)
• [Int'l Joint Research] The University of Toledo(米国)
• [Journal Article] Whale shark rhodopsin adapted to deep-sea lifestyle by a substitution associated with human disease (2023)
  • Author(s): Kazuaki Yamaguchi, Mitsumasa Koyanagi, Keiichi Sato, Akihisa Terakita, Shigehiro Kuraku
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 120(13) Issue: 13 Pages: 13-13
  • DOI: 10.1073/pnas.2220728120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiple opsins in a reef-building coral, Acropora millepora (2023)
  • Author(s): Benjamin M. Mason, Mitsumasa Koyanagi, Tomohiro Sugihara, Makoto Iwasaki, Vladlen Slepak, David J. Miller, Yusuke Sakai, Akihisa Terakita
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1628-1628
  • DOI: 10.1038/s41598-023-28476-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-performance optical control of GPCR signaling by bistable animal opsins MosOpn3 and LamPP in a molecular property?dependent manner (2022)
  • Author(s): Koyanagi Mitsumasa、Shen Baoguo、Nagata Takashi、Sun Lanfang、Wada Seiji、Kamimura Satomi、Kage-Nakadai Eriko、Terakita Akihisa
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 48
  • DOI: 10.1073/pnas.2204341119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expression of a homologue of a vertebrate non-visual opsin Opn3 in the insect photoreceptors (2022)
  • Author(s): Mitsumasa Koyanagi, Hayato Honda, Hirohisa Yokono, Ryu Sato, Takashi Nagata, Akihisa Terakita
  • Journal Title: Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B Volume: 377(1862) Issue: 1862 Pages: 20210274-20210274
  • DOI: 10.1098/rstb.2021.0274
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optogenetic manipulation of Gq- and Gi/o-coupled receptor signaling in neurons and heart muscle cells (2022)
  • Author(s): Hanako Hagio, Wataru Koyama, Shiori Hosaka, Aysenur Deniz Song, Janchiv Narantsatsral, Koji Matsuda, Tomohiro Sugihara, Takashi Shimizu, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita, Masahiko Hibi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.10.25.513732
  • Open Access
• [Journal Article] Insights into the evolutionary origin of the pineal color discrimination mechanism from the river lamprey (2021)
  • Author(s): Wada Seiji、Kawano-Yamashita Emi、Sugihara Tomohiro、Tamotsu Satoshi、Koyanagi Mitsumasa、Terakita Akihisa
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 19 Issue: 1 Pages: 188
  • DOI: 10.1186/s12915-021-01121-1
  • NAID: 120007149260
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2019688
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ゼブラフィッシュを用いた松果体光情報が伝達される脳領域の解析 (2022)
  • Author(s): 和田清二，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会近畿支部研究発表会
• [Presentation] 造礁サンゴで発現する花虫綱特異的オプシンの分子特性解析 (2022)
  • Author(s): 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会近畿支部研究発表会
• [Presentation] 平板動物のGPCRの解析によるオプシンの起源の探求 (2022)
  • Author(s): 髙橋 直樹，寺北 明久，小柳光正
  • Organizer: 日本進化学会第24回沼津大会
• [Presentation] ゼブラフィッシュを用いた松果体オプシンの関わる光依存的行動の解析 (2022)
  • Author(s): 和田清二，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 第22回日本光生物学協会年会
• [Presentation] 造礁サンゴで発現する花虫綱特異的オプシンの吸収波長特性 (2022)
  • Author(s): 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 第22回日本光生物学協会年会
• [Presentation] 非視覚オプシンの機能解明のための「発光遺伝学」的解析法の開発の試み (2022)
  • Author(s): 岩崎誠，和田清二，永田崇，杉原智博，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 第22回日本光生物学協会年会
• [Presentation] 松果体オプシン欠損個体を用いたゼブラフィッシュの光依存的行動の解析 (2022)
  • Author(s): 和田清二，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [Presentation] 造礁サンゴの花虫綱特異的オプシンが駆動するシグナル伝達特性に関する解析 (2022)
  • Author(s): 岩崎誠，酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [Presentation] ハエトリグモのピンぼけ像にもとづく奥行き知覚を支えるロドプシンの吸収極大波長制御メカニズムの解析 (2022)
  • Author(s): 佐藤龍，永田崇，寺北明久，小柳光正
  • Organizer: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [Presentation] 造礁サンゴで発現する花虫綱特異的オプシンにおける吸収スペクトルの制御メカニズムの解析 (2022)
  • Author(s): 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [Presentation] 視覚ロドプシンとは逆向きの異性化反応を示すハエトリグモペロプシンの光異性化機構解析 (2022)
  • Author(s): 犬飼 紫乃，片山 耕大，杉原 智博，小柳 光正，寺北 明久，神取 秀樹
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Spectroscopic study of photoisomerization mechanism of Jellyfish Opsin having counterion at different position (2022)
  • Author(s): Shino Inukai, Kota Katayama, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Tereakita, Hideki Kandori
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Development of bistable optical control tools based on a Gs-coupled opsin (2022)
  • Author(s): Akinari Sakayori, Yusuke Sakai, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita, Hisao Tsukamoto
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Investigation of spectral properties and spectral tuning mechanisms of anthozoan-specific opsins from a reef-building coral. (2022)
  • Author(s): 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Investigation of spectroscopic properties and spectral tuning of anthozoan opsins in a reef-building coral. (2022)
  • Author(s): Yusuke Sakai, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diversity of animal opsins and molecular property-based optical control of GPCR signaling by bistable opsins (2022)
  • Author(s): Mitsumasa Koyanagi
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Visualization of neural pathways based on the molecular property of a pineal opsin and its contribution to light-dependent behavior using zebrafish larvae (2022)
  • Author(s): Seiji Wada, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of bioluminescence-based opsin activation for analyzing biological function of non-visual opsins (2022)
  • Author(s): Makoto Iwasaki, Seiji Wada, Takashi Nagata, Tomohiro Sugihara, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of the spectral tuning of the jumping spider rhodopsin that underlies the depth perception from image defocus (2022)
  • Author(s): Ryu Sato, Takashi Nagata, Akihisa Terakita, Mitsumasa Koyanagi
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of neural activity changes derived from extraocular photoreception in the whole brain of larval zebrafish by calcium imaging. (2022)
  • Author(s): 波越裕也，和田清二，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyses of light-dependent behavior involving pineal photoreceptions using zebrafish larvae. (2022)
  • Author(s): Seiji Wada, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [Presentation] Reproduction of early processes in the evolution of photosensory system by short-term selection of C. elegans optogenetically rendered photosensitive (2022)
  • Author(s): Ryu Sato, Takashi Nagata, Taizo Kawano, Shinichi Miyazaki, Yu Hayashi, Akihisa Terakita, Mitsumasa Koyanagi
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [Presentation] Spectroscopic and immunohistochemical characterization of a mammalian non-visual opsin Opn3 (2022)
  • Author(s): 高草大悟，杉原智博，清成寛，寺北明久，小柳光正
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [Presentation] Investigation of neural activity changes derived from extraocular photoreception in the whole brain of larval zebrafish by calcium imaging. (2022)
  • Author(s): 波越裕也，和田清二，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [Presentation] Investigation of spectroscopic properties and spectral tuning of anthozoan opsins in a reef-building coral (2022)
  • Author(s): Yusuke Sakai, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [Presentation] Analysis of light-dependent behaviors with a pineal opsin, parapinopsin-mutant zebrafish (2022)
  • Author(s): 山本悠貴，斉藤智香，和田清二，小柳光正，寺北明久
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [Presentation] 非視覚オプシンの解析のための選択的活性化法の開発 (2021)
  • Author(s): 岩崎 誠, 和田清二, 永田崇, 杉原智博, 小柳光正, 寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会 近畿支部 研究発表会
• [Presentation] 造礁サンゴがもつ多様なオプシン類の光受容特性の解析 (2021)
  • Author(s): 酒井祐輔, 小柳光正, 寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会 近畿支部 研究発表会
• [Presentation] 有袋類の非視覚オプシンに着目した哺乳類の光受容の変遷 (2021)
  • Author(s): 小柳光正, 高草大悟, 清成寛
  • Organizer: 日本進化学会第23回東京大会
• [Presentation] 深海での光受容に特化したジンベエザメの視覚 (2021)
  • Author(s): 山口和晃, 小柳光正, 佐藤圭一, 寺北明久, 工樂樹洋
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] オプシン欠損変異体を用いたゼブラフィッシュ松果体光応答の解析 (2021)
  • Author(s): 和田清二, 小柳光正, 寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] 原始的な多細胞動物に存在するオプシン様GPCRの解析 (2021)
  • Author(s): 髙橋直樹, 寺北明久, 小柳光正
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] 非視覚オプシンゼブラフィッシュOpn3のGタンパク質活性化能の解析 (2021)
  • Author(s): 白田泰士, 杉原智博, 永田崇, 小柳光正, 寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] ゼブラフィッシュ網膜におけるメラノプシン発現水平細胞の光に対する応答の解析 (2021)
  • Author(s): 真野桃歌, 和田清二, 小柳光正, 寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] ハエトリグモのユニークな奥行き知覚メカニズムを支えるロドプシンの吸収極大波長制御機構の解析???? (2021)
  • Author(s): 佐藤龍, 永田崇, 寺北明久, 小柳光正
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] 哺乳類の非視覚オプシンOpn3の分子特性の解析 (2021)
  • Author(s): 高草大悟, 杉原智博, 寺北明久, 小柳光正
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] 松果体オプシン、パラピノプシン変異ゼブラフィッシュを用いた光依存的な行動の解析 (2021)
  • Author(s): 山本悠貴, 斉藤智香, 和田清二, 小柳光正, 寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] 造礁性のウスエダミドリイシがもつ多様なオプシン類の光受容特性の解析． (2021)
  • Author(s): 酒井祐輔, 塚本寿夫, 小柳光正, 寺北明久
  • Organizer: 日本動物学会第92回オンライン米子大会
• [Presentation] Five opsins sensitive to blue to green lights are co-expressed in the eye photoreceptors of the terrestrial slug Limax (2021)
  • Author(s): Ryota Matsuo, Mitsumasa Koyanagi, Tomohiro Sugihara, Yuko Matsuo, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [Presentation] Transmission of light information generated in the pineal organ to the midbrain in zebrafish. (2021)
  • Author(s): Seiji Wada, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [Presentation] Molecular roperties of opsin-like GPCRs identified in a primitive multicellular animal (2021)
  • Author(s): Naoki Takahashi, Akihisa Terakita, Mitsumasa Koyanagi
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [Presentation] Comparative investigation of G protein activation ability of a non-visual opsin, zebrafish Opn3 (2021)
  • Author(s): Taishi Shirata, Tomohiro Sugihara, Takashi Nagata, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [Presentation] A possible regulation of cone light responses by melanopsin distributed to horizontal cells in the larval zebrafish (2021)
  • Author(s): Momoka Mano, Seiji Wada, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [Presentation] Toward detection of neural activity changes in the zebrafish brain derived from extraocular photoreceptions. (2021)
  • Author(s): Yuya Namikoshi, Seiji Wada, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [Presentation] Spectroscopic characterization of anthozoa-specific opsins found in a reef-building coral. (2021)
  • Author(s): Yusuke Sakai, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [Remarks] ジンベエザメだけに起きた視覚の進化 ～深海生活への適応か？～
  • URL: https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-05235.html
• [Remarks] ついに実証成功！ 動物の光受容タンパク質が生体の行動をコントロールする「光スイッチ」となることを発見
  • URL: https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-03209.html
• [Remarks] 大阪公立大学大学院理学研究科生物学専攻 分子生理学研究室
  • URL: https://www.omu.ac.jp/sci/biol-mphys/