2017 Fiscal Year Research-status Report
雌雄二極化に伴う異性間コミュニケーション戦略進化の分子基盤解明
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17K07510
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
豊岡 博子 東京大学, 理学系研究科, 特任研究員 (00442997)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 異型配偶化 / 有性生殖進化 / ボルボックス系列 / 配偶子進化 / 性染色体領域 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、雌がつくる「卵」と雄がつくる「精子」が、それぞれ配偶子として分化した後に出会い、受精に至るまでに必須な「異性間コミュニケーション」が、雌雄の配偶子形態が未分化な同型配偶段階から進化した過程を、同型配偶・異型配偶・卵生殖という配偶子の雌雄二極化の各段階を包含する緑藻・ボルボックス系列を用いて、分子レベルで解明することを目的とする。
平成29年度は、ボルボックス系列の雌雄二極化の前後段階の生物である同型配偶「ヤマギシエラ」と異型配偶「ユードリナ」の次世代シークエンサーを用いた全ゲノム解読に基づく性染色体領域関連の解析を行い、ボルボックス系列の異型配偶化には性染色体領域の拡大・複雑化は必須ではないことを示した。特に、配偶子接合段階での「異性間コミュニケーション」を担うプラス交配型/雌特異的性染色体領域遺伝子「配偶子接着因子FUS１」について重点的に解析し、FUS1遺伝子は、ヤマギシエラでは他の同型配偶生物と同様にプラス配偶子特異的に発現するのに対し、ユードリナでは雄株と混合すると発現上昇することを示した。さらに、ボルボックス系列FUS1の包括的な一次構造解析を行い、各FUS1で検出された５つのリピート配列を、アクチン繊維架橋タンパク質フィラミンの免疫グロブリン様リピートに相同性を持つ「FUS1リピート」として新たに定義した。併せて、各FUS1において複数の糖鎖修飾予測部位が保存されていたことから、ボルボックス系列ではFUS1の免疫グロブリン様リピート/糖鎖を介した異性認識機構が、同型配偶・異型配偶で共通して存在することを示唆した。以上の結果をCommunications Biology誌に発表した（Hamaji*, Kawai-Toyooka* et al. Commun. Biol. 2018; *equally contributed）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度は、上記の研究実績の遂行と平行して、抗ユードリナFUS1ペプチド抗体の作成・精製を外部委託にて行い、現在、同抗体の特異性を検証している。また、ボルボックス系列に属する単細胞モデル緑藻クラミドモナスでのプラス/マイナス配偶子特異的遺伝子のオルソログ遺伝子単離も進め、ユードリナから雌（プラス側に相当）特異的遺伝子GSP1と、雄（マイナス側に相当）特異的遺伝子GSM1を単離し、それぞれの性特異的遺伝子発現を確認した。また研究代表者が確立したユードリナの性フェロモンによる雄性配偶子（精子束）誘導系についても、定量的解析に適した改良を行い、この系を用いてタンパク質分解酵素プロナーゼによる性フェロモンの不活性化を示し、ユードリナ性フェロモンがタンパク質性の物質であることを明らかにした。このように、各研究計画についての確実な進捗がみられるため、概ね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度までに確立・改良したユードリナ雄株由来の性フェロモンによる誘導系を用い、ユードリナの雌雄配偶子特異的遺伝子について、SYBR Greenを用いたリアルタイムPCRに発現定量解析を行う。特に雌株において、性フェロモンによって配偶子特異的に発現すると考えられる遺伝子(FUS1, GSP1)の発現が誘導できるかどうかを重点的に解析し、異型配偶段階での配偶子誘導における「異性間コミュニケーションの存在」の存在の有無を検証する。併せて、窒素源等の培地組成の影響も検証し、ボルボックス系列における配偶子誘導の引き金が窒素飢餓から性フェロモンに切り替わった過程を推察する。
同時に、ユードリナの全ゲノムデータベースを活用してユードリナ性フェロモン候補遺伝子を単離する。具体的には、既知の卵生殖ボルボックス性フェロモンをクエリとしたユードリナゲノムの相同性検索を行い、複数の候補遺伝子の部分配列を決定した上で、精子束特異的に発現上昇がみられるものを選抜する。同候補遺伝子について、ペプチド抗体を作成し、実際に雄株由来の細胞上清に含まれているか等の検証を行う。また単離したユードリナ性フェロモン候補の配列情報を用いて、ボルボックス性フェロモンや、性フェロモンと相同性が見られる配列である細胞外基質糖タンパク質フェロフォリンとの比較解析を行うことで、ボルボックス系列における性フェロモン獲得の過程解明を目指す。
また、平成29年度に作成した抗ユードリナFUS1ペプチド抗体については、引き続きその特異性の検証を行う。平成29年度までの解析で、雌株におけるFUS1遺伝子発現の不安定化が検出されている。この現象は長期の継代培養による有性生殖能低下が原因と考えられるため、連携研究者から新規作成株の提供をうけた上で、再度検証を試みる予定である。
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| Causes of Carryover |
「今後の研究の推進方策」で述べたように、平成30年度にも抗ユードリナFUS1ペプチド抗体の特異性検証実験を行う予定である。その結果次第では、H30年度も抗体作成が必要となり、そのための費用の確保が必要である。また、当初の計画では平成29年度で完了する予定であったユードリナの雌雄の配偶子特異的遺伝子の単離を平成30年度も継続して行う必要性があり、そのための分子生物学実験試薬やDNAシーケンス委託費用等も必要である。
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[Journal Article] Anisogamy evolved with a reduced sex-determining region in volvocine green algae2018
Author(s)
Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Haruka Uchimura, Masahiro Suzuki, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Asao Fujiyama, Shin-ya Miyagishima, James G. Umen, Hisayoshi Nozaki
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Journal Title
Communications Biology
Volume: 1
Pages: 17
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Anisogamy evolved with the reduced sex-determining region2017
Author(s)
Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Haruka Uchimura, Masahiro Suzuki, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Asao Fujiyama, Shin-ya Miyagishima, James Umen, Hisayoshi Nozaki
Organizer
The 4th International Volvox Conference
Int'l Joint Research
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[Presentation] The volvocales genome project2017
Author(s)
Antariksh Tyagi, Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Masahiro Suzuki, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Asao Fujiyama, Hisayoshi Nozaki, Bradley J.S.C. Olson
Organizer
The 4th International Volvox Conference
Int'l Joint Research
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