2020 Fiscal Year Annual Research Report
Endopolyploidy in the insect intracellular symbiosis: mechanism and ecological significance
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19J01756
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Research Institution | National Institute for Basic Biology |
Principal Investigator |
野崎 友成 基礎生物学研究所, 新規モデル生物開発センター, 特別研究員(PD)
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Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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Keywords | 倍数性 / 細胞内共生 / 昆虫 / アブラムシ / 共生微生物 |
Outline of Annual Research Achievements |
昆虫と微生物との共生関係は普遍的に観察される。両者は互いの生存に必須な栄養やその他有用物質を補いあっている。多くの昆虫が共生細菌を収納するための特殊な器官、および細胞(ホスト細胞)を獲得している一方で、共生者である細菌もゲノムサイズの縮小や機能の特殊化といった、自由生活型の細菌とは全く異なる特徴を示す。 これまで、細胞内共生において、ホスト細胞、共生細菌の両方が倍数化していることが広く指摘されてきた。細胞の倍数化の意義に関しては、古くから細胞の遺伝子発現やサイズへの影響が議論されてきており、制御機構に関しては特に近年、関心が寄せられつつある。しかしながら、「共生」や「社会性」といったマクロな視点からその意義を調べた研究はほとんどない。本研究は、昆虫の細胞内共生系のモデルであるアブラムシとその共生細菌ブフネラを主たる材料とし、両者のDNA倍数化が遺伝子発現、ひいては共生関係に与える影響とその制御機構を解明することを最終的な目的としている。 本年度は、当該研究課題の第2年度であり、昨年度までに確立させた実験系を用いて倍数性解析を広く行うとともに、論文化することを念頭においてデータ取得を進めた。まず、アブラムシホスト細胞の倍数化ダイナミクスを詳細に調べることで、「ホスト細胞の倍数化がアブラムシとBuchneraの栄養共生の機能を促進している」という仮説を得た。同時に、ホスト細胞の遺伝子発現状態を理解するために、ホスト細胞の核に対しHistone修飾に関する免疫染色を行った。また、共生微生物の倍数化に関しては、アブラムシ共生細菌Buchneraだけでなく、その他多くの共生細菌(例:カメムシ、セミ、ゾウムシ 等の共生細菌)に対して倍数化度合いを定量した。一方で、次なる段階としてシングルセルレベルで倍数性と遺伝子発現の関係を調べるための実験系の確立するために、各種実験を行った。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、アブラムシにおいて、ホスト細胞とブフネラの倍数性を網羅的に定量し有力な仮説を得るとともに、その検証のための実験系を構築することを目標としていた。進捗状況としては、ホスト細胞について異なる表現型や発育段階における倍数性の変異について記述することに成功し、有力な仮説を得た。具体的には、昨年確立した数性解析手法を用い、表現型の異なる個体(胎生メス・卵生メス・オス)やアブラムシの成長段階(幼虫や成虫)の間でホスト細胞の倍数性を比較した。結果、最も繁殖能力が高く、野外でも最も一般的に見られる表現型である胎生メスのホスト細胞は最も高い倍数化度合いを示した(64-128倍体)。一方で、繁殖力の劣る卵生メス(~64倍体)や、卵生産に関与しないオス(32-64倍体)ではホスト細胞の倍数性は低かった。ホスト細胞の倍数性は1齢幼虫で最も低く(16-32倍体)、繁殖開始直後の成虫で最も高かった(~256倍体)。以上から、アブラムシのホスト細胞の倍数化とメス側の繁殖力との相関が示された。ホスト細胞の倍数化が、Buchneraとの栄養共生の機能を促進している」可能性がある。ここまでの成果に関して、現在論文執筆中である。 また、遺伝子発現状態をhistone修飾から定量する系を立ち上げるとともに、今後の展開に必須なシングルセルRNA-seqに関しても本実験に向けて条件検討を進めた。一方、共生細菌の倍数性に関しては、実験系を洗練させるとともに、アブラムシ共生細菌Buchneraに加え、カメムシやセミ、ゾウムシの共生細菌に対しても実験を進めている。今後種数を増やすことで共生細菌の進化や共生関係の維持に対して倍数化がどのような影響を示すか議論できるようになるだろう。以上から、当初の計画以上に研究が進展していると評価した。
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Strategy for Future Research Activity |
次年度は、今年度得られた結果を順次論文化するとともに、遺伝子発現を解析する系を確立し、データ取得を行う。具体的には倍数性依存的なホスト細胞・ブフネラの遺伝子発現の制御があるかどうか調べる。その後、倍数性制御に関わる遺伝子の推定と機能解析を行い、制御機構を解明する。一方で、ホスト細胞の遺伝子発現状態を理解するために、histone修飾の定量化を意エージングと蛋白定量の両方で行う。また、倍数化した核内のゲノム構造を理解するために、特定の遺伝子をターゲットとしたDNA-FISHを行う。以上を統合しアブラムシホスト細胞の倍数性がもつ意義について深い議論を展開する。 また共生細菌の倍数化に関しては、より広い分類群の昆虫を対象に、共生細菌の倍数性を網羅的に記述する。現在予備的ではあるが非常に興味深い関係が見えてきており、上記の網羅的な解析に加え、同種の共生細菌における状況依存的な倍数性の制御やゲノミクス的解析(細胞周期関連遺伝子の有無や発現)を組み合わせることで見えてくるパターンは、共生細菌の進化や維持に関する極めて新しい視点を提供するだろう。今後の展開として想定される、昆虫・細菌の共生系における倍数化の意義や制御機構について、普遍性および特殊性を議論する上で重要な知見を得ることができる。 今年度は最終年度であることから、データをまとめ論文化するとともに、プロジェクトの完結を視野に入れ研究活動を進める。
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