2021 Fiscal Year Research-status Report
Analysis of evolutionary fate determination mechanisms of developmental genes after genome duplication events
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19K06689
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
荻野 肇 広島大学, 両生類研究センター, 教授 (10273856)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
越智 陽城 山形大学, 医学部, 准教授 (00505787)
井川 武 広島大学, 両生類研究センター, 助教 (00507197)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 発生 / 進化 / ゲノム重複 / 転写因子 / 偽遺伝子 / ゲノム編集 / アフリカツメガエル / ネッタイツメガエル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
まずアフリカツメガエルが持つngn2の倍加遺伝子ペアに対してCRISPR/Cas9法を用いて遺伝子破壊を試みた。その結果、片方のコピーの破壊には成功したが、もう片方のコピーは実験条件をどのように変更しても表現型解析に十分な効率で破壊することができなかった。しかしこの実験の過程で、アフリカツメガエルの遺伝子破壊を最大効率化する方法を発見した（Tanouchi, M. et al., Dev. Growth Differ., 2022）。
一方、これまでの多くのゲノム重複研究は、遺伝子を機能で分類して、どのようなグループが倍加後も２コピーで維持されやすいか、あるいはシングルトン化しやすいかの傾向を調べることに留まってきた。本研究では、遺伝子の構造が進化運命に与える影響を抽出するため、倍加後も２コピーで維持されやすい転写制御因子の遺伝子群に注目し、祖先型２倍体ゲノムを持つネッタイツメガエルの遺伝子と、それに対する4倍体ゲノムを持つアフリカツメガエルのオーソログのペア885組を対象として解析を進めた。これらにおいて、アフリカツメガエルにおいて２コピーで維持されているものと、シングルトン化しているものの数を調べたところ、それぞれ783組（88%）と102組（12%）であった。さらにエンハンサー結合因子p300及びエンハンサーマークとして知られるヒストン修飾H3K4me1に対する抗体を用いたChIP-seqデータを用いて、それぞれのオーソログ組のネッタイツメガエル遺伝子が持つエンハンサーを同定し、その数を数えたところ、アフリカツメガエルにおいて２コピーで維持されている遺伝子に対するネッタイツメガエルオーソログの方が、アフリカツメガエルでシングルトン化している遺伝子に対するネッタイツメガエルオーソログよりも、エンハンサーの数が統計的に有意に多いことが明らかになった。
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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
本研究で検証している仮説は、「特定の組織に限局して発現する遺伝子は、少ない数のエンハンサーを持つ為、倍加コピーが形成されて純化選択圧が低下すると、エンハンサー変異によって発現を失いやすい、その為に１コピーに回帰しやすい」というものである。昨年度までのngnファミリーに注目した解析に加え、今年度は解析対象をゲノムワイドなレベルに拡大し、少なくとも転写制御因子の遺伝子群においては、エンハンサーの数が多い遺伝子ほど、倍加後に２コピーで維持されやすく、エンハンサーの数が少ない遺伝子ほど１コピーに回帰しやすいことを発見した。
また、本研究の過程で、モデル動物として世界的に汎用されるアフリカツメガエルにおいて、その遺伝子破壊実験の効率を最大化する技術の開発に成功し、それを原著論文として発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況の項で述べた通り、これまでに祖先遺伝子のエンハンサー数と倍加後の娘遺伝子の進化運命との相関をゲノムワイドなレベルで明らかにできた。しかし祖先遺伝子のエンハンサー数と発現部位数との相関については、まだゲノムワイドに検証できていない為、これを次年度に解析する。また、これらの相関が転写制御因子以外の機能グループの遺伝子群にもあてはまるのかを検証する。さらに、アフリカツメガエル以外のゲノム倍加を経験した種を用いて同様な解析をおこない、祖先遺伝子の発現部位数やエンハンサー数と倍加後の娘遺伝子の進化運命との相関が、ゲノム重複進化における普遍的な現象であるかどうかを検証する。
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| Causes of Carryover |
（理由）昨年度に引き続き、コロナ禍のために研究活動が制限され、動物実験の一部をコンピューター解析に変更したために、その差額分の支出が減少した。具体的には、動物を用いたトランスジェネシスによりエンハンサー解析をおこなう予定であったが、その代わりにヒストン修飾H3K4me1のChIP-seqデータとエンハンサー結合因子p300のChIP-seqデータとの重ね合わせにより、in silicoでエンハンサーのゲノムワイドな同定をおこなった。また、学会も対面からオンラインに変更されたため、その旅費分の支出が減少した。
（使用計画）次年度はこれらin silicoで同定したエンハンサーの組織特異性や活性レベルをトランスジェネシス解析により調べる。また得られた成果を学会で対面発表する。今回生じた次年度使用額は、これらの研究活動のために用いる。
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[Journal Article] Cryo-injury procedure-induced cardiac regeneration shows unique gene expression profiles in the newt Pleurodeles waltl.2021
Author(s)
Uemasu H, Ikuta H, Igawa T, Suzuki M, Kyakuno M, Iwata Y, Tazawa I, Ogino H, Satoh Y, Takeuchi T, Namba N, Hayashi T.
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Journal Title
Dev Dyn
Volume: -
Pages: -
DOI
Peer Reviewed
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