2020 Fiscal Year Annual Research Report
Genetic mechanism of parallel evolution of mimicry supergene in swallowtail butterflies
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20H00474
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤原 晴彦 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40183933)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スーパージーン / 擬態 / 平行進化 / アゲハチョウ / 染色体逆位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シロオビアゲハのベイツ型擬態の原因領域は染色体逆位によって固定されたスーパージーンであるが、ほぼ同じ擬態スーパージーンをもつ近縁種のナガサキアゲハには染色体逆位が存在しない。そこで、2種の擬態スーパージーンの構造と構成遺伝子の発現と機能の比較などから、ベイツ型擬態の平行進化の遺伝的背景とスーパージーンの構築原理を解明する。
シロオビアゲハとナガサキアゲハの擬態紋様で異なるのは、前者の擬態形質は翅だけにみられるのに対し、後者は翅だけでなく腹部にも警告的な擬態色（黄色）が着色する。一方、シロオビの擬態翅では擬態型dsxや擬態型UXTが蛹初期に発現誘導され、これが擬態形質に結びついている可能性がこれまでに示唆されてきた。しかし、スーパージーンの内外の遺伝子群全体について擬態形質形成と関連した発現や機能は体系的には解析されていなかった。そこで、シロオビアゲハのスーパージーン内部の遺伝子（dsx, UXT, U3X）とスーパージーン近傍の遺伝子（prospero, sir2）の発現パターンが擬態型雌、非擬態型雌、雄の蛹期後翅でどのように変化するかをq-PCR法やRNAseq法により明らかにした。また、electroporation-mediated RNAi法により各遺伝子がシロオビアゲハ擬態型雌の後翅紋様形成にどのように働いているかを明らかにした。一方、ナガサキアゲハ擬態型雌の腹部での警告色の発色にdsxやUXTが関与しているかを調べるために、ナガサキアゲハ擬態型雌、非擬態型雌、雄の蛹期後翅と蛹期腹部及びシロオビアゲハ擬態型雌と雄の蛹期腹部（警告色を発色しない）における発現パターンを明らかにした。また、ナガサキアゲハの腹部において各遺伝子群をelectroporation-mediated RNAi法によりノックダウンして、dsx-Aが擬態形質に関与することを初めて明らかにした。
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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
シロオビアゲハのスーパージーン内部の遺伝子（dsx, UXT, U3X）とスーパージーン近傍の遺伝子（prospero, sir2）の発現パターンが擬態型雌(Hh)、非擬態型雌（hh）、雄(Hh）の蛹期後翅でどのように変化するかを調べたところ、蛹期初期・中期にはHh雌ではdsx-H（擬態型）が強く発現するが、Hh雄では抑制され、hh雌では発現していなかった。ナガサキアゲハでも同様の傾向が見られ、擬態型dsx-H（dsx-A）の蛹期初期での強い発現が後翅の擬態紋様形成に関与している可能性が強く示唆された。一方、Hh雌とHh雄でのUXT-H（擬態型）とUXT-h（非擬態型）の発現はほとんど変わらず、ナガサキアゲハのAa雌でもこの傾向は一致していた。それ以外の遺伝子では発現と擬態形質の間で強い関連性を示すものは見られなかった。擬態型雌の後翅で上記遺伝子をノックダウンしたところ、すべての遺伝子で擬態紋様形成に異常が見られたことから、スーパージーンの機能的ユニットは従来考えられているよりも大きく、染色体逆位の外側に広がっている可能性が示唆された。一方、ナガサキアゲハの腹部におけるdsx-Aの発現は擬態型雌（警告色あり）より雄（なし）の方が高く、発現レベルと警告色形成の関連性は直接的には示されなかった。また、シロオビアゲハでは腹部でもdsx-Hが擬態型Hh雌で高く、Hh雄で抑制されており、後翅と同様に制御されていた。ナガサキアゲハの腹部でdsx-Aをノックダウンすると黄色い警告色が黒色に変化することから、腹部の着色はdsx-Aの発現レベルの変化よりは、dsx-Aの機能に依存しており、シロオビアゲハで着色が起こらないのは、dsx-Hには腹部での着色誘導能力がない可能性が考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
スーパージーン内外の遺伝子発現については、シロオビアゲハの後翅などでこれまでも解析を進めてきたが、擬態型Hh雌、非擬態型hh雌、Hh雄などで経時的、体系的に比較できておらず、蛹期全般に渡った各遺伝子の発現の全体像を示せていなかった。今回各発生ステージのサンプル数を増やすことにより、蛹期全般での比較を行った結果、以前は擬態形質と関連すると考えられていたsir2やprosperoなど複数の遺伝子発現については、擬態形質との明瞭な関連性はないことが明らかになった。一方で、後翅からのRNA抽出は全体から行っているため、翅内の各紋様領域での遺伝子の特異的発現が形質に関与している可能性は否定できないため、最終的にはin situ hybridization法によって確認する必要がある。一方、腹部における発現解析についても、ナガサキアゲハのHh雌雄（雌のみ警告色あり）でdsx-Aの発現を比較すると警告色の有無との強い相関性はなく、またシロオビアゲハの腹部でdsx-Hが抑制されていないことから、dsx-Aやdsx-Hの発現レベルの違いではなく、タンパク質の機能的に基づいている可能性が示された。この可能性を確認するためには、雄（もしくは非擬態型雌）の腹部でのdsx-A強制発現によって警告色が誘導されるかを行う必要がある。擬態スーパージーンの機能に多数の遺伝子が関与している可能性を見出したのは大きな前進である。現時点ではシロオビアゲハでのみ明瞭になっているが、ナガサキアゲハでの解析を進める必要がある。
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Research Products
(17 results)
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[Book] マーダー生物学2021
Author(s)
S. Mader、藤原 晴彦
Total Pages
560
Publisher
東京化学同人
ISBN
978-4-8079-0969-8
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