Evolution of egg envelope digestion system of fish hatching enzymes: the birth of a new system in the evolutionary process

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K06774
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 45020:Evolutionary biology-related
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: YASUMASU Shigeki 上智大学, 理工学部, 教授 (00222357)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 機能進化 / 生物システムの創生 / 孵化酵素 / 卵膜 / ZPタンパク質 / 正真骨魚類

Outline of Final Research Achievements

Teleost hatching enzyme genes have evolved from a single enzyme system to an efficient egg envelope digestion system of two enzymes (HCE and LCE) due to gene duplication. Ayu(sweetfish), which diverges early in euteleost evolution, is a three-enzyme system (HCE, LCE and HE). Ayu HCE shows similar activity to other teleost HCE, but Ayu LCE or HE does not efficiently digest egg envelope even when combined with HCE. Molecular phylogenetic analysis has shown that LCE and HE are the result of duplication of the same ancestral enzyme gene. These results suggest that the process by which one of the duplicated genes acquires a novel function involves more complicated evolutionary steps.

Free Research Field

進化発生学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

重複遺伝子が、どのように新規機能を獲得してきたかを解明することは、進化学において重要な課題である。分子系統解析で同一のクレードに属する遺伝子は、同様の機能を示すとは限らず、新規機能獲得はタンパク質の機能の解析が必須である。孵化酵素の卵膜分解では、孵化酵素と卵膜構成タンパク質の相互作用という比較的簡単なシステムであるという点で絶好の材料といえる。今回の結果より、遺伝子重複後に複数の酵素遺伝子が生じた後、生物システムに対してより効率よい変異が生じた遺伝子が残り、他の重複遺伝子は、失われることが示唆された。本研究は、新規機能獲得をタンパク質の機能レベルで研究した独創的な研究といえる。