Identification of genomic changes associated with social evolution of termites by comparative genomic analysis

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K06816
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 林 良信 慶應義塾大学, 法学部(日吉), 講師 (70626803)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮崎 智史 玉川大学, 農学部, 准教授 (20547781)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 真社会性 / 昆虫 / 遺伝子 / 自然淘汰 / 遺伝子重複

Outline of Annual Research Achievements

「単独性生物から社会性生物への進化」は、生物界に新たな複雑性を生じさせた生物進化史上の革新的な出来事の一つであり、生物学において特に注目すべき重要な現象である。本研究では、社会性生物の中でも特に複雑な社会を構築し高度な利他行動を示すシロアリに注目し、比較ゲノム解析によって単独性のゴキブリから亜社会性のゴキブリ、そして真社会性のシロアリが進化する過程でどのようなゲノム領域が急速に進化したのかを明らかにする。はじめに、ゲノム解読の行われたシロアリ３種について、遺伝子発現データや既知遺伝子配列のデータを利用して、遺伝子モデルの作成をおこなった。これらの遺伝子モデルを用いて、シロアリ３種の比較による遺伝子の進化過程、特に遺伝子重複過程を調べた。加えて、遺伝子発現解析により、ヤマトシロアリにおいてカースト特異的に発現する遺伝子を特定した。それらの遺伝子は、カースト分業の維持に関わると推定され、社会性関連遺伝子ということができる。これらの結果を総合して解析することによって、さらに、社会性関連遺伝子の遺伝子重複過程を調べた。その結果、社会性関連遺伝子はそれ以外の遺伝子と比べて、遺伝子重複を起こしている割合が有意に多いことが分かった。特に、個体間化学コミュニケーション（リポカリンなど）や社会免疫（リゾチウムや抗微生物ペプチド）、社会的防御（ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素）など、シロアリの社会組織化において重要な機能に関わる遺伝子群において、顕著な遺伝子重複がみられた。これらの結果は、シロアリの社会進化において遺伝子重複が重要な役割を果たしていると考えられる。さらにゲノム解読を行った亜社会性キゴキブリの遺伝子モデルの作成も完了したため、今後ゴキブリとシロアリの比較により、シロアリの真社会性進化に関わる遺伝子を同定することが可能となった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度は新型コロナウイルス感染症の流行による外出制限のため、予定していたシロアリ採集を行うことができず、それらを用いて行う予定であった新たなゲノム多型データの取得はできなかった。しかし、そのかわりに既存のゲノムデータを活用し、バイオインフォマティクス解析を予定よりも早く進めることができた。特に、シロアリ類とゴキブリ類の遺伝子モデルの構築は予定より進んだ。この遺伝子モデルのデータを用いることによって、様々な比較ゲノム解析が可能になっており、現在新たにゴキブリ類とシロアリ類の比較解析等を行っている。また、バイオインフォマティクス解析をさらに拡大し、ヤマトシロアリゲノムデータから免疫遺伝子や性決定、エピジェネティクス関連遺伝子の同定を行った。合計で300以上の遺伝子を同定することができ、これによって今後行う比較ゲノム解析の結果と遺伝子機能の照合や、具体的な遺伝子配列情報が必要となるRNAi実験を速やかに行うことができるようになった。これらの遺伝子は、シロアリの社会性と特に深くかかわる重要な遺伝子群であり、比較ゲノム解析のみならず、RNAi法を利用した遺伝子機能解析を行うことにより、シロアリ類の社会組織化機構をより深く多面的に理解することが可能になる。2020年度では、亜社会性キゴキブリにおいて、ミトコンドリアの全ゲノム配列も取得した。キゴキブリのミトコンドリアにおいては、264塩基からなる繰り返し配列が存在することが明らかになった。このような繰り返し配列はこれまでにゴキブリやシロアリ類では知られておらず、新たな発見となった。2020年度ではさらに、次世代シークエンサーを利用したRAD-seq解析をより効率的かつ安価に行うために、実験に必要となるDNAアダプターやPCRプライマーを準備した。今後これらを用いて効率的に遺伝子多型データの取得を行う。

Strategy for Future Research Activity

2020年度において得られたシロアリ類とゴキブリ類の遺伝子モデルを用いて、これらの相同遺伝子グループを同定し、そのグループごとに分子系統進化解析により正の自然選択圧の検出を行う。また、相同遺伝子の系統解析と遺伝子コピー数の系統進化学的解析によって、亜社会性・真社会性の進化過程（図１）で、顕著に遺伝子コピー数が増加または減少した相同遺伝子群を特定する。また、既存のゴキブリ・シロアリの全ゲノムと2020年に公表されたばかりのイエシロアリの全ゲノム配列を用いて全ゲノムアラインメントを行う。このアラインメントに基づき、亜社会性・真社会性の進化過程で中立進化モデルよりも速い速度で進化しているゲノム領域を特定する。さらに、そのゲノム領域がどのような機能を持つ領域なのかを推定するためにnoncoding RNA-seqやATAC-seqによる遺伝子発現調節領域の予測も行う。これらの解析によって特定される進化速度の速い遺伝子については、さらにRNAi法を用いた遺伝子機能解析を行う。また今後可能であれば、2020年度では行うことができなかったシロアリの採集を行い、新たなゲノム多型データの取得を行う。この多型データを用いることによって、シロアリのカースト間での遺伝的差異を検出する。この差異がある遺伝子は、カーストの分化に影響することが示唆される遺伝子、つまり社会組織化遺伝子であり、このような遺伝子についても機能解析を行うことでシロアリの社会組織化に関わる遺伝子とその機能を具体的に明らかにすることができる。また、それらの遺伝子については、ゴキブリ・シロアリ類のみならず他の昆虫も含めて、系統解析によってその進化過程を明らかにする。これにより、シロアリ類の社会性進化の要因となる遺伝子がどのような進化の末に生じたのかを明らかにする。

Causes of Carryover

2020年度では新型コロナウイルス感染症の流行による外出制限のため、予定していたシロアリ採集を行うことができなかった。そのため、予定していた採集のための旅費を使用しなかった。また、採集したシロアリを用いてゲノム多型データを取得するために次世代シークエンサー解析を外部委託によって行う予定であったが、シロアリ採集ができずこれも行うことができなかった。予定していたが遂行できなかったこれらの費用が残り、次年度使用が生じた。今後、シロアリの採集をし、次世代シークエンサー解析を行う予定である。