The origin of sex chromosome systems

• Project Area: Spectrum of the Sex: a continuity of phenotypes between female and male
• Project/Area Number: 17H06425
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 菊池 潔 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (20292790)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小山 喬 長崎大学, 水産・環境科学総合研究科(水産), 准教授 (40749701)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥105,300,000 (Direct Cost: ¥81,000,000、Indirect Cost: ¥24,300,000); Fiscal Year 2021: ¥21,970,000 (Direct Cost: ¥16,900,000、Indirect Cost: ¥5,070,000); Fiscal Year 2020: ¥21,970,000 (Direct Cost: ¥16,900,000、Indirect Cost: ¥5,070,000); Fiscal Year 2019: ¥21,970,000 (Direct Cost: ¥16,900,000、Indirect Cost: ¥5,070,000); Fiscal Year 2018: ¥21,970,000 (Direct Cost: ¥16,900,000、Indirect Cost: ¥5,070,000); Fiscal Year 2017: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
• Keywords: 性決定 / 性染色体 / 性決定遺伝子 / 性スペクトラム / 組換え / 性スペクトラム / 組換え抑制 / 性拮抗

Outline of Annual Research Achievements

1） 組換え抑制を招く性スペクトラム関連遺伝子の同定
（i）性決定遺伝子座周辺の参照ゲノム配列の完成：これまでに1魚種（ブリ）のZ染色体について、性決定遺伝子周辺の参照ゲノム配列を得ている。しかし、ペアとなるW染色体、および他の2魚種の性染色体については、その参照配列は得られていなかった。そこで2017年度は、長鎖ターゲットエンリッチメント法による参照配列構築を試みた。その結果、1魚種のZおよびW染色体の参照ゲノム配列を得ることができた。（ii）多個体のハプロタイプフェージング：上記で開発した長鎖エンリッチメント法は、濃縮度に領域依存的なバラツキがあるため、少数個体の高被覆度解析には適しているが、多個体の低被覆度解析には適していないことが判明した。これを改善するため、通常のPCRをエマルジョン法に置換した後、得られた濃縮産物を長鎖シーケンシングに供した。（iii）性決定遺伝子：性スペクトラム関連遺伝子が組換え抑制を招くためには、それら遺伝子と性決定遺伝子の距離がある程度近い必要があると予想されている。この距離を知るための前提として、上記3魚種の性決定遺伝子のゲノム上の位置を同定した。3魚種の性はすべてHsd17b1遺伝子第3エクソン上の一塩基多型により決定されていることが示された。
2） 組換え抑制をつくりだすエピゲノム構造変化の解明
（i） 組換え抑制とヘテロクロマチン化の関連をさぐる：解析材料を得るため、2017年度は秋から冬にかけて2歳ブリの卵巣から卵細胞を分離・濃縮することを試みた。顕微鏡下の観察の結果、よりはやい段階の卵細胞のほうが後の解析に適していることがわかった。（ii） 組性決定遺伝子周辺の組換え抑制とメチル化状態の関連を明らかにするため、2017年度はブリ卵巣より分離・濃縮した卵細胞からDNAを抽出し、全ゲノムバイサルファイトシーケンシングをおこなった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

1） 組換え抑制を招く性スペクトラム関連遺伝子の同定については、当初の計画以上に進展している。一方で、2） 組換え抑制をつくりだすエピゲノム構造変化の解明についは、若干、遅れている部分もある。

Strategy for Future Research Activity

1） 組換え抑制を招く性スペクトラム関連遺伝子の同定
（i）性決定遺伝子座周辺の参照ゲノム配列の完成：2017年度に長鎖エンリッチメント法の有効性が確認できたので、2018年度はまず、組換え抑制が強い1魚種（ブリ）のWW型ダイプロイド個体を染色体操作により作出し、次にこれをエンリッチメント法に供してW染色体の参照配列を作製する。（ii）多個体のハプロタイプフェージング：2017年度に通常のPCRをエマルジョン法に置換したサンプルを長鎖シーケンシングに供した。2018年度はこのデータのアセンブルをおこない、エマルジョンPCRの有効性を検証する。別途、W染色体の個体差を効率的に検出するため、雌性発生法によりW型ハプロイドを得て、これを上記の改変版長鎖エンリッチメント法に供する。
2） 組換え抑制をつくりだすエピゲノム構造変化の解明
（i） 組換え抑制とヘテロクロマチン化の関連をさぐる：2017年度にサンプリングした卵細胞は、その発達段階が若干すすみすぎていた。2018年度は、全雌ブリを作出し、これを経時的に観察して最適なサンプリング時期を決定する。別途、卵細胞の分離・濃縮法の最適化もおこなう。（ii）組換え抑制とDNAメチル化の関連をさぐる：2017年度に全ゲノムバイサルファイトシーケンシングをおこなったが、野生型ブリの多型データがないため、メチル化サイトを判定することができなかった。そこで、まず今年度は野生型ブリの多型データを取得し、つぎに昨年のデータとあわせることでメチル化サイトの検出をおこなう。

Research Products

• [Journal Article] Identification of the sex-determining locus in grass puffer (Takifugu niphobles) provides evidence for sex-chromosome turnover in a subset of Takifugu species (2018)
  • Author(s): Risa Ieda, Sho Hosoya, Shota Tajima, Kazufumi Atsumi, Takashi Kamiya, Aoi Nozawa, Yuma Aoki, Satoshi Tasumi, Takashi Koyama, Osamu Nakamura, Yuzuru Suzuki, Kiyoshi Kikuchi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0190635
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 水産科学におけるゲノム情報の活用を考える (2018)
  • Author(s): 菊池潔
  • Organizer: 第34回マリントキシン研究会
  • Invited
• [Presentation] ブリ属の性決定遺伝子はステロイド代謝酵素である (2018)
  • Author(s): 小山喬・森島輝・山下量平・豊田敦・内野翼・坂本崇・鈴木萌・細谷将・菊池潔
  • Organizer: 平成30年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] ブリ属性決定遺伝子の機能解析 (2018)
  • Author(s): 小山喬・山下雄史・佐々木皓平・宇野誠一・小山次朗・田角聡志・菊池潔
  • Organizer: 平成30年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] ブリ属性決定遺伝子の発現解析 (2018)
  • Author(s): 中本正俊・小山喬・水野直樹・菊池潔・坂本崇
  • Organizer: 平成30年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] クサフグ性決定遺伝子の探索 - 少数個体を用いたGWASの発見的利用- (2018)
  • Author(s): 家田梨櫻・小山喬・細谷将・大木駿・水野直樹・藤田真志・菊池潔
  • Organizer: 平成30年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] GRAS-Di 法で明らかとなった「ゲノム再編成による新規性決定遺伝子座の誕生」 (2018)
  • Author(s): 藤川大学・細谷将・小林純也・田島祥太・家田梨櫻・佐藤茉菜・城夕香・中村修・菊池潔
  • Organizer: 平成30年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] ショウサイフグ性決定遺伝子の探索 -Pool-seq による表現型原因遺伝子の特定- (2018)
  • Author(s): 家田梨櫻・細谷将・小山喬・城夕香・菊池潔
  • Organizer: 平成30年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] ゼブラフィッシュを用いたブリ属性決定遺伝子の機能解析 (2018)
  • Author(s): 車遥介・小山喬・岡田恵治・家田梨櫻・ 朝比奈潔・菊池潔
  • Organizer: 平成30年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 性決定遺伝子をNGSで簡単に決められないだろうか？ (2017)
  • Author(s): 菊池潔
  • Organizer: DMY研究会
• [Presentation] The reuse of the same sex chromosome in pufferfishes (2017)
  • Author(s): Kiyoshi Kikuchi
  • Organizer: Asian Sex Differentiation Network (7th Gonad Biology Joint Meeting, 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ターゲットエンリッチメント法と長鎖シーケンサーによる領域特異的塩基配列決定の試み (2017)
  • Author(s): 小山喬・森島輝・鈴木穣・内野翼・坂本崇・菊池潔
  • Organizer: 次世代シーケンサー現場の会
• [Remarks] 性スペクトラム
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/sexspectrum/index.html