Spectrum of the sex and the sex reversal by gonads

• Project Area: Spectrum of the Sex: a continuity of phenotypes between female and male
• Project/Area Number: 17H06430
• 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: Nagoya University
• Principal Investigator: 田中 実 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (80202175)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 耕裕 大阪医科大学, 医学部, 助教 (20613558)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥144,560,000 (Direct Cost: ¥111,200,000、Indirect Cost: ¥33,360,000); Fiscal Year 2021: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2020: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2019: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2018: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2017: ¥34,320,000 (Direct Cost: ¥26,400,000、Indirect Cost: ¥7,920,000)
• Keywords: 性決定 / 生殖細胞 / 脂質 / メダカ / 減数分裂 / 代謝 / 栄養制限 / 性転換 / 環境

Outline of Annual Research Achievements

環境影響による性のスペクトラム位置移動を調べるために、栄養状態を変化させメダカの代謝物をLC-FTMS と CE-MS/MSによるメタボローム解析を行った。その結果、パンテトン酸が複数の方法よっても有意に変動していること、その異化酵素を阻害すると性転換が引き起こされることが確認された。この代謝経路の主要な産物は CoA である。そこで CoA が関与する代謝経路を調べたところ、一群の代謝物がオス化遺伝子の発現制御に関与するとの知見が得られつつある。実際、その代謝経路を薬理的に阻害しても性転換が認められ、関与する酵素の変異体を作製すると、オス化遺伝子の発現上昇が認められた。
一方、生殖細胞の性スペクトラムの位置移動に関与する因子の同定にも成功した。ChIP解析、トランスクリプトームの発現解析（DEG）、変異体によるエピスタティック解析から、生殖細胞の性のスイッチ遺伝子の下流には２つの因子 REC8 と FBXO47 が制御されていることが今回初めて明らかとなった。この２つ因子はまったく予期されていなかった因子である。特にREC8の減数分裂での研究は盛んに行われているが、今回の結果は減数分裂にも性差があることを示唆する結果となっている。またこの２つの因子の遺伝子発現解析から、生殖細胞の性が確立する時期が明らかになりつつある。言い換えると生殖幹細胞という性的に未分化な細胞で性のスイッチが入ってから性が確立するまでには、スペクトラム上に性の位置が移動しうる時期がある程度長く存在することを意味していた。このことは卵になるか精子になるかという配偶子形成の初期過程の見地からも非常に興味深い結果となった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

環境影響による性のスペクトラム位置移動を生じさせる物質が絞られつつある。特に代謝変動によって性のスペクトラム位置移動させる分子機構は全く分かっていない。昨年度までの結果で、関与する物質（代謝物）や代謝経路、そこを制御する遺伝子群が絞られつつあり、この未解明の分子機構が明らかにできる道筋がつきつつあると言える。
また、生殖細胞の性決定遺伝子の下流では２つの因子が制御されていることが明らかとなった。このことは生殖細胞の性のスペクトラム上の移動に関与する実行部隊が明らかになったことを意味する。
以上の２つの結果は、いずれも全く新しい、性スペクトラムの位置移動の分子機構解明に迫れる具体的方法を示したことになり、研究としては十分に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

代謝変動によって性転換が引き起こされることが明らかになりつつあるが、これに関与する一群の代謝物は非水溶性の可能性が高く、非水溶性代謝物の解析はメタボローム分野でもチャレンジングな領域の一つである。そこで非水溶性メタボローム専門家を新たに分担者に迎え、サンプル量と代謝物の検出感度など基本的な条件を検討しつつ、薬理学的実験や候補代謝物の投与実験も併用し、栄養状態を変化させたメダカで有意に変動する代謝物の絞り込みをおこなう。また性分化時期の単離生殖腺によるメタボローム解析と、飢餓条件での遺伝子発現プロファイルを利用することで、オス化遺伝子を制御する因子の同定も試みる。
この２つの因子の作用機序を、変異体解析をより詳細に行うことで明らかにする。またこの因子はクロマチン制御を行っている可能性があるため、small RNA 産生に関わる遺伝子の変異体の表現型解析を進めるとともに、クロマチン修飾における関係性の解析も試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] College de France(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Heidelberg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] College de France(France)
• [Int'l Joint Research] Academia Sinica(Taiwan)
• [Journal Article] Novel components of germline sex determination acting downstream of foxl3 in medaka (2019)
  • Author(s): Kikuchi Mariko、Nishimura Toshiya、Saito Daisuke、Shigenobu Shuji、Takada Ritsuko、Gutierrez-Triana Jos? Arturo、Cerd?n Juan Luis Mateo、Takada Shinji、Wittbrodt Joachim、Suyama Mikita、Tanaka Minoru
  • Journal Title: Dev. Biol. Volume: 445 Pages: 80-89
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2018.10.019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal regulation of the lncRNA LDAIR modulates self-protective behaviors during the breeding season (2019)
  • Author(s): Nakayama T, Shimmura T, Shinomiya A, Okimura K, Takehana Y, Furukawa Y, Shimo T, Senga T, Nakatsukasa M, Nishimura T, Tanaka M, Okubo K, Kamei Y, Naruse K, Yoshimura T
  • Journal Title: Nature Ecology & Evolution Volume: 3 Pages: 845-852
  • DOI: 10.1038/s41559-019-0866-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of germline cell sex identity in medaka (2019)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Journal Title: Curr. Top. Dev. Biol. Volume: 134 Pages: 151-165
  • DOI: 10.1016/bs.ctdb.2019.01.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Germ cells in the teleost fish medaka have an inherent feminizing effect (2018)
  • Author(s): Nishimura Toshiya、Yamada Kazuki、Fujimori Chika、Kikuchi Mariko、Kawasaki Toshihiro、Siegfried Kellee R.、Sakai Noriyoshi、Tanaka Minoru
  • Journal Title: PLoS Genetics Volume: 14 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1007259
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic plasticity in phototransduction regulates seasonal changes in color perception (2017)
  • Author(s): Shimmura T, Nakayama T, Shinomiya A, Fukamachi S, Yasugi M, Watanabe E, Shimo T, Senga T, Nishimura T, Tanaka M, Kamei Y, Naruse K, Yoshimura T
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Pages: 412-412
  • DOI: 10.1038/s41467-017-00432-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] How do germ cells determine their sexual fate? (2018)
  • Author(s): TANAKA M.
  • Organizer: The 9th International Symposium on Fish Endocrinology (9ISFE2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Germ Cells - more than gametogenesis (2018)
  • Author(s): TANAKA M.
  • Organizer: 4th Medaka Strategic PI meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 性のゆらぎ：分子機構から見えてきた性の特徴 - 幹細胞が生み出す性のフレキシブルさと頑強さ - (2018)
  • Author(s): 田中実
  • Organizer: 公益財団法人 大隅基礎科学創成財団 第４回 創発セミナー
  • Invited
• [Presentation] 生殖腺研究最前線 性決定における生殖幹細胞機能と代謝制御 (2018)
  • Author(s): 田中実
  • Organizer: 日本アンドロロジー学会 第３７回学術大会
  • Invited
• [Presentation] Gonadal Sex Differentiation in two Oryzias species (2018)
  • Author(s): Carranza, J. Takehana, Y. Nishimura, T. Tanaka, M.
  • Organizer: 日本動物学会中部支部大会
• [Presentation] 熱ストレス環境下でのnanos2の機能解析 (2018)
  • Author(s): 住田流香、西村 俊哉、吉村泰河、田中 実
  • Organizer: 日本動物学会中部支部大会
• [Presentation] メダカのオスの生殖細胞における遺伝子発現誘導の系の開発と卵の運命を決定する因子の探索 (2018)
  • Author(s): 吉村泰河、菊地真理子、西村俊哉、竹内秀明、田中 実
  • Organizer: 日本動物学会中部支部大会
• [Presentation] 生殖細胞の性決定機構 - メダカfoxl3下流で働く新規因子の同定 - (2018)
  • Author(s): 菊地 真理子、西村 俊哉、斎藤 大助、重信 秀治、髙田 律子、Jose; Arturo Gutierrez-Triana、Juan Luis Mateo Cerdan、高田 慎治、Joachim Wittbrodt、須山 幹太、田中 実
  • Organizer: 日本分子生物学会年会
• [Presentation] The regulation mechanism of medaka sex differentiation by the metabolic change (2018)
  • Author(s): Sakae, Y., Oikawa, A., Sugiura, Y., Mita, M., Nishimura, T. and Tanaka, M
  • Organizer: 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Labeling Germ Cells in Medaka-Related Species for Sex Determination Studie (2018)
  • Author(s): Carranza, J. Takehana, Y. Nishimura, T. Tanaka, M.
  • Organizer: The 9th International Symposium on Fish Endocrinology (9ISFE2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Germline sex determination by nanos3, a component of germ plasm (2018)
  • Author(s): Nishimura T. and Tanaka, M.
  • Organizer: 4th Medaka Strategic PI meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of foxl3-downstream genes (2018)
  • Author(s): Kikuchi M, Saito D, Shigenobu S., Suyama M, Nishimura T and Tanaka, M.
  • Organizer: Seminar in College de France
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Germline stem cells and ovarian structure (2018)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: Seminar in Shanghai Ocean University
  • Invited
• [Presentation] A feminizing power is an innate nature of germ cells in medaka (2017)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: 18th International Congress of Comaprative Endocrinology (ICCE18)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] An inherent feminizing power of germ cells - independent of sex and development (2017)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: Society of Study of Reproduction (SSR), USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 雌雄のどちらかになることを保障する性のコアメカニズム - 生殖細胞がもたらす性決定機構 - (2017)
  • Author(s): 田中実
  • Organizer: 生命科学系学会合同年次大会
  • Invited
• [Presentation] oxl3 制御から見えた、生殖細胞の性決定機構について (2017)
  • Author(s): 菊地真理子、津田弥与、重信秀治、須山幹太、西村俊哉、田中実
  • Organizer: 生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] 栄養源飢餓によるメダカの性転換と代謝変化 (2017)
  • Author(s): 榮雄大、及川彰、杉浦悠毅、田中実
  • Organizer: 生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] メダカ生殖腺におけるRNA新規合成の雌雄差の解析 (2017)
  • Author(s): 山田一輝・西村俊哉・田中実
  • Organizer: 生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] 生殖質の構成因子nanos3によるメダカ生殖細胞の性の運命決定 (2017)
  • Author(s): 西村俊哉・田中実
  • Organizer: 生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] Medaka sex differentiation under the starvation (2017)
  • Author(s): Sakae, Y. and Tanaka, M.
  • Organizer: Asian Sex Differentiation Network,
• [Presentation] How does the germline sex determinant regulate the downstream genes? (2017)
  • Author(s): Kikuchi, M. and Tanaka, M.
  • Organizer: Asian Sex Differentiation Network
• [Presentation] Germ cells have an inherent property feminizing the gonad in medaka (2017)
  • Author(s): Nishimura, T. and Tanaka, M.
  • Organizer: Asian Sex Differentiation Network
• [Presentation] メダカ配偶子形成において雌雄差を示すpiRNAの網羅的同定 (2017)
  • Author(s): 山本耕裕・大竹規仁・齋藤大介・西村俊哉・田中実
  • Organizer: 第８８回日本動物学会 富山大会
• [Presentation] メダカにおける生殖腺組織構築の解析 (2017)
  • Author(s): 尾崎湧馬, 西村俊哉, 田中実
  • Organizer: 第８８回日本動物学会 富山大会
• [Presentation] メダカの生殖細胞は身体をメス化する能力を元々持っているのか？ (2017)
  • Author(s): 西村俊哉、河崎敏広、酒井則良、田中実
  • Organizer: 第８８回日本動物学会 富山大会
• [Book] 遺伝子から解き明かす性の不思議な世界 (2019)
  • Author(s): 田中実（編著）
  • Total Pages: 542
  • Publisher: 一色出版
  • ISBN: 9784909383068
• [Book] Regulation of germline stem cells in the Teleost: Gametogenesis, Sex, and Fecundity (2018)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Total Pages: 9
  • Publisher: Springer Japan
  • ISBN: 9784431566076
• [Remarks] 名古屋大学大学院理学研究科 生命理学専攻 生殖生物学グループ
  • URL: http://www.medaka.bio.nagoya-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] ゲノム編集技術 (2018)
  • Inventor(s): 田中実、西村俊哉
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人名古屋大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018
• [Funded Workshop] Asian Sex Differentiation Network (2017)