Molecular mechanisms underlying structural color of scarab beetles and its evolution

Research Project

Project/Area Number	19K22440
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
Research Institution	National Agriculture and Food Research Organization
Principal Investigator	神村学国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, 上級研究員 (60370649)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	鈴木倫太郎国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 高度解析センター, 上級研究員 (00399429) 石川謙東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (10176159) 安藤俊哉基礎生物学研究所, 進化発生研究部門, 助教 (10709744)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords	構造色 / コガネムシ / 円偏光 / 発色機構 / 進化
Outline of Research at the Start	構造色は光の波長程度のサイズの微細構造が作り出す色である。多くの昆虫が構造色による美しい色彩を持つが、構造色発色する仕組みは遺伝子レベルではほとんどわかっていない。このような中、申請者はコガネムシの構造色に必須の遺伝子を発見した。複数種のコガネムシでこの遺伝子の発現を抑制すると構造色が完全に無くなることから、コガネムシ全般で構造色を発色するための鍵となる機能を担っていると考えられる。そこで本研究では、様々な種類のコガネムシと近縁の甲虫類で、この遺伝子の有無や構造、機能を調べることにより、コガネムシが構造色を生み出す分子メカニズムを解明するとともに、その進化の道筋を探る。
Outline of Annual Research Achievements	コガネムシ科の昆虫は、左円偏光からなる非常に珍しい構造色を持つ。円偏光選択的な構造色を持つ昆虫はコガネムシだけであり、昆虫以外でも同じ節足動物のシャコしかいない。本研究では、この珍しいコガネムシの構造色を生み出す分子メカニズムを解明するとともに、その進化の道筋も探ることを目指している。われわれはすでに、コガネムシの1種ナミハナムグリの構造色発色に必要な遺伝子LCP1を同定しており、本年度は、当初計画に沿って、LCPタンパク質の立体構造予測、およびLCP1遺伝子オーソログの各種昆虫からの同定とRNAiによる機能解析を行った。ナミハナムグリLCPタンパク質のN末端は疎水性アミノ酸に富むことからおそらくシグナルペプチドとして機能していると考えられた。また、内部に3箇所の繰り返し構造が存在していた。しかし、それ以外の配列は明瞭な構造を取らないことから、天然変性タンパク質（intrinsically disordered protein: IDP）と考えられた。公開されているRNA-seqデータおよび全ゲノムデータを検索したところ、LCP遺伝子オーソログはコガネムシ科のみならず、コウチュウ目の昆虫に幅広く存在することがわかった。他目の昆虫にもLCP1様遺伝子は幅広く存在していたが、繰り返し配列の数は目により2～5と異なっていた。以上の結果から、コガネムシが昆虫に広く保存された遺伝子を改変することで生物界全体を見ても非常に珍しい円偏光選択的な構造色機構を獲得した可能性が示唆された。コガネムシ科の中のハナムグリ亜科の構造色を持つ数種のコガネムシでLCP1遺伝子のRNAiを行ったところ、全ての種で構造色が消失し、ハナムグリの仲間ではLCP1が構造色発色に必須の機能を持っていることが示された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ほぼ当初計画通りに順調に研究を進めることができているから。
Strategy for Future Research Activity	当初計画に沿い研究を進める。