脊索動物胚発生の分子発生システムゆらぎ測定と進化的保存性

• 研究領域: 進化の制約と方向性 ～微生物から多細胞生物までを貫く表現型進化原理の解明～
• 研究課題/領域番号: 17H06387
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 入江 直樹 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10536121)
• 研究分担者: 上坂 将弘 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (20756499)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 145,340千円 (直接経費: 111,800千円、間接経費: 33,540千円); 2021年度: 22,880千円 (直接経費: 17,600千円、間接経費: 5,280千円); 2020年度: 24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円); 2019年度: 26,520千円 (直接経費: 20,400千円、間接経費: 6,120千円); 2018年度: 29,380千円 (直接経費: 22,600千円、間接経費: 6,780千円); 2017年度: 41,730千円 (直接経費: 32,100千円、間接経費: 9,630千円)
• キーワード: 進化 / 進化発生生物学 / 発生拘束 / ゆらぎ / 発生安定性 / 頑健性 / 進化生物学 / 発生生物学 / 安定性 / 発生 / バイオインフォマティクス / EvoDevo / 反復説 / 砂時計モデル / 比較発生 / ゲノム / エピジェネティクス / 進化可能性 / 進化発生学

研究成果の概要

本課題は、脊索動物の発生過程における揺らぎが、進化的保存性（制約や方向性）に寄与しているのかどうかを検証した。研究の結果、脊椎動物の基本構造が構築される発生段階は、遺伝子発現プロファイル上の揺らぎが小さく発生学的に安定であること、さらにそれがこの発生段階の進化的保存性に寄与している可能性が示唆された。また、遺伝子の使いまわしがボディプラン構築期の進化的保存に寄与している可能性を実験データから初めて示すことにも成功し、新しい形質を獲得する上で遺伝子の使い回しが、同時に表現型の多様化を制限する要因にもなっている可能性が示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでの進化生物学は、遺伝的変異や環境の影響で出現した多用な特徴（表現型）が選択されたり、偶発的に集団内にひろがることで起こると説明されてきた。一方で、今回の一連の研究は、生物そのものにどの程度特徴を変えられるかという多様化のポテンシャルが備わっていることを示すものであり、その具体的実態（揺らぎ、遺伝子の使いまわしなど）を解明した研究である。様々な表現型のバリエーションを生み出すポテンシャルが低いと結果的に多様化する機会が減るというのは自然な考えであるものの、具体的にこうしたメカニズムまで明らかとなったのは大きな成果だと考えている。

研究成果

• [国際共同研究] Boston University/California Institute of Technology/Brown University(米国)
• [国際共同研究] Kunming Institute of Zoology/Yunnan Agricultural University/Chinese Academy of Sciences(中国)
• [国際共同研究] BGI/PICB(中国)
• [国際共同研究] Boston University(米国)
• [国際共同研究] 昆明動物学研究所(中国)
• [国際共同研究] ボストン大学/ブラウン大学(米国)
• [雑誌論文] Stability in gene expression and body-plan development leads to evolutionary conservation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Yui Uchida*, Hiroyuki Takeda, Chikara Furusawa & Naoki Irie*
  • 雑誌名: EvoDevo 巻: vol. 14, no.4 号: 1
  • DOI: 10.1186/s13227-023-00208-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The pentameric hydrocoel lobes organize adult pentameral structures in a sea cucumber, Apostichopus japonicus (2022)
  • 著者名/発表者名: Udagawa Sumio、Nagai Akiko、Kikuchi Mani、Omori Akihito、Tajika Atsushi、Saito Mieko、Miura Toru、Irie Naoki、Kamei Yasuhiro、Kondo Mariko
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: 492 ページ: 71-78
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2022.09.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Potential contribution of intrinsic developmental stability toward body plan conservation (2022)
  • 著者名/発表者名: Uchida Yui、Shigenobu Shuji、Takeda Hiroyuki、Furusawa Chikara、Irie Naoki
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 20 号: 1 ページ: 82-82
  • DOI: 10.1186/s12915-022-01276-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distinguishing Evolutionary Conservation from Derivedness. (2022)
  • 著者名/発表者名: Jason Cheok Kuan Leong*, Masahiro Uesaka, Naoki Irie*
  • 雑誌名: Life 巻: 12(3), 440 号: 3 ページ: 440-440
  • DOI: 10.3390/life12030440
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measuring potential effects of the developmental burden associated with the vertebrate notochord. (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto S, Yamanaka K, Tanegashima C, Nishimura O, Kuraku S, Kuratani S, and Irie N.
  • 雑誌名: J Exp Zool B Mol Dev Evol. 巻: 338 号: 1-2 ページ: 129-136
  • DOI: 10.1002/jez.b.23032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Derivedness Index for Estimating Degree of Phenotypic Evolution of Embryos: A Study of Comparative Transcriptomic Analyses of Chordates and Echinoderms (2021)
  • 著者名/発表者名: Jason Cheok Kuan Leong*, Yongxin Li, Masahiro Uesaka, Yui Uchida, Akihito Omori, Meng Hao, Wenting Wan, Yang Dong, Yandong RenSi Zhang, Tao Zeng, Fayou Wang, Luonan Chen, Gary Wessel, Brian T. Livingston, Cynthia Bradham, Wen Wang, Naoki Irie*
  • 雑誌名: Front. Cell Dev. Biol. 巻: 26
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.749963
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The developmental hourglass model and recapitulation: An attempt to integrate the two models. (2021)
  • 著者名/発表者名: Uesaka, M., Kuratani, S., and Irie, N.
  • 雑誌名: J Exp Zool B Mol Dev Evol. 巻: in press 号: 1-2 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1002/jez.b.23027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] How can recapitulation be reconciled with modern concepts of evolution? (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuratani S, Uesaka M, Irie N.
  • 雑誌名: J Exp Zool B Mol Dev Evol. 巻: in press 号: 1-2 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1002/jez.b.23020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genomic insights of body plan transitions from bilateral to pentameric symmetry in Echinoderms (2020)
  • 著者名/発表者名: Yongxin Li, et al. (35名中 35番目 Naoki Irie*)
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 3:371 号: 1 ページ: 371-371
  • DOI: 10.1038/s42003-020-1091-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Toward understanding of evolutionary constraints: experimental and theoretical approaches (2020)
  • 著者名/発表者名: Chikara Furusawa*, Naoki Irie*
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 12 号: 5 ページ: 1155-1161
  • DOI: 10.1007/s12551-020-00708-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The developmental transcriptome for Lytechinus variegatus exhibits temporally punctuated gene expression changes (2020)
  • 著者名/発表者名: John D. Hogan, et al. (Naoki Irie 19名中16番目)
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: 460:2 号: 2 ページ: 139-154
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2019.12.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Recapitulation-like developmental transitions of chromatin accessibility in vertebrates (2019)
  • 著者名/発表者名: Uesaka Masahiro、Kuratani Shigeru、Takeda Hiroyuki、Irie Naoki
  • 雑誌名: Zoological Letters 巻: 5 号: 1 ページ: 33-33
  • DOI: 10.1186/s40851-019-0148-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The phylum Vertebrata: a case for zoological recognition. (2018)
  • 著者名/発表者名: Irie, N., Kuratani, S., and Satoh, N.
  • 雑誌名: Zoological Lett 巻: 4 号: 1 ページ: 32-32
  • DOI: 10.1186/s40851-018-0114-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Embryonic lethality is not sufficient to explain hourglass-like conservation of vertebrate embryos (2018)
  • 著者名/発表者名: Yui Uchida, Masahiro Uesaka, Takayoshi Yamamoto, Hiroyuki Takeda and Naoki Irie
  • 雑誌名: EvoDevo 巻: 9:7 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1186/s13227-018-0095-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Centromere evolution and CpG methylation during vertebrate speciation (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Ichikawa, Shingo Tomioka, Yuta Suzuki, Ryohei Nakamura, Koichiro Doi, Jun Yoshimura, Masahiko Kumagai, Yusuke Inoue, Yui Uchida, Naoki Irie, Hiroyuki Takeda* & Shinich Morishita*
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 1833 号: 1 ページ: 1722-1730
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01982-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Weighted gene co-expression network analysis reveals potential genes involved in early metamorphosis process in sea cucumber Apostichopus japonicus (2017)
  • 著者名/発表者名: Yongxin Li, Mani Kikuchi, Xueyan Li, Qionghua Gao, Zijun Xiong, Yandong Ren, Ruoping Zhao, Bingyu Mao, Mariko Kondo, Naoki Irie, Wen Wang*
  • 雑誌名: BBRC 巻: 495:1 号: 1 ページ: 1395-1402
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.11.154
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constrained vertebrate evolution by pleiotropic genes. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hu H, Uesaka M, Guo S, Shimai K, Lu TM, Li F, Fujimoto S, Ishikawa M, Liu S, Sasagawa Y, Zhang G, Kuratani S, Yu JK, Kusakabe TG, Khaitovich P, Irie N; EXPANDE Consortium.
  • 雑誌名: Nat Ecol Evol 巻: 1 号: 11 ページ: 1722-1730
  • DOI: 10.1038/s41559-017-0318-0
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 動物の解剖学的基本パターンはなぜ進化的に保守的なのか (2022)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: 第127 回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Can we predict evolutionary outcome of animal body plan? (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: International Congress of Zoology Cape Town
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Internal factors of biological system that biases evolutionary outcome (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: ICG-16, Qindao
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Possible constraints by developmental robustness (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: 2nd AsiaEvo
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 発生頑健性による進化の慣性力 (2021)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Developmental robustness may bias macroevolutionary outcome (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: 17th Spanish Society for Developmental Biology Meeting (Spain, online)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 動物表現型進化の予測にむけて (2020)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: ExCELLS シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 動物ボディプランにみられる進化的慣性力の仕組みは？ (2020)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: 日本進化学会
  • 招待講演
• [学会発表] 遺伝子の使い回しは多様化にとって諸刃の剣か (2020)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Potential double-edged sword effect of gene re-usage toward evolutionary diversification (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: Molecular Biology Society of Japan
• [学会発表] Possible bias toward micro- and macro-evolutionary conservation by developmental systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: Workshoo reconciling micro-macro evolution (Oslo)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Do echinoderm embryos follow hourglass-like divergence? (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: ICG-Ocean 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] What makes animal embryos to follow the hourglass model? (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: 日本生物物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Could have “small phenotypic fluctuation” contributed to the evolutionary conservation in vertebrate embryogenesis? (2019)
  • 著者名/発表者名: Yui Uchida, Naoki Irie
  • 学会等名: 21st Annual Meeting of the Society of Evolutionary Studies, Japan
• [学会発表] Development and Evolution (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: SERB School in Evolutionary Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The developmental hourglass model in animal embryogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: Developmental Biology of Sea Urchin and other Marine Invertebrates
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cost of complexity” contributed to the vertebrate bodyplan conservation? (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: Euro EvoDevo
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gene re-usages constrained the evolvability of animal bodyplan? (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: EvoDevo Seminar series, Cambridge University
  • 招待講演
• [学会発表] “Cost of complexity” hypothesis supported in animal embryonic evolution? (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: The 1st AsiaEvo conference
  • 国際学会
• [学会発表] 遺伝子の使い回しは進化にとって諸刃の剣か？ (2018)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: 再生学異分野融合研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 表現型揺らぎから探る進化の方向性と拘 (2018)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: 日本進化学会
• [学会発表] 複雑な遺伝子制御を持つ動物ほど進化可能性が低いかもしれない (2018)
  • 著者名/発表者名: 入江直樹
  • 学会等名: 生命の起源および進化学会
  • 招待講演
• [学会発表] In search for a general law of animal embryonic evolution? (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: he 12th International Workshop on Advanced Genomics [12AGW]
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] What are the potential mechanisms that made vertebrates’ bodyplan conserved? (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: 50th Anniversary Meeting of Japanese Society of Developmental Biologists
• [学会発表] The developmental hourglass model: the law of embryonic evolution? (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: From Genetic Networks to a Cellular Wiring Diagram
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 複雑な遺伝子制御を持つ動物ほど進化可能性が低いかもしれない (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoki Irie
  • 学会等名: 生命の起源および進化学会
  • 招待講演
• [備考] 入江直樹研究室
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~hassei/irie/index.html#home
• [備考] 新学術領域 進化制約方向性
  • URL: http://constrained-evo.org/
• [備考] 研究室ウェブサイト
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~hassei/irie/index.html#home
• [学会・シンポジウム開催] CDE Open Online Seminar series(1 ~ 3回) (2020)