ゲノム情報を用いたハブ毒タンパク質の包括的多様性および進化過程の解明

• 研究課題/領域番号: 18H02498
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分45030:多様性生物学および分類学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 柴田 弘紀 九州大学, 生体防御医学研究所, 准教授 (80315093)
• 研究分担者: 小川 智久 東北大学, 農学研究科, 教授 (80240901)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2021年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
• キーワード: 遺伝的多様性 / ハブ / 毒液タンパク質 / 加速進化 / 系統地理学 / 毒液 / 蛇毒

研究成果の概要

沖縄本島、小宝島、西表島産個体の全ゲノムアセンブリを取得し（先進ゲノム支援による）、金属プロテアーゼなどの毒液タンパク質遺伝子族で、集団間でクラスター構造が異なることを見出した。また14島計150個体のmtDNA配列を取得し集団遺伝学的解析を行い、ハブの集団構造には地理的要因が強く影響することを示した。また、9島47個体の毒腺のRNAseqで、集団間で有意に発現量の異なる遺伝子を同定したが毒液タンパク質遺伝子はほぼ含まれていなかった。一方毒液の2D解析では、集団間で発現パターンの明確な違いが観察された。そのため毒液タンパク質発現の集団間の差異は、翻訳/修飾レベルで生じ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

本研究計画で行った複数集団のハブの全ゲノム、毒腺トランスクリプトームおよび毒液プロテオーム解析から、毒液タンパク質発現の集団間多様性は、遺伝子クラスター構造の差異によって生じることに加えて、翻訳/修飾レベルでも生じている可能性が示唆され、既報告の加速進化や選択的スプライシングに加えて（Shibata et al. 2018; Ogawa et al. 2019）、毒液タンパク質の多様化をもたらす新たな機構と考えられた。さらに、集団遺伝学的解析のために取得した14島からの計150個体についてのmtDNAの変異情報は、今般の「奄美・沖縄」の世界自然遺産登録後の環境保全に資する基盤的データとなった。

研究成果

• [雑誌論文] Active Expression of Genes for Protein Modification Enzymes in the Venom Gland of Habu Snakes. (2022)
  • 著者名/発表者名: Isomoto A, Shoguchi E, Hisata K, Inoue J, K, Sun Y, Inaba K, Satoh N, Ogawa T, Shibata H.
  • 雑誌名: Toxins 巻: 14 ページ: 300-300
  • 査読あり
• [雑誌論文] Venomics Study of <i>Protobothrops flavoviridis</i> Snake: How Venom Proteins Have Evolved and Diversified? (2020)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Tomohisa、Shibata Hiroki
  • 雑誌名: Medical Toxicology 巻: -
  • DOI: 10.5772/intechopen.91960
  • ISBN: 9781838802776, 9781838802783
• [雑誌論文] The Indian cobra reference genome and transcriptome enables comprehensive identification of venom toxins (2020)
  • 著者名/発表者名: Suryamohan K, Krishnankutty SP, Guillory J, Jevit M, Schroeder M, Wu M et al.
  • 雑誌名: Nature Genetics 巻: 52 号: 1 ページ: 106-117
  • DOI: 10.1038/s41588-019-0559-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of the Gene Encoding a Novel Small Serum Protein (SSP) of Protobothrops flavoviridis and the Evolution of SSPs (2020)
  • 著者名/発表者名: Inamaru Kento、Takeuchi Ami、Maeda Marie、Shibata Hiroki、Fukumaki Yasuyuki、Oda-Ueda Naoko、Hattori Shosaku、Ohno Motonori、Chijiwa Takahito
  • 雑誌名: Toxins 巻: 12 号: 3 ページ: 177-177
  • DOI: 10.3390/toxins12030177
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unique structure (construction and configuration) and evolution of the array of small serum protein genes of Protobothrops flavoviridis snake (2019)
  • 著者名/発表者名: Chijiwa T, Inamaru K, Takeuchi A, Maeda M, Yamaguchi K, Shibata H, Hattori S, Oda-Ueda N, Ohno M.
  • 雑誌名: Bioscience Reports 巻: 39 号: 7
  • DOI: 10.1042/bsr20190560
  • 査読あり
• [雑誌論文] Alternative mRNA Splicing in Three Venom Families Underlying a Possible Production of Divergent Venom Proteins of the Habu Snake, Protobothrops flavoviridis (2019)
  • 著者名/発表者名: Ogawa T, Oda-Ueda N, Hisata K, Nakamura H, Chijiwa T, Hattori S, Isomoto A, Yugeta H, Yamasaki S, Fukumaki Y, Ohno M, Satoh N, Shibata H
  • 雑誌名: Toxins 巻: 11 号: 10 ページ: 581-581
  • DOI: 10.3390/toxins11100581
  • 査読あり
• [雑誌論文] An albino mutant of the Japanese rat snake (<i>Elaphe climacophora</i>) carries a nonsense mutation in the tyrosinase gene (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwanishi S, Zaitsu S, Shibata H, Nitasaka E.
  • 雑誌名: Genes & Genetic Systems 巻: 93 号: 4 ページ: 163-167
  • DOI: 10.1266/ggs.18-00021
  • NAID: 130007503883
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • 年月日: 2018-08-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] The habu genome reveals an evolutionary background of venom protein genes. (2018)
  • 著者名/発表者名: Shibata H, Chijiwa T, Oda-Ueda N, Nakamura H, Yamaguchi K, Hattori S, Matsubara K, Matsuda Y, Yamashita A, Isomoto A, Mori K, Tashiro K, Kuhara S, Yamasaki S, Fujie M, Goto H, Koyanagi R, Takeuchi T, Fukumaki Y, Ohno M, Shoguchi E, Hisata K, Satoh N, Ogawa T.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 8 号: 1 ページ: 11300-11300
  • DOI: 10.1038/s41598-018-28749-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 南西諸島14島からの109個体を用いたハブの集団構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 比留木 成美、手島 康介、寺田 考紀、服部 正策、柴田 弘紀
  • 学会等名: 日本遺伝学会第93回大会、学習院大学目白キャンパス
• [学会発表] 人工抗毒素産生系開発に向けた抗毒素のレパトア解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 孫 崟瑞、範 駱鳴、小川 智久、柴田 弘紀
  • 学会等名: 第67回トキシンシンポジウム、バーチャルシンポジウム
• [学会発表] 比較ゲノミクスとタンパク質構造予測から推定されたヘビSmall Serum Proteins（SSPs）の進化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 稲丸 賢人、竹内 亜美、前田 真理恵、柴田 弘紀、服巻 保幸、上田 直子、服部 正策、大野 素徳、千々岩 崇仁
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会、パシフィコ横浜
• [学会発表] Diversity and evolution of venom protein genes of a Japanese endemic pit viper, habu, Protobothrops flavoviridis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shibata H.
  • 学会等名: The 1st NUS-FU-KU Joint Symposium on Biochemistry in FUKUOKA, Fukuoka University, Fukuoka, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Habu snake (Protobothrops flavoviridis) genome study: Genomic architecture implicated in the multiplication and accelerated evolution of venom protein. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shibata H, Oda-Ueda N, Chijiwa T, Nakamura H, Yamaguchi K, Hattori S, Matsubara K, Matsuda Y, Koyanagi R, Fukumaki Y, Ohno M, Shoguchi E, Satoh N, Ogawa T.
  • 学会等名: EMBO/EMBL Symposium: Systems Genetics: From Genomes to Complex Traits, Heidelberg, Germany.
  • 国際学会
• [学会発表] Identification of non-venom protein genes highly expressed in the venom gland of habu (Protobothrops flavoviridis) and their potential contribution to the quality control of venom proteins. (2019)
  • 著者名/発表者名: Isomoto A, Hisata K, Inoue J, Shoguchi E, Satoh N, Ogawa T, Shibata H.
  • 学会等名: 20th World Congress of the International Society of Toxinology, Buenos Aires, Argentina.
  • 国際学会
• [学会発表] Whole genome sequencing of a Japanese endemic pit viper, habu, Protobothrops flavoviridis reveals accelerated evolution of venom protein genes enriched in microchromosomal regions. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shibata H.
  • 学会等名: Integrative Organismal Biology Symposium: Integrating Structural Biology with ‘Omics in Asia-Pacific’, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ハブベノミクス研究：多様な毒タンパク質は、どのように生み出されるのか？ (2019)
  • 著者名/発表者名: 小川智久、上田直子、千々岩崇仁、佐藤矩行、柴田弘紀
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会、福岡国際会議場、福岡
• [学会発表] ホンハブのSSP遺伝子アレイの決定と獲得過程 (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲丸賢人、竹内亜美、前田真理恵、柴田弘紀、服巻保幸、上田直子、服部正策、大野素徳、千々岩崇仁
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会、福岡国際会議場、福岡
• [学会発表] ホンハブのSSP遺伝子アレイの決定と獲得過程 (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲丸賢人、竹内亜美、前田真理恵、柴田弘紀、服巻保幸、上田直子、服部正策、大野素徳、千々岩崇仁
  • 学会等名: 日本爬虫両棲類学会第58回大会、岡山理科大学、岡山
• [学会発表] Whole genome sequencing of a Japanese endemic pit viper, habu, Protobothrops flavoviridis reveals accelerated evolution of venom protein genes enriched in microchromosomal regions. (2018)
  • 著者名/発表者名: Shibata H, Chijiwa T, Oda-Ueda N, Yamaguchi K, Hattori S, Matsubara K, Matsuda Y, Isomoto A, Koyanagi R, Hisata K, Fukumaki Y, Ohno M, Shoguchi E, Satoh N, Ogawa
  • 学会等名: The International Society of Toxinology 2018 European Section Congress, Yerevan, Armenia.
  • 国際学会
• [学会発表] ホンハブのSmall Serum Protein (SSP)遺伝子アレイの特異な構造と進化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 稲丸賢人、千々岩崇仁、竹内亜美、前田真理恵、山口和晃、柴田弘紀、服部正策、上田直子、大野素徳
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会、パシフィコ横浜
• [学会発表] Whole genome sequencing of a Japanese endemic pit viper, habu, Protobothrops flavoviridis reveals accelerated evolution of venom protein genes enriched in microchromosomal regions. (2018)
  • 著者名/発表者名: Shibata H, Chijiwa T, Oda-Ueda N, Yamaguchi K, Hattori S, Matsubara K, Matsuda Y, Koyanagi R, Hisata K, Fukumaki Y, Ohno M, Shoguchi E, Satoh N, Ogawa T.
  • 学会等名: SMBE 2018, Yokohama, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] ハブ（Protobothrops flavoviridis）の全ゲノム配列決定から明らかになった毒液関連遺伝子群の多重化および加速進化と染色体構造との関係 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柴田弘紀、千々岩崇仁、小田-上田直子、服部正策、松原和純、松田洋一、山崎慎一、藤江学、後藤大輝、小柳亮、竹内猛、服巻保幸、大野素徳、将口栄一、久田香奈子、佐藤矩行、小川智久
  • 学会等名: 日本爬虫両棲類学会第57回大会、麻布大学、相模原
• [図書] 毒ヘビ全書 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田原 義太慶、柴田 弘紀、友永 達也
  • 総ページ数: 336
  • 出版者: グラフィック社
  • ISBN: 9784766133134
• [図書] Biomineralization: From Molecular and Nano-structural Analyses to Environmental Science. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ogawa T, Sekikawa A, Sato H, Muramoto K, Shibata H, Hattori S.
  • 総ページ数: 413
  • 出版者: Springer Nature, Singapore
  • ISBN: 9789811310010