日長応答性を示す機能未知遺伝子の機能解明

• 研究課題/領域番号: 20K15840
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分44050:動物生理化学、生理学および行動学関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 中山 友哉 名古屋大学, 高等研究院(農), 特任助教 (30866661)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 季節適応 / 光周性 / メダカ / 概日時計

研究開始時の研究の概要

四季のある地域に生息する多くの動物は日長を季節の指標として季節の変化を読み取り、その季節に合わせた最適な生理機能や行動をとるよう進化してきた。この性質は光周性と呼ばれており、光周性を示す生命現象も多様である。近年の研究から季節繁殖の分子機構は理解が進んできたものの、その他の光周性を示す生理機能や行動の分子基盤は明らかとなっていない。我々はメダカをモデルとして脊椎動物の光周性の研究をしている中で、日長応答性を示す機能未知な遺伝子を新たに発見した。本研究では、分子生物学的手法を駆使することで新規遺伝子の機能や発現制御機構を明らかにし、光周性の分子基盤や動物の季節適応機構を理解することを目的とする。

研究実績の概要

四季が存在する温帯に生息する多くの動物は、日長を季節の指標に自らの生理機能や行動を変化させることが知られており、この性質は光周性と呼ばれている。近年の研究から季節繁殖の分子機構は理解が進んできたものの、その他の光周性を示す生理機能や行動の分子基盤は明らかとなっていない。そこで、光周性の分子基盤を明らかにすることを目的として、脳の時系列試料を用いた網羅的な遺伝子発現解析を実施したところ、日長応答性を示す機能未知遺伝子（以下、遺伝子X）を新たに発見した。また、興味深いことに遺伝子Xは脊椎動物で広く保存されているにも関わらず、いずれの動物においても機能が明らかとなっていなかった。そこで、遺伝子Xの機能を明らかにするため、CRISPR/Cas9システムを用いて遺伝子Xのノックアウト（KO）メダカを作製した。KOメダカを用いたRNA-seq解析を実施したところ、野生型とKO間で433個の遺伝子の発現に差があることが明らかとなった。現在、これらの遺伝子の情報をもとに表現型解析を実施中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

遺伝子Xの機能を明らかにする上で、ノックアウト（KO）メダカを作製し、その表現型解析を行うことは重要である。これまでゲノム編集技術を用いて遺伝子XのKOメダカを作製することに成功している。また、遺伝子Xが制御する遺伝子を明らかにすることを目的として、KOメダカを用いた網羅的な遺伝子発現解析（RNA-seq解析）を計画していた。RNA-seq解析は既に完了しており、野生型とKO間で433個の遺伝子の発現に差があることが明らかとなった。そのため、遺伝子Xが制御する遺伝子として433個の候補遺伝子を同定することができた。今後は、これら候補遺伝子の機能の情報をもとにKOメダカの表現型解析を行っていく予定である。以上の通り、当初計画していた遺伝子XのKOメダカの作製やそのKOメダカを用いたRNA-seq解析は計画通りに進行している。また、KOメダカの表現型解析で行う内容についても既に見通しが立っているため、（2）おおむね順調に進展しているとした。

今後の研究の推進方策

ゲノム編集技術を用いて遺伝子Xのノックアウト（KO）メダカを作製することができたが、KOメダカの表現型解析を完了できておらず、どのような生理機能や行動を制御しているかは不明のままである。今後、遺伝子Xが制御する生理機能や行動を明らかにするためには、KOメダカを用いた表現型解析が重要になってくる。そのため、今後は作製したKOメダカの数を増やし、KOメダカを用いた表現型解析を実施する。具体的には、短日条件もしくは長日条件の条件にて馴致させたKOメダカを用意し、それぞれの日長条件下における繁殖の状態を観察、定量する。また、常時メダカの行動をトラッキングすることが可能な「AutoCircaS」を用いた行動解析を実施することで、遺伝子Xが行動を制御している可能性を検討する。さらに、シングルセル解析を行うことで、遺伝子Xが発現している細胞集団の同定およびクロマチンの状態を明らかにすることで、遺伝子Xの発現制御機構についても明らかにする予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Norwegian University of Life Sciences(ノルウェー)
• [国際共同研究] Norwegian University of Life Sciences(ノルウェー)
• [雑誌論文] Identification and Characterization of Genes Involved in Vertebrate Photoperiodism (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Tomoya、Okubo Kataaki、Ansai Satoshi、Yoshimura Takashi
  • 雑誌名: Circadian Clocks (Neuromethods) 巻: 186 ページ: 231-257
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2577-4_11
  • ISBN: 9781071625767, 9781071625774
  • 査読あり
• [雑誌論文] Seasonal changes in NRF2 antioxidant pathway regulates winter depression-like behavior (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakayama T, Okimura K, Shen J, Guh Y-J, Tamai K, Shimada A, Minou S, Okushi Y, Shimmura T, Furukawa Y, Kadofusa N, Sato A, Nishimura T, Tanaka M, Nakayama K, Shiina N, Yamamoto N, Loudon A.S, Nishiwaki-Ohkawa T, Shinomiya A, Nabeshima T, Nakane Y, and Yoshimura T
  • 雑誌名: PNAS 巻: - 号: 17 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1073/pnas.2000278117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 日長応答性を示す機能未知遺伝子の発現制御機構の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中山友哉
  • 学会等名: 2022年度「先進ゲノム支援」拡大班会議
• [学会発表] 光周反応を示す機能未知遺伝子の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中山友哉, 安齋賢, Romain Fontaine, Christiaan Henkel, 成瀬清, 吉村崇
  • 学会等名: 第29回日本時間生物学会学術大会
• [学会発表] メダカから明らかとなった動物の季節適応戦略の分子基盤 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中山友哉
  • 学会等名: 生物リズム若手研究者の集い2022
  • 招待講演
• [学会発表] Functional analysis of novel gene that shows photoperiodic responsiveness in medaka fish (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Nakayama, Satoshi Ansai, Kiyoshi Naruse, Takashi Yoshimura
  • 学会等名: 第69回 日本生態学会大会
• [学会発表] トランスクリプトーム解析より明らかになった光周性反応を示す機能未知遺伝子 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中山友哉, 安齋賢, 成瀬清, 吉村崇
  • 学会等名: 令和4年度公益社団法人日本水産学会 春季大会
• [備考] 冬季のうつ様行動を改善する薬を発見！
  • URL: http://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/ja/research/2020/04/post-19.php