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: 完了 (2023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。

研究成果の概要

日長の変化に応じて生物が生理機能や行動を変化させる現象は光周性と呼ばれている。この光周性の分子機構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、明瞭な日長応答性を示す機能未知遺伝子（以降、遺伝子X）を新たに発見した。組織学的解析やシングルセル解析を実施したところ、遺伝子Xはよく知られているホルモン産生細胞とは異なる下垂体細胞で特異的に発現していることが明らかとなった。また、ゲノム編集技術を用いてノックアウトメダカを作出し、RNA-seq解析を実施したところ、433個の遺伝子が遺伝子Xによって制御されていることが明らかとなった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光周性は、脊椎動物に限らず、昆虫や植物においても観察され、繁殖や渡り、開花など様々な生命現象において観察される。これらの事実は、光周性が進化上重要な性質であることを強く示唆しているが、光周性の分子機構は完全には明らかとなっていない。本研究では、先行研究において見出した機能未知な遺伝子に着目し、その解析を進めることで、遺伝子Xの特徴を明らかにすることができた。遺伝子Xは多くの脊椎動物で保存されているにも関わらず、その機能が明らかとなっていないため、今後、これらの知見をもとに研究を進めることで、遺伝子Xの機能の解明、さらには動物の季節適応機構の理解がさらに深まることが期待される。

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] A transcriptional program underlying the circannual rhythms of gonadal development in medaka (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Tomoya、Tanikawa Miki、Okushi Yuki、Itoh Thoma、Shimmura Tsuyoshi、Maruyama Michiyo、Yamaguchi Taiki、Matsumiya Akiko、Shinomiya Ai、Guh Ying-Jey、Chen Junfeng、Naruse Kiyoshi、Kudoh Hiroshi、Kondo Yohei、Naoki Honda、Aoki Kazuhiro、Nagano Atsushi J.、Yoshimura Takashi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 号: 52 ページ: 120-120
  • DOI: 10.1073/pnas.2313514120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Orphan nuclear receptor nr4a1 regulates winter depression-like behavior in medaka (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Tomoya、Hirano Fuka、Okushi Yuki、Matsuura Kosuke、Ohashi Miki、Matsumiya Akiko、Yoshimura Takashi
  • 雑誌名: Neuroscience Letters 巻: 814 ページ: 137469-137469
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2023.137469
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] 光情報の季節変化によって制御される動物の生理機能や行動の仕組み (2023)
  • 著者名/発表者名: 中山友哉
  • 学会等名: 日本動物学会 第94回山形大会
  • 招待講演
• [学会発表] 光周反応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, 吉村崇
  • 学会等名: 日本睡眠学会第45回定期学術集会・ 第30回日本時間生物学会学術大会 合同大会
• [学会発表] 日長応答性を示す機能未知遺伝子の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中山友哉, 吉村崇
  • 学会等名: 生物リズム若手研究者の集い2023
• [学会発表] シングルセルマルチオミクスによる日長応答性を示す機能未知遺伝子の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中山友哉, 吉村崇
  • 学会等名: 2023年度「先進ゲノム支援」拡大班会議
• [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] 1年のリズムを刻む概年遺伝子を発見
  • URL: https://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/ja/research/2023/12/post-67.php
• [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