脊椎動物の筋骨格系の形態進化に見る制約と方向性

2017 年度 実績報告書

• 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: 17H06385
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 倉谷 滋 国立研究開発法人理化学研究所, 倉谷形態進化研究室, 主任研究員 (00178089)
• 研究分担者: PASCUAL JUAN 国立研究開発法人理化学研究所, 倉谷形態進化研究室, 研究員 (30594098) ; 平沢 達矢 国立研究開発法人理化学研究所, 倉谷形態進化研究室, 研究員 (60585793)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 脊椎動物 / 発生 / 進化 / 骨格筋 / 腱

研究実績の概要

カメの進化において生じた筋-骨格結合関係の変化に注目した。カメでは胸筋の近位部が胸骨の外側ではなく、皮骨性腹甲の内側に付着する。組織学的検索を行ったところ、胸筋がその分化段階で真皮の内側と結合を形成し、腹甲の成長、真皮の縮退にともなって二次的に胸筋と腹甲が接することが分かった。また、腱前駆細胞に発現するScxはここには発現しない（ニワトリやマウスでは胸筋原基と胸骨原基の間にScx発現細胞が認められる）。真皮内側に結合する筋としては哺乳類において胸筋の一部から進化した皮幹筋があるが、先行研究によると、皮幹筋原基が真皮と結合する過程にFat1が関与する。カメ胚におけるFat1遺伝子の発現を解析したところ、胸筋と真皮が結合を形成する領域でFat1発現が観察され、Scx発現が欠如しFat1発現が見られる点でマウス皮幹筋の発生と類似性を持つことが判明した。さらに、舌筋原基が舌内部に入り込んで舌粘膜（真皮相当）内側と結合する際にも、Scxを発現せずFat1を発現する細胞が結合を介在しているらしいという予察的な観察結果をマウス胚から得ている。以上より、現時点では、カメの胸筋は腱前駆細胞との相互作用から解除されて真皮の内側と結合を形成するに至ったものと推測される。このことは、筋の発生機構上は筋-骨格結合の「切り離し」も進化可能であることを考慮する必要性を示唆している。

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

カメの進化において変化の大きかった四肢筋の発生と組織構築については、予想外のデータが得られ、おおむね順調に研究を進めることができていると考える。

今後の研究の推進方策

カメのような非モデル動物において、遺伝子の改変や、実験発生学的手法を用いることは容易ではない。また、たんなる遺伝子の機能解析に陥ることのない、進化的文脈における表現型模写実験、もしくはそれと同等の操作が以下に可能か、今後検討する必要がある。ニワトリにおける骨格原基の除去実験がいまのところ唯一可能な実験かも知れない。いずれにせよ、今後の展開は、脊椎動物の進化発生学における本質的な意義に関わることであり、概念的、方法論的な考察を含め、じっくりと取り組んでゆきたい。

研究成果

• [国際共同研究] Uppsala University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Uppsala University
• [国際共同研究] Academia Sinica(台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: Academia Sinica
• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences,(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chinese Academy of Sciences,
• [国際共同研究] University of Essex(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Essex
• [国際共同研究] Universidad de Navarra(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Universidad de Navarra
• [雑誌論文] The neural crest and evolution of the head/trunk interface in vertebrates. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuratani, S., Kusakabe, R., and Hirasawa, T.
  • 雑誌名: Dev Biol. 巻: 444 ページ: S60-66
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2018.01.017
• [雑誌論文] Expansions, diversification, and interindividual copy number variations of AID/APOBEC family cytidine deaminase genes in lampreys. (2018)
  • 著者名/発表者名: Holland SJ, Berghuis LM, King JJ, Iyer LM, Sikora K, Fifield H, Peter S, Quinlan EM, Sugahara F, Shingate P, Trancoso I, Iwanami N, Temereva E, Strohmeier C, Kuratani S, Venkatesh B, Evanno G, Aravind L, Schorpp M, Larijani M, Boehm T.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A. 巻: 115 ページ: E3211-E3220
  • DOI: 10.1073/pnas.1720871115
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of hypobranchial muscles with special reference to the evolution of the vertebrate neck. (2018)
  • 著者名/発表者名: Adachi N, Pascual-Anaya J, Hirai T, Higuchi S, Kuratani S.
  • 雑誌名: Zoological Lett 巻: 4 ページ: 5
  • DOI: 10.1186/s40851-018-0087-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evolution of the vertebrate neurocranium: problems of the premandibular domain and the origin of the trabecula. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuratani S, Ahlberg PE.
  • 雑誌名: Zoological Lett. 巻: 4 ページ: 1
  • DOI: 10.1186/s40851-017-0083-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Metamerism in cephalochordates and the problem of the vertebrate head. (2017)
  • 著者名/発表者名: Onai T, Adachi N, Kuratani S.
  • 雑誌名: Int J Dev Biol. 巻: 61 ページ: 621-631
  • DOI: 10.1186/s40851-017-0083-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anatomical integration of the sacral-hindlimb unit coordinated by GDF11 underlies variation in hindlimb positioning in tetrapods (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsubara Y, Hirasawa T, Egawa S, Hattori A, Suganuma T, Kohara Y, Nagai T, Tamura K, Kuratani S, Kuroiwa A, Suzuki T.
  • 雑誌名: Nat Ecol Evol. 巻: 1 ページ: 1392-1399
  • DOI: 10.1038/s41559-017-0247-y.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Migratory appendicular muscles precursor cells in the common ancestor to all vertebrates. (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto E, Kusakabe R, Kuraku S, Hyodo S, Robert-Moreno A, Onimaru K, Sharpe J, Kuratani S, Tanaka M.
  • 雑誌名: Nat Ecol Evol. 巻: 1 ページ: 1731-1736
  • DOI: 10.1038/s41559-017-0330-4
  • 査読あり
• [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 ページ: 1722-1730
  • DOI: 10.1038/s41559-017-0318-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nitric Oxide regulates mouth development in amphioxus. (2017)
  • 著者名/発表者名: Annona G, Caccavale F, Pascual-Anaya J, Kuratani S, De Luca P, Palumbo A, D'Aniello S.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 7 ページ: 8432
  • DOI: 10.1038/s41598-017-08157-w.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Differing contributions of the first and second pharyngeal arches to tympanic membrane formation in the mouse and chick. (2017)
  • 著者名/発表者名: Furutera T, Takechi M, Kitazawa T, Takei J, Yamada T, Vu Hoang T, Rijli FM, Kurihara H, Kuratani S, Iseki S.
  • 雑誌名: Development. 巻: 144 ページ: 3315-3324
  • DOI: 10.1242/dev.149765
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] かたちの進化と発生 (2018)
  • 著者名/発表者名: 倉谷 滋
  • 学会等名: 名古屋大学EGER グリーン自然科学レクチャー
  • 招待講演
• [備考] 理化学研究所 研究室紹介
  • URL: http://www.riken.jp/research/labs/chief/evol_morphol/
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.cdb.riken.jp/emo/japanese/indexj.html