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

2021 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: 17H06387
• 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
• キーワード: 進化生物学 / 発生生物学 / 頑健性 / 安定性

研究実績の概要

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）に寄与しているとする理論予測を、実験的に裏付けることができるかどうかを検証したものである。
脊椎動物胚を用いた詳細な解析の結果、脊椎動物の基本構造が構築される発生段階（ファイロティピック段階）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、メダカ近交系の解析および、異なる系統の掛け合わせ実験などから示唆された。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。従来、遺伝子の使いまわし(gene co-option)は新規形質の獲得に寄与する多様化の促進因子だと考えられてきたが、本発見は、同時に多様化を制限する諸刃の剣である可能性を強く示唆するものである。
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）を解明した研究と考えている。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、今後の進化生物学にとって大きな成果だと考えている。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [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 ページ: -
  • 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: Sumio Udagawa, Akiko Nagai, Mani Kikuchi, Akihito Omori, Atsushi Tajika, Mieko Saito, Toru Miura, Naoki Irie, Yasuhiro Kamei, Mariko Kondo
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: 492 ページ: 71-87
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2022.09.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Potential contribution of intrinsic developmental stability toward body plan conservation (2022)
  • 著者名/発表者名: Yui Uchida*, Shuji Shigenobu, Hiroyuki Takeda, Chikara Furusawa & Naoki Irie*
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 20, 82 ページ: -
  • 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 ページ: -
  • 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: Satoko Fujimoto Kaori Yamanaka Chiharu Tanegashima Osamu Nishimura Shigehiro Kuraku Shigeru Kuratani Naoki Irie*
  • 雑誌名: Journal of Experimental Zoology, part B 巻: 338(1-2) ページ: 76-78
  • DOI: 10.1002/jez.b.23032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The developmental hourglass model and recapitulation: An attempt to integrate the two models (2022)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Uesaka, Shigeru Kuratani, Naoki Irie
  • 雑誌名: Journal of Experimental Zoology, part B 巻: Volume338, Issue1-2 ページ: -
  • 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? (2022)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kuratani, Masahiro Uesaka, Naoki Irie
  • 雑誌名: Journal of Experimental Zoology, part B 巻: Volume338, Issue1-2 ページ: 28-35
  • DOI: 10.1002/jez.b.23020
• [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 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.749963
  • 査読あり / オープンアクセス / 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