全ゲノム比較解析で解き明かす多細胞化と雌雄性の進化

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02518
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 野崎 久義 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (40250104)
• 研究分担者: 宮城島 進也 国立遺伝学研究所, 遺伝形質研究系, 教授 (00443036) ; 関本 弘之 日本女子大学, 理学部, 教授 (20281652) ; 西山 智明 金沢大学, 学際科学実験センター, 助教 (50390688)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 多細胞化 / 雌雄性の進化 / 性染色体領域 / 群体性ボルボックス目 / 性決定遺伝子 / 全ゲノム解析

研究実績の概要

これまでに我々は多細胞化と性進化のモデル生物群「群体性ボルボックス目」からオス特異的遺伝子“OTOKOGI”(PlestMID)を単離することに成功し（Nozaki et al. 2006, Curr. Biol.16: R1018）、“OTOKOGI”を端としたゲノム解読から卵生殖のボルボックス（Volvox）の雌雄の性染色体（性決定）領域（MT）をゲノム解読し、近縁な同型配偶のクラミドモナス（Chlamydomonas）と比較した (Ferris et al. 2010, Science 328: 351)。その結果、ボルボックスのMTはクラミドモナスの5倍の大きさの1Mbを超える巨大なものであり、その中に13個の雌雄に特異的な新規遺伝子が明らかになり、MTにおけるこれらの進化が同型配偶から雌雄性を獲得する原因となったことが推測された。今回我々は両者の中間的進化段階で同型配偶から異型配偶の進化を橋渡しするヤマギシエラ（Yamagishiella：同型配偶）とユードリナ（Eudorina：異型配偶）の両性の全ゲノム配列を得て、MTの全貌を明らかにした。その結果、ヤマギシエラとユードリナのMT は7-268 kbの小さい領域であり、オス（交配型マイナス）特異的遺伝子はOTOKOGI/MIDだけであった。このことはオス側では1個の性特異的遺伝子だけで異型配偶化が可能であり、卵生殖のボルボックスの段階で新たなる性特異的遺伝子の獲得とMTの拡大が起きたことが推測された（Hamaji et al. 2018, Communications Biology 1: 17）。また、群体性ボルボックス目の祖先形質再構成の解析を実施した結果、多細胞化が有性生殖の進化を促進する傾向にあると示唆された（Hanschen et al. 2018, Am. Nat. 192: E93-E105.）。

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

群体性ボルボックス目の全ゲノム比較解析の結果、オス側では1個の性特異的遺伝子だけで異型配偶化が可能であり、卵生殖のボルボックスの段階で新たなる性特異的遺伝子の獲得とMTの拡大が起きたことが推測された（Hamaji et al. 2018, Communications Biology 1: 17）。また、祖先形質再構成の解析を実施した結果、多細胞化が有性生殖の進化を促進する傾向にあると示唆された（Hanschen et al. 2018, Am. Nat. 192: E93-E105.）。

今後の研究の推進方策

オス/交配型マイナスの遺伝子MID/OTOKOGIが群体性ボルボックス目の雌雄性獲得前後で機能が変化したことが推測され、本遺伝子の下流遺伝子を探る解析を実施する。

研究成果

• [国際共同研究] コンケン大学(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: コンケン大学
• [国際共同研究] 中央研究院(その他の国・地域 台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 中央研究院
• [国際共同研究] アリゾナ大学/Donald Danforth Plant Science Center/カンサス州立大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: アリゾナ大学/Donald Danforth Plant Science Center/カンサス州立大学
• [国際共同研究] ウィットウォーターズランド大学(南アフリカ)
  • 国名: 南アフリカ
  • 外国機関名: ウィットウォーターズランド大学
• [雑誌論文] Ultrastructure of the marine benthic dinoflagellate Plagiodinium belizeanum (Dinophyceae) from the southeast Pacific island of Okinawa, Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Wakeman Kevin C.、Hoppenrath Mona、Yamaguchi Aika、Gavelis Greg S.、Leander Brian S.、Nozaki Hisayoshi
  • 雑誌名: Phycologia 巻: 57 ページ: 209～222
  • DOI: 10.2216/17-43.1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anisogamy evolved with a reduced sex-determining region in volvocine green algae (2018)
  • 著者名/発表者名: Hamaji Takashi、Kawai-Toyooka Hiroko、Uchimura Haruka、Suzuki Masahiro、Noguchi Hideki、Minakuchi Yohei、Toyoda Atsushi、Fujiyama Asao、Miyagishima Shin-ya、Umen James G.、Nozaki Hisayoshi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 1 ページ: 17
  • DOI: 10.1038/s42003-018-0019-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Taxonomic revision of Chloromonas nivalis (Volvocales, Chlorophyceae) strains, with the new description of two snow-inhabiting Chloromonas species (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki Ryo、Nozaki Hisayoshi、Kawachi Masanobu
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 13 ページ: e0193603
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0193603
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multicellularity Drives the Evolution of Sexual Traits (2018)
  • 著者名/発表者名: Hanschen Erik R.、Herron Matthew D.、Wiens John J.、Nozaki Hisayoshi、Michod Richard E.
  • 雑誌名: The American Naturalist 巻: 192 ページ: E93～E105
  • DOI: 10.1086/698301
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Genetic basis for soma is present in undifferentiated volvocine green algae (2017)
  • 著者名/発表者名: Grochau-Wright Z. I.、Hanschen E. R.、Ferris P. J.、Hamaji T.、Nozaki H.、Olson B. J. S. C.、Michod R. E.
  • 雑誌名: Journal of Evolutionary Biology 巻: 30 ページ: 1205～1218
  • DOI: 10.1111/jeb.13100
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular evolutionary analysis of a gender-limited MID ortholog from the homothallic species Volvox africanus with male and monoecious spheroids (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kayoko、Kawai-Toyooka Hiroko、Hamaji Takashi、Tsuchikane Yuki、Mori Toshiyuki、Takahashi Fumio、Sekimoto Hiroyuki、Ferris Patrick J.、Nozaki Hisayoshi
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 12 ページ: e0180313
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0180313
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Acidophilic green algal genome provides insights into adaptation to an acidic environment (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirooka Shunsuke、Hirose Yuu、Kanesaki Yu、Higuchi Sumio、Fujiwara Takayuki、Onuma Ryo、Era Atsuko、Ohbayashi Ryudo、Uzuka Akihiro、Nozaki Hisayoshi、Yoshikawa Hirofumi、Miyagishima Shin-ya
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 114 ページ: E8304～E8313
  • DOI: 10.1073/pnas.1707072114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cell size for commitment to cell division and number of successive cell divisions in multicellular volvocine green algae <i>Tetrabaena socialis</i> and <i>Gonium pectorale</i> (2017)
  • 著者名/発表者名: JONG Lin Wei、FUJIWARA Takayuki、NOZAKI Hisayoshi、MIYAGISHIMA Shin-ya
  • 雑誌名: Proceedings of the Japan Academy, Series B 巻: 93 ページ: 832～840
  • DOI: 10.2183/pjab.93.052
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evolution of cytokinesis-related protein localization during the emergence of multicellularity in volvocine green algae (2017)
  • 著者名/発表者名: Arakaki Yoko、Fujiwara Takayuki、Kawai-Toyooka Hiroko、Kawafune Kaoru、Featherston Jonathan、Durand Pierre M.、Miyagishima Shin-ya、Nozaki Hisayoshi
  • 雑誌名: BMC Evolutionary Biology 巻: 17 ページ: 243
  • DOI: 10.1186/s12862-017-1091-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The 4-Celled Tetrabaena socialis Nuclear Genome Reveals the Essential Components for Genetic Control of Cell Number at the Origin of Multicellularity in the Volvocine Lineage (2017)
  • 著者名/発表者名: Featherston Jonathan、Arakaki Yoko、Hanschen Erik R、Ferris Patrick J、Michod Richard E、Olson Bradley J S C、Nozaki Hisayoshi、Durand Pierre M
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution 巻: 35 ページ: 855～870
  • DOI: 10.1093/molbev/msx332
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Repeated evolution and reversibility of self-fertilization in the volvocine green algae* (2017)
  • 著者名/発表者名: Hanschen Erik R.、Herron Matthew D.、Wiens John J.、Nozaki Hisayoshi、Michod Richard E.
  • 雑誌名: Evolution 巻: 72 ページ: 386～398
  • DOI: 10.1111/evo.13394
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 「リング」を去り「性」の研究に賭ける (2018)
  • 著者名/発表者名: 野崎久義
  • 学会等名: 第6回生殖若手の会
  • 招待講演
• [学会発表] Systematics and evolution of freshwater algae (2018)
  • 著者名/発表者名: Nozaki, H.
  • 学会等名: Special Seminar, Department of Biology, Faculty of Science, Khon Kaen University
  • 国際学会
• [学会発表] Volvocine green algae inviting you to 200 MYA time travel for evolution of female-male and muticellularity (2018)
  • 著者名/発表者名: Nozaki, H.
  • 学会等名: Biology Colloquium hosted by Graduate Students’ Society, Department of Biological Sciences, Faulty of Science, National University of Singapore
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 面状群体を形成するゴニウム（緑藻綱、ボルボックス目）の胚発生の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山下翔大、野崎久義
  • 学会等名: 日本植物形態学会第29回大会
• [学会発表] ボルボックス系列緑藻の多細胞化とダイナミン様タンパク質DRP1の局在変化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 新垣陽子、藤原崇之、豊岡博子、川舩かおる、宮城島進也、野崎久義
  • 学会等名: 日本植物形態学会第29回大会
• [学会発表] De novoゲノム配列決定で明らかになったボルボックス科緑藻におけるミトコンドリアDNA形状の進化過程 (2017)
  • 著者名/発表者名: 浜地貴志、豊岡博子、豊田敦、水口洋平、鈴木雅大、藤山秋佐夫、野崎久義、 Smith, David Roy
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] ボルボックス系列緑藻を用いた異型配偶化の解析：縮小した性決定領域を持つ異型配偶ユードリナ (2017)
  • 著者名/発表者名: 豊岡博子、浜地貴志、内村悠、鈴木雅大、豊田敦、野口英樹、水口洋平、藤山秋佐夫、宮城島進也、野崎久義
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] ボルボックス目緑藻テトラバエナの光行動能の検定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 丹野明日翔、中島昌子、植木紀子、新垣陽子、吉村建二郎、野崎久義、久堀徹、若林憲一
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 比較ゲノム解析による好酸性緑藻の酸性環境への適応機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 廣岡俊亮、広瀬侑、兼崎友、樋口澄男、 藤原崇之、大沼亮、恵良厚子、大林龍胆、宇塚明洋、野崎久義、吉川博文、宮城島進也
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 台湾産の Volvox carteri (2017)
  • 著者名/発表者名: 野崎久義、植木紀子、田草川真里、三角修己、Chiang Yin-Ru、Wu Jiunn-Tzong
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] ボルボックスの仲間から性と多細胞の進化を探る ～リングを退きフィールドとゲノム解析に賭ける～ (2017)
  • 著者名/発表者名: 野崎久義
  • 学会等名: 東大理学部 高校生のための冬休み講座 2017
  • 招待講演
• [学会発表] Volvox carteri from Taiwan (2017)
  • 著者名/発表者名: Nozaki, H. Ueki, N., Takusagawa, M., Yamashita, S., Misumi, O., Yin-Ru Chiang, Y.-R. and Wu, J.-T.
  • 学会等名: The Fourth International Volvox Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Multicellularity drives the evolution of sexual traits (2017)
  • 著者名/発表者名: Hanschen, E., Herron, M. D., Wiens, J. J., Ferris, P. J., Nozaki, H. and Michod, R. E.
  • 学会等名: The Fourth International Volvox Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Cell biological analysis of the embryogenesis in Gonium (Volvocales, Chlorophyta) (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamashita, S., Noga, A., Hirono, M. and Nozaki, H.
  • 学会等名: The Fourth International Volvox Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Anisogamy evolved with the reduced sex-determining region (2017)
  • 著者名/発表者名: Hamaji, T., Kawai-Toyooka, H., Uchimura, H., Suzuki, M., Noguchi, H., Minakuchi, Y., Toyoda, A., Fujiyama, A., Miyagishima, S., Umen, J. and Nozaki, H.
  • 学会等名: The Fourth International Volvox Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Mating type locus-like regions in the homothallic species Volvox africanus (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, K., Hamaji, T., Kawai-Toyooka, H., Noguchi, H., Minakuchi, Y., Toyoda, A. and Nozaki, H.
  • 学会等名: The Fourth International Volvox Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Identification and characterization of gamete adhesion factor FUS1 orthologs in isogamous Yamagishiella and anisogamous Eudorina (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawai-Toyooka, H., Hamaji, T., Uchimura, H., Suzuki, M., Noguchi, H., Minakuchi, Y., Toyoda, A., Fujiyama, A., Miyagishima, S. and Nozaki, H.
  • 学会等名: The Fourth International Volvox Conference
  • 国際学会
• [備考] 最初のオスとメスを生み出した性染色体領域を全ゲノム解読から解明
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/5786/
• [備考] 多様性起源学研究室ホームページ：ニュース News
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~tayousei/news.html