脊椎動物の中枢神経系と感覚器の複雑化を可能にしたゲノム基盤の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04724
• 研究機関: 甲南大学
• 研究代表者: 日下部 岳広 甲南大学, 理工学部, 教授 (40280862)
• 研究分担者: 鈴木 穣 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40323646) ; 中井 謙太 東京大学, 医科学研究所, 教授 (60217643)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: ホヤ / メダカ / 脳 / 感覚器 / プラコード / 神経堤 / 進化

研究実績の概要

脊椎動物型視物質オプシンをもつ視細胞を包含し、脳から派生して形成される光受容器は、ホヤと脊椎動物の共通の形質である。ホヤの光受容器は単純な眼点であるのに対し、脊椎動物の眼は多様で特殊化した細胞から構成される精緻で複雑な器官である。光受容器の複雑さの獲得過程とその制御機構の解明を目指し、ホヤと脊椎動物のそれぞれについて、光受容器の発生の制御機構に関する解析を行った。前年度にホヤ胚の脳原基の特定の細胞核をレーザー光照射によって蛍光標識し、発生運命を追跡することにより明らかにしたホヤ眼点の細胞系譜の解析を、さらに発展させて、細胞分裂パターンの制御による眼盃の形態形成機構と転写因子群のダイナミックな発現による眼点視細胞の発生機構を明らかにした。また、視細胞で確立した細胞系譜解析手法を、脊椎動物視床下部ニューロンとの相同性が指摘されているホヤ幼生の脳内細胞群に適用し、細胞系譜を明らかにした。脊椎動物においては、視細胞の多様性を制御する因子の候補として研究代表者らが同定したmiRNAの機能を解析した。CRISPR-Cas9法によるゲノム編集を駆使して、網膜特異的miRNAや視細胞特異的転写に関わるシス制御領域を欠損させたメダカ系統を作製し、次世代シークエンサーを用いて網膜のトランスクリプトーム解析を進めた。その結果、視細胞の多様性制御に関与することが知られている転写因子群やオプシン遺伝子に加え、これまで視細胞の発生・分化や機能制御との関わりが知られていないいくつかの転写因子についても、miRNA欠損網膜で有意に発現量の変動がみられた。これらの転写因子群は網膜の発生や機能制御に関わる可能性がある。さらに、脊椎動物ゲノムを網羅的に解析した結果、網膜における視細胞多様性および色覚機能と視細胞特異的miRNAをコードする遺伝子のゲノム中の有無に相関がみいだされた。

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

前年度に論文発表したホヤ幼生の細胞系譜を詳細に明らかにする手法を、眼点視細胞以外に適用して、脳・感覚器の細胞系譜の解明が進展した。EXPANDEコンソーシアムと共同で明らかにしたカタユウレイボヤトランスクリプトームは、発生段階の網羅性と精緻さにおいて、これまでのホヤを対象とした研究のなかでも突出している。これを用いたホヤ-脊椎動物間のトランスクリプトーム比較解析の論文を発表することができた。また、視細胞特異的miRNAのノックアウト個体のトランスクリプトーム解析と比較ゲノム解析が順調に進み、眼の発生と進化に関して興味深い結果が得られつつある。

今後の研究の推進方策

前年度に引き続き胚組織・器官や遺伝子機能を操作した胚・幼生についてのトランスクリプトーム解析を進めるとともに、脳領域・感覚器の発生への関与が推定される細胞間シグナル分子・受容体、転写因子、ノンコーディングRNAについて、ノックダウン実験やゲノム編集法によるノックアウト、野生型および変異体の強制発現などの実験を行い、表現型の解析、作用する標的分子の同定を行う。ホヤと脊椎動物の相同器官や相同な細胞種の間で、発生プログラムおよび細胞機能の比較を行い、脊椎動物の脳・感覚器の高度な発達の背後にある分子的基盤と脊椎動物ゲノムの特性を考察する。

研究成果

• [国際共同研究] Universite de Montpellier, CNRS/Bioself Communication/LBDV, Sorbonne Universites, CNRS(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite de Montpellier, CNRS/Bioself Communication/LBDV, Sorbonne Universites, CNRS
  • 他の機関数: 4
• [国際共同研究] Kansas State University/Santa Cruz Genomics Institute/New York University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Kansas State University/Santa Cruz Genomics Institute/New York University
  • 他の機関数: 4
• [国際共同研究] Stazione Zoologica Anton Dohrn(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Stazione Zoologica Anton Dohrn
• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences/BGI-Shenzhen/China Pharmaceutical University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chinese Academy of Sciences/BGI-Shenzhen/China Pharmaceutical 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]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] The Use of cis-Regulatory DNAs as Molecular Tools (2018)
  • 著者名/発表者名: Kotaro Shimai and Takehiro G. Kusakabe
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 巻: 1029 ページ: 49～68
  • DOI: 10.1007/978-981-10-7545-2_6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Constrained vertebrate evolution by pleiotropic genes (2017)
  • 著者名/発表者名: Haiyang Hu, Masahiro Uesaka, Song Guo, Kotaro Shimai, Tsai-Ming Lu, Fang Li, Satoko Fujimoto, Masato Ishikawa, Shiping Liu, Yohei Sasagawa, Guojie Zhang, Shigeru Kuratani, Jr-Kai Yu, Takehiro G. Kusakabe, Philipp Khaitovich, Naoki Irie and the EXPANDE Consortium
  • 雑誌名: Nature Ecology & Evolution 巻: 1 ページ: 1722～1730
  • DOI: 10.1038/s41559-017-0318-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ANISEED 2017: extending the integrated ascidian database to the exploration and evolutionary comparison of genome-scale datasets (2017)
  • 著者名/発表者名: Matija Brozovic, et al.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 46 ページ: D718～D725
  • DOI: 10.1093/nar/gkx1108
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evolutionary steps involving counterion displacement in a tunicate opsin (2017)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Kojima, Takahiro Yamashita, Yasushi Imamoto, Takehiro G. Kusakabe, Motoyuki Tsuda, and Yoshinori Shichida
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 114 ページ: 6028～6033
  • DOI: 10.1073/pnas.1701088114
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Evolution and the origin of vertebrate retinal photoreceptor cells: insights from tunicates and medaka (2018)
  • 著者名/発表者名: Takehiro G. Kusakabe
  • 学会等名: OIST Seminar，沖縄（2018.3）
  • 招待講演
• [学会発表] 動物が光と色を感じるしくみ (2018)
  • 著者名/発表者名: 日下部岳広
  • 学会等名: 第5回統合ニューロバイオロジー研究所公開シンポジウム，神戸（2018.3）
  • 招待講演
• [学会発表] SoxB1 はカタユウレイボヤの前尾部抑制性ニューロンの発生に重要な役割を担う (2017)
  • 著者名/発表者名: 和田 聖矢，島井 光太郎，大沼 耕平，舟越 正憲，森口 大輔，一瀬 葵，西辻 光希，堀江 健生，日下部 岳広
  • 学会等名: 日本動物学会第88回大会，富山（2017.9）
• [学会発表] ホヤヘッジホッグ遺伝子の転写調節機構とヘッジホッグ情報伝達分子の種間比較 (2017)
  • 著者名/発表者名: 常深 秀人，向 恵実，杉本 悠，島井 光太郎，日下部 岳広
  • 学会等名: 日本動物学会第88回大会，富山（2017.9）
• [学会発表] Developmental shift of Rx expression from non-photoreceptor to photoreceptor lineage as a mechanism for photoreceptor cell specification in Ciona intestinalis (2017)
  • 著者名/発表者名: Kouhei Oonuma, Takehiro G. Kusakabe
  • 学会等名: 18th International Congress of Developmental Biology，Singapore（2017.6）
  • 国際学会
• [学会発表] Targeted deletion of miRNAs and cis-regulatory modules associate with cone opsin genes in medaka (2017)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Daido, Ai Uryu, Rui Yokomori, Kenta Nakai, Yutaka Suzuki, Takehiro G. Kusakabe
  • 学会等名: 18th International Congress of Developmental Biology，Singapore（2017.6）
  • 国際学会
• [学会発表] SoxB1 plays a crucial role in development of the anterior caudal inhibitory neurons in the Ciona intestinalis larva (2017)
  • 著者名/発表者名: Seiya Wada, Kotaro Shimai, Kouhei Oonuma, Masanori Funakoshi, Daisuke Moriguchi, Aoi Ichinose, Koki Nishitsuji, Takeo Horie, Takehiro G. Kusakabe
  • 学会等名: 9th International Tunicate Meeting，New York（2017.7）
  • 国際学会
• [学会発表] Transcriptional regulation of a hedgehog gene in the ventral nerve cord of the Ciona intestinalis larva (2017)
  • 著者名/発表者名: Shuto Tsunemi, Megumi Mukai, Haruka Sugimoto, Kotaro Shimai, Takehiro G. Kusakabe
  • 学会等名: 9th International Tunicate Meeting，New York（2017.7）
  • 国際学会
• [学会発表] Developmental profiling of the Central Pattern Generator in the Ascidian Swimming Larva (2017)
  • 著者名/発表者名: Kotaro Shimai, Takeo Horie, Takehiro G. Kusakabe
  • 学会等名: 9th International Tunicate Meeting，New York（2017.7）
  • 国際学会
• [学会発表] The cell lineage and the patterns of cell division for photoreceptor cells of the left-right asymmetric ocelli in the Ciona intestinalis larva (2017)
  • 著者名/発表者名: Kouhei Oonuma, Takehiro G. Kusakabe
  • 学会等名: 9th International Tunicate Meeting，New York（2017.7）
  • 国際学会
• [学会発表] 錐体サブタイプ特異的に発現するmiRNAの標的遺伝子の体系的探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小原知輝，大道裕，瓜生藍，行者蕗，横森類，中井謙太，鈴木穣，日下部岳広
  • 学会等名: ComBio2017生命科学系学会合同年次大会，神戸（2017.12）
• [学会発表] ホヤ幼生の運動制御神経回路を構成するニューロンの細胞系譜解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 村上誠，大沼耕平，日下部岳広
  • 学会等名: ComBio2017生命科学系学会合同年次大会，神戸（2017.12）
• [学会発表] カルシウムイメージング法によるホヤ幼生gnrh発現細胞の活動記録 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大川奈菜子，島井光太郎，大倉正道，中井淳一，堀江健生，久原篤，日下部岳広
  • 学会等名: ComBio2017生命科学系学会合同年次大会，神戸（2017.12）
• [学会発表] 原始脊索動物ホヤにおけるtrans-splicingのin silico解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 横森類，島井光太郎，日下部岳広，中井謙太
  • 学会等名: ComBio2017生命科学系学会合同年次大会，神戸（2017.12）
• [学会発表] 意外と身近なサイエンス ーホヤから探る心とからだのしくみー (2017)
  • 著者名/発表者名: 日下部岳広
  • 学会等名: サイエンスカフェひょうごin甲南大学，西宮（2017.11）
  • 招待講演
• [備考] ANISEED: the integrated ascidian database
  • URL: https://www.aniseed.cnrs.fr/aniseed/
• [備考] DBTGR: Database of Tunicate Gene Regulation
  • URL: http://dbtgr.hgc.jp/