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2022 年度 実施状況報告書

新規に開発したクマムシ遺伝子発現ベクターを用いた、乾燥耐性の分子基盤解析

研究課題

研究課題/領域番号 22K19302
研究機関大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究

研究代表者

田中 冴  大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任助教 (60770336)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2024-03-31
キーワード乾燥耐性 / クマムシ / トランスジェニック / ライブイメージング
研究実績の概要

乾燥耐性をもつクマムシという微小動物では、乾燥時に体内の水分量を3%以下まで低下させた無水生命状態(乾眠)に入ることが知られている。この状態では、酸素消費やタンパク質合成などの代謝は一時的に停止しているが、給水後10分ほどで元の状態に戻ることができる。クマムシのこの乾眠能力は、生体の完全な乾燥保存方法の良い手本であるだけでなく、生き物のなかの自由な水分子が存在しない状態として「生命に水は必須である」という生物学的な常識に切り込むことができるという点でも非常に興味深い。
これまで、クマムシの乾眠機構の解明に向け、ゲノムやプロテオームなどのオミクス解析をおこない、いくつかの乾眠候補遺伝子を同定してきた。さらに本研究では、新たな技術としてクマムシ独自のin vivo発現システムの開発をおこなうことで、それら候補遺伝子をクマムシ個体内で強制発現させることに成功した。この新規に開発したクマムシ専用の遺伝子発現ベクターをTardiVecと名付け、非モデル生物クマムシにおけるライブイメージングの基礎を構築した[S. Tanaka et al. PNAS, 2023]。このTardiVecはクマムシゲノム由来を配列を含むことで、組織特異的な発現パターンを示し、10日間以上導入したDNAとその発現産物を維持することができることから、ゲノムに直接組み込んだものとほぼ同等に扱うことができると言える。本研究ではこのTardiVecを用いて、クマムシ個体内の細胞において候補遺伝子を強制的に発現させることによって、候補タンパク質の細胞内挙動や乾燥耐性への寄与を調べた。その結果、これまでに乾眠候補遺伝子として挙がっていたクマムシ固有の遺伝子が、全身に発現するのではなく、組織特異的に発現することが明らかになった。これにより、それぞれの細胞種により乾眠機構に用いている遺伝子が異なる可能性が示唆された。

現在までの達成度 (区分)
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

本研究において研究代表者が開発したTardiVecは、クマムシのゲノム由来の遺伝子上流及び下流領域を含むプラスミドDNAであり、マイクロインジェクションとエレクトロポレーションを用いて80%以上のクマムシ個体にGFPなどの外来遺伝子を発現させることができる。TardiVecは、1)ゲノム解読済みのヨコヅナクマムシとヤマクマムシだけではなく、Thuliniusやオニクマムシなど真クマムシ綱内で使用可能であること、2)プラスミドDNAおよび発現産物は10日以上クマムシ内で維持され続けることという特徴をもつことが明らかになった。また、クマムシ固有遺伝子のプロモーター領域は、CAHSが表皮、SAHSが体腔の貯蔵細胞に特異的な発現パターンを示すことも明らかになった。さらに、SAHSタンパク質をGFP融合型タンパク質として強制発現させると、体腔細胞から分泌され全身に広がることが確認された。また、カルシウムインジケーターであるGCaMPを用いた実験では、TardiVecによりN末からC末まで途切れなく転写翻訳されていること、乾眠後であってもGCaMPのインジケーター能力が観察されることが明らかになった。完全に乾燥した個体は生物とは光の透過が異なるため観察がやや困難であることも、本研究で初めて明らかになった問題点でもある。乾眠状態の観察は難しいが、その前後の乾眠導入期と給水後の復帰期であれば詳細な観察が可能だと考えられる。以上の結果は研究成果として、国際学会および国内の複数の学会や研究会で発表した他、S. Tanaka et al. PNAS, 2023として国際学術雑誌に掲載され、プレスリリースをおこない、国内の複数のメディアでも紹介された。

今後の研究の推進方策

今年度までにTardiVecを用いたクマムシにおけるライブイメージングの基礎はほぼ確立できたといえる。ただし、乾眠の前後における細胞内をより詳細に観察するには、適切な支持体や顕微鏡の選定がさらに必要であるといえる。クマムシ固有遺伝子であるCAHSはin vitroやヒト培養細胞内で繊維様の構造体を形成することが複数のグループから報告されており [M. Yagi-Utsumi et al., Sci. Rep., 2021, A. Malki et al., Angew. Chem. Int. Ed Engl. , 2021, A. Tanaka et al., PLoS Biol., 2022]、次の段階として、CAHSの繊維構造が実際に乾眠時にクマムシ細胞内でも形成されているかが重要な点となっている。研究代表者はS. Tanaka et al. PNAS, 2023においては、CAHSの繊維構造が観察されなかったことを報告しているが、観察手法を改善することにより、より高解像度でクマムシの細胞内をライブイメージングできるようにすることが求められている。クマムシはクチクラ性の外皮を持つことから、そのままの観察では光学的な問題を突破できない可能性もあるため、クマムシ細胞のプライマリーカルチャーを検討することで健常な状態でクマムシ細胞の観察を長時間おこなうことができるようなシステムを構築することも検討中である。これにより、CAHSの繊維構造の観察に加え、細胞膜や細胞小器官が乾眠前後でどのような動態を示すかを明らかにしたい。また、TardiVecはクマムシ研究を大きく飛躍させることが期待される技術であり、国内国外の研究者にプラスミドDNAの分与や技術の伝授を積極的におこなうことで、クマムシ研究全体の発展に貢献していきたいと考えている。

次年度使用額が生じた理由

COVID-19の影響で機器類の納入に遅延が生じた。また、査読論文のリバイス実験が挿入されたため、一部の実験計画が後ろ倒しになった。よって、次年度に後ろ倒しになった実験をおこなうために使用する。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] In vivo expression vector derived from anhydrobiotic tardigrade genome enables live imaging in Eutardigrada2023

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Sae、Aoki Kazuhiro、Arakawa Kazuharu
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 120 ページ: -

    • DOI

      10.1073/pnas.2216739120

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deciphering the Biological Enigma?Genomic Evolution Underlying Anhydrobiosis in the Phylum Tardigrada and the Chironomid Polypedilum vanderplanki2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Yuki、Tanaka Sae
    • 雑誌名

      Insects

      巻: 13 ページ: 557~557

    • DOI

      10.3390/insects13060557

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Transition to life-without-water in anhydrobiotic tardigrades2023

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Sae、Arakawa Kazuharu
    • 学会等名
      RIKEN BDR Symposium 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] クマムシにおけるin vivo発現系2023

    • 著者名/発表者名
      田中冴、荒川和晴
    • 学会等名
      第7回クマムシ学研究会
  • [学会発表] in vivo gene expression in tardigrades, a technical breakthrough coming to tardigrades2022

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Sae、Arakawa Kazuharu
    • 学会等名
      15th International Symposium on Tardigrada
    • 国際学会
  • [学会発表] 光るクマムシで読み解く無水生命機構の謎2022

    • 著者名/発表者名
      田中冴、荒川和晴
    • 学会等名
      極限環境適応2022
    • 招待講演
  • [学会発表] クマムシの無水生命状態と非構造タンパク質2022

    • 著者名/発表者名
      田中冴
    • 学会等名
      第7回タタバイオ分子クラブ
    • 招待講演
  • [学会発表] 乾燥耐性動物クマムシにおける遺伝子発現系の確立と耐性関連タンパク質のダイナミクス観察2022

    • 著者名/発表者名
      田中冴、荒川和晴
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 乾燥耐性生物クマムシのミトコンドリア局在性熱可溶性タンパク質MAHS ・LEAMにおける乾燥誘導性LLPS2022

    • 著者名/発表者名
      田中冴、荒川和晴
    • 学会等名
      日本生物物理学会第60回年会
  • [学会発表] 遺伝子発現系を用いた乾燥耐性動物クマムシにおけるバイオイメージング手法の確立2022

    • 著者名/発表者名
      田中冴、荒川和晴
    • 学会等名
      第31回日本バイオイメージング学会学術集会
  • [学会発表] クマムシにおける外来遺伝子発現系の確立2022

    • 著者名/発表者名
      田中冴、荒川和晴
    • 学会等名
      日本動物学会第93回大会

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公開日: 2023-12-25  

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