2017 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanisms of color pattern foramtion in mimicry controlled by supergene
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15H05778
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤原 晴彦 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40183933)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 超遺伝子 / supergene / シロオビアゲハ / ナガサキアゲハ / ベイツ型擬態 / doublesex / ゲノム再編成 / 擬態紋様形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
体表の紋様や体色により捕食者を撹乱する擬態は広範な生物種に認められるが、その形成メカニズムはよくわかっていない。擬態のような複雑な適応形質は1遺伝子の変異ではなく、染色体上の隣接遺伝子群「超遺伝子（supergene）」が制御しているという仮説がある。我々はシロオビアゲハのベイツ型擬態の原因が130kbに及ぶ染色体領域にあり、さらに染色体の逆位によってその領域が進化的に固定されていることを見出した。そこで、本研究では複数のアゲハ蝶をモデルとして（１）supergeneの構造と機能、（２）染色体上のsupergeneユニットの出現と安定化機構、（３）近縁種でのsupergeneの進化プロセスを解明する。転移因子の関与なども含め上記の結果を統合し、ゲノム再編成による擬態紋様形成機構を体系的に解明することを目的とした。
本年度は、Crispr/Cas9システムによりシロオビアゲハの擬態supergeneユニット内部にあるUXTの遺伝子破壊系統を作出し、シロオビアゲハ擬態型雌の翅形質への影響を解析した。その結果、UXT欠損により、翅の尾状突起及びその近傍の赤色スポットの形成が抑制する傾向が観察され、UXTも擬態形質に関与している可能性が示唆された。一方、シロオビアゲハと同様にナガサキアゲハの擬態形質に擬態supergeneの各遺伝子が関与しているかどうかを確認するために、UXT, dsxの発現変動を解析した。その結果、いずれも擬態型の遺伝子が擬態型雌の翅で高く発現し、非擬態型の遺伝子は発現誘導が見られなかった。この結果はこれらの遺伝子が擬態形質の形成に関与していることを示唆する。また、ナガサキアゲハの擬態型雌では腹部に黄色の警告色を提示するが、dsxのノックダウンにより黒化したことから、腹部の擬態形質もdsxによって制御されていることが初めて示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（１）擬態supergeneの構造と機能
シロオビアゲハのsupergeneに含まれるUXTの機能をCrispr/Cas9法により解析した。胚期にUXT遺伝子をノックアウトし、当世代の擬態型雌成虫の翅を観察したところ、モザイク的に尾状突起の変形や短縮が見られ、その近傍の赤色スポットが縮小した。これらのモザイク領域でゲノムDNAを抽出して標的配列近傍のシーケンスしたところ、UXT遺伝子内に翻訳終止コドンやフレームシフトが見つかった。この結果から、UXTの機能欠損による擬態形質や翅形成への影響が確認され、擬態supergeneの構造と機能がより明確となった。
（２）近縁種ナガサキアゲハにおける擬態supergeneの解明
ナガサキアゲハのsupergene内部には、UXT, dsx, Nach-likeの3遺伝子が含まれ、擬態型と非擬態型で配列が異なる二型性を示す。それらの二型の発現が表現型とどう関連しているかを調べたところ、擬態型UXT, dsxは擬態型翅で強く発現する一方、非擬態型遺伝子は擬態型、非擬態型雌での発現に違いは見られなかった。一方、ナガサキアゲハの擬態型雌の腹部はシロオビアゲハと異なり、モデル蝶の警告色に類似した黄色を呈する。腹部での遺伝子発現を調べると、擬態型UXTとdsxのみ発現が高かった。シロオビアゲハの腹部ではこのような発現パターンが見られないことから、ナガサキアゲハの腹部の擬態紋様はこれらの遺伝子によって形成されている可能性が示された。ナガサキアゲハの擬態型雌の幼虫腹部に擬態型dsxのsiRNAを導入してノックダウンして、成虫時の色を観察すると黄色の一部が黒化した。この結果は腹部の擬態形質も擬態supergeneによって制御されていることを示す。以上は、ナガサキアゲハの擬態supergeneの構造と機能を明確にする結果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
シロオビアゲハのsupergene内部にある遺伝子としてdsxとUXTの機能についてはある程度確認されたが、それ以外にlong non-coding RNAのU3XとNach-likeについては機能が検証されていない。そこで、両者をCrispr/Cas9でノックアウトした系統を作出し、擬態形質に関する影響を調べる。さらに、前者に関しては擬態型dsxの上流にのみに存在することから、dsxの遺伝子発現（誘導）に関与している可能性が高いと考えられる。そこで、U3X全長、もしくは分割したRNAを作成して蛹で強制発現させ、発現領域で擬態形質が観察される、もしくはdsxの発現に変動を与えるかを調べる。一方、dsxの機能に関しては、擬態形質は擬態型と非擬態型のアミノ酸配列の違いではなく、擬態型dsxの発現誘導によって生じている可能性が示唆されている。これまで非擬態型のシロオビアゲハ翅で強制発現する試みを行ってきたが、導入時期が蛹化直後に限られるなど技術的に困難な部分があった。本年度、ナガサキアゲハの腹部擬態形質がdsxにより制御されていることが示された。腹部は幼虫期においてもノックダウン、ノックインの操作が容易であることから、非擬態型雌の腹部におけるdsxの強制発現を行い、黒い腹部が黄色い腹部に変化するかどうかを調べることにより、上記の可能性を検証したい。
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