2015 Fiscal Year Annual Research Report
脊椎動物の季節感知システムの設計原理の解明とその応用
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26000013
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
吉村 崇 名古屋大学, 生命農学研究科(WPI), 教授 (40291413)
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| Project Period (FY) |
2014 – 2018
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| Keywords | 光周性 / 概日リズム / 季節繁殖 / 臨界日長 / 合成化学 / 畜産学 / 生理学 / ゲノム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
日照時間(日長)、温度、湿度など、生物をとりまく環境は季節に応じて変化する。生物は毎年繰り返されるこの季節変化に、より良く適応するために外的環境の季節変化を感知し、成長、繁殖、渡り、冬眠などの生理機能や行動を制御している。このように様々な動物の行動が季節によって変化することは、アリストテレスの著書「動物誌」にも詳述されている。有史以来人類は、生物の持つこの不思議な能力に魅了されてきたが、その仕組みは謎に包まれていた。本研究では様々な動物の持つ洗練された能力に着目することで脊椎動物の季節感知機構の設計原理を解明することを目標としている。また、季節適応を制御する革新的機能分子を創出することで、動物の生産性の向上を図り、ヒトの疾患の克服を実現することを目指している。27年度は、異なる緯度に由来し、日長応答(臨界日長)の異なるメダカ集団から作出したF2世代を用いて量的形質遺伝子座(QTL)解析を行い、臨界日長を規定する遺伝子座をマッピングした。また、低緯度地域に由来するメダカ集団が短日刺激に不応答となる性質を獲得することで、1年を通して繁殖していることを見出したため、この形質についてもQTL解析を実施することにした。その結果、短日不応答遺伝子についてもマッピングすることに成功した、さらに、これらの遺伝解析とは別に、メダカを短日条件から長日条件に移した際、および長日条件から短日条件に移した際の時系列サンプルを用いて、ゲノムワイドなトランスクリプトーム解析を実施し、抽出した遺伝子群の発現部位をin situ hybridization法で明らかにした。生物は概日時計を使って日長を測定しており、これによって光周反応を引き起こす光感受相のタイミングを規定している。したがって、概日時計を短周期化し、光感受相を前進させることができれば、長日繁殖動物を短日条件下においても繁殖させられることが期待できる。そこで、時計タンパク質のクリプトクロムを標的タンパク質として概日リズムを長周期化する小分子KL001の構造活性相関を検討した。その結果、C-Hカップリング反応を用いて、官能基の位置を選択的につけかえるだけで、概日リズムを短周期化する新たな分子を作出することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度計画していた全ての実験を予定通り遂行することができた。さらに一部の計画については28年度に予定していた項目についても前倒しして実施することができた。例えば「臨界日長の地理的変異から明らかにする臨界日長の設計原理の解明」については、当初、27年度にQTL解析を実施する計画であったが、前倒ししてゲノムワイド関連解析(GWAS)に着手した。また低緯度地域のメダカ集団が、短日条件下で繁殖活動の抑制を解除する仕組みを有することを発見した。そこで低緯度地域のメダカが短日条件下で繁殖活動の抑制を解除する仕組みについてもQTL解析を実施した。「温周性、光周性の設計原理の解明」については、トランスクリプトーム解析によって抽出した遺伝子の発現部位を同定するとともに、CRISPR/Cas9によってノックアウト動物の作成に着手した。動物は温度の変化を感知して行動リズムを変化させるが、温度センサー(Trpチャネル)のノックアウトマウスの行動解析も実施し、行動リズムの制御に重要なTrpチャネルを見出すことに成功した。また「鳥類の季節適応をモデルとした臓器間ネットワークの作動原理の解明」について解析する過程で、雄鶏が鳴く際には社会的順位に基づいて鳴くことを明らかにし、国内外の様々なメディアで紹介された。概日リズムは季節の感知に必要である。「革新的機能分子の創出」においては、概日リズムを制御する時計タンパク質に結合し、周期を延長するKL001の構造活性相関を検討し、新たに概日時計を早回しする新規な分子を創出した。この成果はAngewandte Chemieに掲載され、同誌の表紙を飾った。
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| Strategy for Future Research Activity |
前述したように、27年度も当初の計画以上に研究を展開することができた。そこで28年度も一部の計画を前倒しにして研究を進めていく。
「臨界日長の地理的変異から明らかにする臨界日長の設計原理の解明」については、27年度に表現型の異なる複数の集団の全ゲノムリシークエンスを行った。そこでこの情報をもとにゲノムワイド関連解析(GWAS)を実施し、臨界日長を規定する遺伝子を絞り込む。また低緯度地域に由来するメダカ集団が、1年中繁殖できるように、短日条件下で繁殖活動の抑制を解除する仕組みを有することを発見しており、この表現型についてもQTL解析を完了している。そこでこの表現型についてもGWASを実施し、責任遺伝子の絞込みを図る。
「温周性、光周性の設計原理の解明」については、冬から春を感じる仕組みと、夏から秋を感じる仕組みの両面から検討を進めている。それぞれを制御する遺伝子ネットワークを解明するために、ゲノムワイドな発現解析によって単離した遺伝子の機能を明らかにする。さらに、27年度にCRISPR/Cas9によって作成したノックアウトメダカについて表現型を明らかにする。また、27年度に実施した予備実験において、高緯度に由来するメダカと低緯度に由来するメダカが異なる温度応答を示すことを見出した。そこで温度応答の地理的変異に着目した順遺伝学的な解析を進め、臨界温度の制御機構に迫る。上述のように動物の行動リズムを制御する温度センサーを明らかにしているが、これらの温度センサーの発現部位についても検討済みである。そこで28年度は次のステップとして行動リズムを制御する神経回路を明らかにすることを目標とする。
「鳥類の季節適応をモデルとした臓器間ネットワークの作動原理の解明」については、ニワトリの発声異常系統を用いた解析を通じて、小鳥のさえずりの季節制御を司る候補遺伝子群を同定している。そこで、それらの遺伝子群について詳細に解析し、さえずりの季節制御に関わる分子基盤について検討する。
「革新的機能分子の創出と季節適応の制御」については、前年度に引き続いて、受容体選択的な甲状腺ホルモンアナログの合成と毒性の評価を行う。また概日リズムは季節感知に関与するため、概日リズムを制御する化合物のスクリーニングを行う。安全な薬を短期間で開発することを目標としてアメリカ食品医薬局(FDA)によって承認を受けた化合物についてもスクリーニングを実施し(drug repositioning)、動物個体やヒトへの応用に向けた道筋をつける。また冬季うつ病のスクリーニングの系を確立することに成功し、冬季うつ病の薬のスクリーニングを開始した。28年度もこのスクリーニングを継続し、冬季うつ病を克服する化合物を単離する。
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[Journal Article] C-H activation generates period shortening molecules targeting cryptochrome in the mammalian circadian clock2015
Author(s)
Oshima T, Yamanaka I, Kumar A, Yamaguchi J, Nishiwaki-Ohkawa T, Muto K, Kawamura R, Hirota T, Yagita K, Irle S, Kay SA, Yoshimura T, Itami K
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Journal Title
Angewandte Chemie International Edition
Volume: 54
Pages: 7193-7197
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Lactic acid is a sperm motility inactivation factor in the sperm storage tubules2015
Author(s)
Matsuzaki M, Mizushima S, Hiyama G, Hirohashi N, Shiba K, Inaba K, Suzuki T, Dohra H, Ohnishi T, Sato Y, Kohsaka T, Ichikawa Y, Atsumi Y, Yoshimura T, Sasanami T
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 5
Pages: 17643
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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