育種遺伝研究部門・角谷研究室

ゲノム中を動く配列であるトランスポゾン（TE）はゲノムの進化に大きな影響を与えるが、潜在的に有害であり、そのほとんどはDNAメチル化などのエピジェネティックな機構で抑制されている。
今回、宿主のエピジェネティックな抑制機構に対抗する活性を持つTEについて報告する。シロイヌナズナで飛雲（Hi ）と呼ぶTEは可動性であるが末端の逆位反復配列が壊れている。
Hi は正常個体では抑制されているがDNAメチル化がなくなるとゲノム中を動く。
Hi 配列をゲノム中に導入すると、もともとあったHi コピーが動く。また、導入配列はもとの配列の転写活性化と脱メチル化を引き起こす。
さらに、このような活性化は転移を触媒する酵素でなく別のタンパク質に仲介されている。
この抗サイレンシング因子と構造の似たタンパク質は、末端逆位配列の壊れた一群のTEに広く分布しており、これらのTEの自然集団中での増殖に貢献しているかもしれない。

(A) トランスポゾンHiun （Hi , 飛雲）の構造。このトランスポゾンは転移酵素と抗サイレンシング因子をコードする。抗サイレンシング因子は脱メチル化と転写活性化を引き起こす。
(B) 非形転換体（青）とHi を発現する形質転換体（赤）での内在Hi 配列のDNAメチル化。Hi 配列の導入で内在コピーのDNAメチル化が低下する。

初期発生研究部門・川上研究室

体の様々な器官は幹細胞を持ち、細胞が新しく置き換わったり、受けた損傷を修復したりして器官を一定の大きさに保ちます。どのようにして、器官は一定のサイズを認識するのでしょうか。

ゼブラフィッシュの側線器官（感丘）は、中央の感覚細胞（有毛細胞）とそれを取り囲む支持細胞からなります（図A）。感丘は、出芽によって増え、クラスターを形成します。すべての感丘は、同じ大きさをしています。我々は、Wntシグナル活性が、増殖細胞で高いこと（図C）、一方、感覚細胞がWntシグナルの抑制因子Dkk2を発現することを見出しました（図D）。Wntシグナル、Dkkシグナル、それぞれの機能阻害・獲得実験から、Wntシグナルは細胞の増殖を促進し、DkkはWntシグナルを阻害することによって細胞増殖を抑えることがわかりました（図B）。つまり、Wnt/Dkkは負のフィードバック・ループを形成し、器官の大きさを一定に保っています。負のフィードバックは、多くの恒常的システムに必須のコンポーネントです。本研究は、器官サイズ調節における、負のフィードバックの分子機構を明らかにしました。

本研究は、科学技術振興機構さきがけの助成のもと行われました。

（A）ゼブラフィッシュ側線器官（感丘）模式図。
（B）Wnt/Dkkシグナルの作用機序。
（C）出芽細胞におけるWntシグナル活性（緑）が、有毛細胞（赤）の形成と共に失われる様子。
（D）有毛細胞ではWnt抑制因子Dkk2が発現する。

プレスリリース資料

生きた化石と呼ばれている希少種シーラカンスの全ゲノム配列（約27億塩基対）の決定に、東京工業大学、国立遺伝学研究所、東京大学などの研究チームが成功しました。

今回、研究チームは、タンザニア産3頭、コモロ産とインドネシア産のそれぞれ1 頭のシーラカンス（現存する全2種を網羅）について全ゲノム配列を決定し、大規模な比較ゲノム解析を実施しました。
特に、四肢形成や嗅覚に関連する遺伝子について詳しく調べたところ、シーラカンスは水中で生息する魚類であるにも関わらず、そのゲノム中には陸生の四足動物（カエルや哺乳類など）に特徴的な遺伝子がすでに数多く存在していることが明らかになりました。
これは、かつて水中に生息していた四足動物の祖先となる魚類が徐々に陸上化を遂げていくにあたり、ゲノムレベルではどのような変化が起きていたのかを知るための重要なてがかりを与えるものと考えられます。
また、シーラカンスの遺伝的多様性が極めて低いことも明らかとなり、この希少種の絶滅回避に向けた本格的な保全活動が急務であることが示されました。

今回のゲノム解読に用いた個体と同腹のシーラカンス稚魚
（国際科学振興財団主席研究員 岡田典弘（東工大名誉教授）提供）

遺伝情報分析研究室・五條堀研究室

プレスリリース資料

水産総合研究センター、東京大学、九州大学と行ってきた共同研究の成果が、6月18日付けの米国科学アカデミー紀要オンライン版に掲載されました。

太平洋クロマグロの全ゲノムを解読し、他の魚類とは異なり、青～緑色がよく見えるように視覚の遺伝子が進化しているという特徴を明らかにしました。

独立行政法人水産総合研究センター（FRA）では、平成21年度より東京大学、九州大学および国立遺伝学研究所と共同で、世界初となる太平洋クロマグロ（以下「クロマグロ」）の遺伝情報全体であるゲノムの全ての塩基配列の解読に取り組み、クロマグロの全ゲノムの解読に成功しました。
 解読したゲノムの解析により視覚にかかわる遺伝子にクロマグロに特有の特徴を発見しました。これは、海洋表層を高速で泳ぎ回るクロマグロが、赤色の乏しい海中の景色の中で微妙な青緑色の違いを認識できることを示していると考えられます。
本成果は、クロマグロの行動特性に関する基礎的な知見を与えるものであり、今後のまぐろ養殖生産技術の改善にもつながるものです。

図1　クロマグロおよび他の魚種のゲノム上に存在する可視光感受性オプシン遺伝子。緑オプシン遺伝子（左）、青および赤オプシン遺伝子（右）。図中の遺伝子の色は吸収する可視光の色に対応し、向きは転写の方向を示します。
同色のオプシン遺伝子であっても各オプシン遺伝子の吸収波長は微妙に異なるため、ロドプシン遺伝子数の増加により、より微妙な色の違いが認識できるようになると推定されます。
フグ類2種の黄緑色は、緑オプシンの機能を失った偽遺伝子であることを表します。また、青色と赤色のオプシン遺伝子はゲノム上で隣り合って存在しています。灰色の遺伝子はオプシンとは無関係の遺伝子ですが、縦線で結ばれたものは各魚種で保存されている遺伝子同士であることを示しています。

図2　クロマグロの５つの緑オプシン遺伝子の推定進化シナリオ。両図とも上から下（現代）に年代が進行します。（①の進化が生じたのは約2億年前と推定）。 A/BはAとBの共通の祖先を、系統樹中の①－③の数字は、遺伝子の倍加が起こったことを示します。③では２つの遺伝子が同時に倍加して4つになったと推定されています。点線の矢印は遺伝子変換(gene conversion)のイベントを示します。 それぞれのイベントに対応する遺伝子構造の変化を図の右側に示しています。各イベント（遺伝子重複:i,ii,iv、遺伝子変換:iii）に対して、起きた時期が推定されています（単位は百万年前＝Mya）。

マウス開発研究室・小出研究室

コピー数多型 (Copy number variation, CNV)は、ヒトおよびマウスゲノムの10%以上を占め、個体や系統間の遺伝的な多様性を決める重要な要素であると考えられています。
CNVはしばしば集合して、コピー数多型領域(complex CNV region, complex CNVR)を構成し、ゲノムの部分重複(Segmental duplication, SD)と呼ばれる、複雑な繰り返し配列を持つ領域をつくりだしています。
しかし、その非常に複雑な領域の解析は、ゲノム配列のほとんどが解読された現在においても、困難を極めています。今回我々は、国立情報学研究所との共同研究により、この複雑な領域の新たな解析方法を確立しました。

先ず我々は、国立情報学研究所、宇野毅明准教授が開発した、高速相同性検出アルゴリズム、Similarity/Homology Efficient Analyze Procedure (SHEAP)を用いることにより、マウスのlarge SD領域をゲノムワイドに検出しました。
その結果、large SDは、それぞれが独自の「タータンチェック模様」として視覚化されました (図1)。次に、遺伝的不適合性の原因領域である、第13番染色体上のSD (SD13M)に着目し(投稿準備中)、独自に開発した画像解析プログラム、blast-based Systematic analysis of HErPlot to Extract Regional Distinction (SHEPHERD)を用いて、繰り返しのコアとなっている配列を同定しました (図2)。
さらに、この領域について比較ゲノムハイブリダイゼーション(Array-comparative genomic hybridization, aCGH)を三島の野生マウス由来の系統MSMとブルガリアの野生マウス由来系統BLG2、実験用マウス系統C57BL/6Jについて行い、それぞれのコア配列の系統間のCNVを実験的に検出しました。この結果、これらのコア配列は、CNVsを持つものと、持たないものに分けられること、これらは含有配列などの性質が大きく異なることが示唆されました。
これらの解析結果は、今後complex CNVRの進化や機能を明らかにするための足がかりになると期待されます (図3)。

本研究は、情報・システム研究機構、新領域融合プロジェクト・育成融合プロジェクトの助成のもと行われました。

図1　SHEAPにより視覚化されたSDのタータンチェック構造
左上の数字はSDの染色体番号を示している。セルフプロットで示されたそれぞれのSDの左下はトランスポゾンなどの既知の配列をマスクしたもの、右上はマスクしていない配列を用いて解析を行なったもの。SD内の斜線は、長い繰り返し配列を表している。

図2　セルフプロットで示されたSD13Mと反復単位の抽出
斜線として視覚化された繰り返し配列について、X軸方向とY軸方向で重複するものを画像解析により間引き、コアとなる配列を選別する。

図３　SD13Mの進化および機能についての仮説
CNVsを持つコア配列は、LTR型のレトロトランスポゾンの割合およびDivergenceが高い。これは、CNVsを持つコア配列は古い年代からそのコピー数を増加させ、LTR型のレトロトランスポゾンの挿入による非アリル性の相同組換えが、そのコピー数の変動を加速させた可能性を示唆している。

画像PDFデータ（2.63KB）

微生物遺伝研究部門・荒木研究室

真核生物のDNAの複製は、染色体上に点在する複製開始点と呼ばれる領域からスタートします。その複製開始点には、origin recognition complex (ORC)と呼ばれるタンパク質複合体が特異的に結合して、複製開始に必要な他のタンパク質が複製開始点に集合する目印となります。これまで、ORCと複製開始点との特異的な結合には、クロマチンが何らかの役割を示していることが示唆されてきましたが、ORCとクロマチンとの結合を試験管内で直接調べ、その役割を明らかにする研究は行われてきませんでした。

私たちは、試験管内再構成したクロマチンとORCとの結合の様子を生化学的に解析し、さらに原子間力顕微鏡（atomic force microscopy, AFM）によるORC–クロマチン複合体の観察を行いました。その結果、複製開始点が裸のDNAであるよりもクロマチンファイバーを形成しているほうが、ORCがより安定かつ特異的に複製開始点に結合することを見出しました。また、ORCの結合は、複製開始点付近のヌクレオソーム配置に変化を促し、複製開始点がリンカーDNA領域となる様子を検出しました。これらのことから、ORCが、リンカーDNAとなった複製開始点と結合し、さらに近傍のヌクレオソームとも結合を確立して、安定かつ特異的なORC–複製開始点結合を確立する仕組みが解りました。

(1) 複製開始点特異的配列(ACS)を含むDNA。
(2) クロマチンを形成させるとACS上にヌクレオソームが配置される。
(3) ORCの添加によりACSがリンカーDNAとなる。
(4) リンカーDNAとなったACS上にORCが結合する。
(5) ORCは、リンカーDNAとなったACS配列との結合と、近傍のヌクレオソームとの結合両方を介して安定に複製開始点と相互作用する。

プレスリリース資料
(OIST 沖縄科学技術大学院大学ニュースセンター「サンゴ共生カッチュウソウのゲノム解読」)

サンゴは、クラゲやイソギンチャクの仲間であるサンゴ虫といわれる生き物が本体です。サンゴは環境の変化などにより白化現象が発生しますが、これはサンゴの細胞の中に共生するカッチュウソウが減少することが原因です。サンゴは、カッチュウソウの光合成に頼ってエネルギーを補給しているので、カッチュウソウが失われるとサンゴは白化し、死滅するといわれています。しかし、なぜカッチュウソウが失われていくのか、詳しいことは不明でした。

今回、国立遺伝学研究所（大学共同利用機関　情報・システム研究機構）は、沖縄科学技術大学院大学（OIST）、独立行政法人理化学研究所、東京大学大学院新領域創成科学研究科と共同研究にて、カッチュウソウの全遺伝子解析（ゲノム解析）を行いました。ゲノムとは、ある生物の全遺伝情報のことで、ゲノム解読は生物の設計図を手に入れたといっても過言ではありません。2003年のヒトゲノム解読により、その後のヒト遺伝子研究が飛躍的に進んだことと同様、今後、サンゴとカッチュウソウがどのように共生し、温度変化や海水汚染などにより、どのようにサンゴの白化が引きおこされるか、解明できることが期待されます。

今回、ゲノムの解読は、三島市にある国立遺伝学研究所（遺伝研）にて行われました。すでに遺伝研では、サンゴ、シーラカンス、イネなどのゲノム解読の功績があり、今後とも生物のゲノム解析に大きな貢献が期待できます。

本研究成果は、文部科学省科学研究費新学術領域研究「ゲノム支援」（代表 小原雄治）の支援を得ました。

サンゴとカッチュウソウの共生関係

原核生物遺伝研究室・仁木研究室

真核細胞の分裂期は、核膜が崩壊し染色体が細胞内で露になる開放型の核分裂と、核膜が崩壊しない閉鎖型の核分裂の2つがあります。しかし真菌類ではその中間型も存在します。
カンジダ菌やジャポニカス分裂酵母では、核膜の一部分が消失する半開放型の核分裂が起きます。半開放型の核分裂は、開放型、閉鎖型両方の性質を備えているため、両者の特質を考える上でよい研究対象といえます。

私たちは、ジャポニカス分裂酵母を用いて、半開放型核分裂が起こるしくみについて研究を行っています。今回、半開放型核分裂には、脂肪酸合成因子が関わっていることを明らかにしました。
ジャポニカス分裂酵母の変異株ライブラリーから、半開放型核分裂が起こらない変異株を見つけました。その変異はE3ユビキチンリガーゼであるAPC/Cにありました。この変異株は増殖が高温で停止します。
この停止が手直しされ高温でも増殖できるようになったサプレッサー変異株とよばれるものを取り、調べました。サプレッサー変異は、脂肪酸合成因子Oar2に変異が起こっていました。
図のように、APC/C変異株では半開放型核分裂に異常がみられます。しかし、APC/C変異株にOar2の変異が加わったサプレッサー変異株では、その異常が部分的ですが修復されていました。
Oar2にはAPC/Cによって認識される配列がありました。また、Oar2のタンパク質の量がAPC/C変異株内では増量していました。
これらのことから、APC/CがOar2のタンパク質の量を制御すると思われます。脂肪酸合成因子Oar2は、核膜を作る脂質の合成に関係しています。

核膜の動態を、野生型、apc2変異株、apc2∆oar2変異株の中でそれぞれ観察した。野生型で見られた半開放型分裂は、apc2変異株で減退し、apc2∆oar2変異株では部分的に回復した。
緑：核膜マーカー（Cut11-GFP）、マゼンタ：染色体マーカー（H2A-mCherry）。スケールバー：5µm