プレスリリース資料

生物の体が作られるときには、どの組織でどの遺伝子の働きがオンになるかが重要です。遺伝子をオンにする「スイッチ」として働くエンハンサーと遺伝子の組み合わせが生物の多様な「かたち」を生み出すと考えられています。

情報・システム研究機構国立遺伝学研究所の毛利亘輔博士研究員、城石俊彦教授、豊田敦特任教授らのグループは、ある遺伝子が使っていたエンハンサーが別遺伝子の近くにコピー＆ペーストされること、いわばスイッチが「移設」されることによって形態の変化が生じることを明らかにしました。

本成果では、指の間に皮膜が張って水かき状の構造になる変異マウス、Hammer toe (Hm)において、Sonic hedgehog (Shh) 遺伝子の近くに別染色体からのエンハンサーが挿入されていることを明らかにしました。その結果、様々な組織の形態形成に働くSonic hedgehog (Shh) 遺伝子が、本来オフになっている指間部でオンになって、指間部の皮膚の構造が変化していたのです。つまり、エンハンサーの移設によってHm変異体は水かきを獲得したのです。

本成果が、生物の形態の多様性を作り出す仕組みを理解する大きなヒントになることが期待されます。

本研究は情報・システム研究機構国立遺伝学研究所哺乳動物遺伝研究室の毛利亘輔、嵯峨井知子、前野哲輝、天野孝紀、城石俊彦、それに同研究所比較ゲノム解析研究室の豊田敦らの研究グループによって遂行されました。

本研究の一部は、文部科学省の科学研究費補助金（科研費番号JP15J06985, JP17K15162, JP17K19411）の支援を受けておこなわれました。

本研究成果にはマイクロCTスキャンの技術が貢献しています。

図1：(A)Hm変異体では、複数のエンハンサーを含む配列がShh遺伝子の近くに挿入されていた。(B)野生型およびHmの手のマイクロCTスキャン像。Hmでは指間部にShh遺伝子が発現した結果、膜が残り、指が分離しない。

図2：この研究は、ゲノムの変化が組織の形態を変化させるまでのプロセスを明らかにした。

※本研究成果にはマイクロCTスキャンの技術が貢献しています

• 生物の複雑な構造を３次元で解き明かす
• 国立遺伝学研究所　3d Imaging Room(Facebook)
• 3D Imaging Room in NIG（sketchfab）

※本成果がPNAS内の記事で紹介されました　

• DOI:10.1073/pnas.1721351115

※EurekAlert!で本成果を紹介した記事を配信しています　

• Enhanced evolution: Scientists find genetic swap changes physical expression

プレスリリース資料

筑波大学　中野裕昭准教授、宮澤秀幸研究員、国立遺伝学研究所　前野哲輝技術課職員、城石俊彦教授、北海道大学　角井敬知講師、東京大学　大森紹仁特任助教（現在は、新潟大学助教）、幸塚久典技術専門職員らの研究グループは、日本近海で初めて、珍渦虫を採 取することに成功し、それが新種であることを明らかにしました。

珍渦虫は、脳などの集中神経系、肛門等を欠いた非常に単純な体を持つ海生動物です。その単純な構造は、多くの動物の共通祖先の特徴を残している可能性があると考えられています。そのため、珍渦虫の研究をすることが、ヒトも含めて、現在生きている動物の起源や進化過程の解明につながると期待されています。しかし、珍渦虫はこれまでに全世界で５種しか報告されておらず、また、そのほとんどの種は採取が困難であるため、実験動物として扱いづらく、研究が進んでいないのが現状です。卵からどのような幼生を経て成体になるのか、その個体発生の過程も完全にはわかっていません。

本研究では、西太平洋の日本近海で珍渦虫を採取することに成功し、採取された個体はこれまでの５種とは異なる、新種であることを明らかにしました。また、この日本で採取された珍渦虫の体の構造を調べたところ、これまで珍渦虫から報告されていない新しい器官を発見しました。

日本近海の珍渦虫は海外の多くの種と比べると採取しやすい場所、水深に生息しているため、今後は、この種を用いて研究を進めることで、動物の起源や進化過程を探る上で興味深い新知見が得られることが期待されます。

本研究成果は、2017 年12月18日付で、BMC Evolutionary Biology誌にて公開されました。

本研究は、日本学術振興会の科学研究費補助金、国立遺伝学研究所公募型共同研究、スウェーデン・イエテボリ大学の王立科学アカデミー基金、JAMBIOの支援で実施されました。

遺伝研の貢献
マイクロCTスキャンで珍渦虫の構造の観察をおこない、消化器官、神経系、筋肉などの基本的な構造に加えて、前端孔という未知の構造があることを明らかにしました。

図1：三浦半島沖で採取された珍渦虫Xenoturbella japonica。体長は5 cm程度である。写真の左側が前方であり、右側が後方。中央をベルト状に横断する線があるのが珍渦虫の特徴。（撮影：大森紹仁）

図2：珍渦虫と他の動物との類縁関係。珍渦虫は、クラゲなどに近い原始的な動物であるという説（A）と、現在生きている全動物の中で、ヒトを含む脊索動物に比較的近縁であるという説（B）があり、どちらが正しいか、まだ解明されていない。

• 珍渦虫の3D画像の動画をこちらでご覧いただけます
• 本成果の基盤のひとつとなったCTスキャンの記事をこちらでお読みいただけます

形質遺伝研究部門・岩里研究室

底面が水平な浴槽にコップ一杯の水を入れて水を隅々まで行き渡らせることはできません。なぜなら水分子が互いに引き寄せあって水たまりをつくってしまうからです。水を隅々まで行き渡らせるためには、上から均等に圧力をかけるなど何らかの工夫が必要です。

摂食、睡眠、性行動、攻撃性、情動、記憶学習など様々な脳機能に関与するセロトニンという神経修飾物質は脳全体に必要ですが、セロトニン神経の細胞体（DNAを含む核やタンパク質合成が行われる小器官を含む部分）は脳の深部である脳幹の正中部分にしかありません。いかにしてセロトニンを脳全体に届けているのでしょうか。脳幹正中部にあるセロトニン神経は軸索という神経突起を脳全体に伸ばし、ある程度均一に分布させることで、脳全体にセロトニンを供給していると考えられます。しかし、セロトニン神経の軸索を脳全体に分布させるメカニズムについてはよくわかっていませんでした。

香取らは以前に大阪大学八木健研究室にてプロトカドヘリンαファミリー（14種類からなる細胞膜貫通タンパク質群）を欠損したマウスではセロトニン神経の軸索の分布異常（局所的な過密化と過疎化）が見られることを報告していました(Katori et al., J Neurosci 2009)。今回の研究では解析をさらに進めて、プロトカドヘリンαファミリーの一つのタイプであるαC2をセロトニン神経で欠損させたマウスを作製したところ、セロトニン神経の軸索分布が異常となりました。一方、プロトカドヘリンαの他のタイプを欠損させたマウスのセロトニン神経軸索の分布は正常でした。セロトニン神経軸索の詳細な形態解析から、αC2がセロトニン神経軸索の過密化を抑制し、分散させるために必要であることを明らかにしました（図）。αC2を持つセロトニン神経軸索同士が接触すると、そこでの軸索伸長を抑制し、軸索密度の低い場所に軸索を伸長させることで脳全体に軸索を分散させていると考えられます。プロトカドヘリンα遺伝子はヒトの神経疾患との関連が示唆されていることから、本研究の成果はセロトニン神経が関与する神経疾患の解明につながることが期待できます。

本研究は香取将太研究員（現福井大学特命助教）が中心となって行ったものであり、大阪大学大学院生命機能研究科、国立遺伝学研究所、新潟大学脳研究所の共同研究として行われました。

図：マウスの嗅球（嗅覚に関与する脳領域）でのセロトニン神経軸索の分布。セロトニン神経の軸索（ピンク）は野生型（左）では層全体にほぼ均一に分布するが、プロトカドヘリンαC2欠損型（右）では一部の層（顆粒細胞層）で過密化し、他の層では過疎化する。過密化した層ではセロトニン神経軸索同士が近接している様子が観察できる（拡大図）。

脳機能研究部門・平田研究室

本研究では、腹側正中線並びに脳室帯特異的に軸索誘導分子ネトリン１(Ntn1)を欠損したマウスを作成し（Ntn1FP-Ko, Ntn1VZ-Koマウス）、脳室帯に由来するNtn1こそが、交連軸索の腹側伸長に必要不可欠であることを示しました。この結果は百年を超えて信じられてきた神経回路形成の基本原理に見直しを迫るものです。

今から一世紀以上も前に、スペインの神経解剖学者Cajalは、神経管背側から腹側正中線へと伸長していく交連軸索の観察から、「軸索は標的由来の拡散性化学物質を検出することにより標的へと到達する」という化学走性説を提唱しました。Ntn1は交連軸索標的の腹側正中線に発現し、交連軸索に対して誘引活性を示すことから、Cajalの提唱した化学走性説の責任分子として考えられてきました。しかしながらNtn1は、交連軸索伸長経路の近傍の脳室帯にも発現するため、交連軸索の腹側伸長は、腹側正中線ではなく脳室帯に由来するNtn1により、制御されている可能性が残されていました。この問題に取り組むため、私達は脳室帯特異的、腹側正中線特異的にNtn1を欠損するマウスを作成しました。化学走性説が真であるならば、標的由来のNtn1、即ち腹側正中線に発現するNtn1を除去した場合、交連軸索の腹側伸長が阻害されるはずです。しかしながら、腹側正中線特異的にNtn1を欠損させたマウスでは、交連軸索の腹側伸長にほとんど影響は見られず、一方で脳室帯特異的にNtn1を欠損させたマウスでは、交連軸索の多くは、腹側正中線へと伸長できませんでした（図参照）。これらの結果は、交連軸索の腹側伸長は、Cajalの唱えた化学走性説では説明できず、脳室帯由来のNtn1が局所的な作用により制御されていることを示唆しています。

腹側正中線、脳室帯からNtn1の発現を除去した際の後脳交連軸索の走行。腹側正中線からNtn1の発現を除いた場合、交連軸索は腹側正中線（VM）へと伸長する（左図矢頭）。一方で、脳室帯からNtn1の発現を除去した場合、交連軸索は腹側正中線へと到達できない（右図）。交連軸索は脂溶性色素DiIにより標識した。

2017年12月1日付けで新分野創造センターに久保郁准教授が着任しました.

久保　郁：新分野創造センター，システム神経科学研究室

新分野創造センター(Center for Frontier Research)は,「あたらしい人材」と「あたらしい分野」を同時に育成するためのインキュベーションセンターです. 若手の優れた研究者が研究室主催者（テニュアトラック准教授）として研究室を運営し, 遺伝研の卓越した研究環境や様々なサポートを活用して遺伝学とその周辺領域に新しい分野を開拓する研究を行っています.