生物遺伝資源情報研究室・小原研究室

動物の体は、それぞれに異なる機能を持つ多様な細胞から成り立っています。中でも感覚神経には様々な種類があり、一つ一つがある特定の刺激（味、匂い、温度など）だけを受容するように特殊化しています。このように特殊化した機能を持つためには、それぞれの神経は自身に必要な遺伝子だけを選んで発現(*注1)しなくてはなりません。我々は、この過程で行われる遺伝子の発現制御のしくみを明らかにするため、実験モデル生物：線虫C. elegans (シー・エレガンス)を材料に研究を進めています。C. elegans の体は約1,000個の細胞からなる非常にシンプルな動物ですが、人間と同様に味覚、嗅覚、温度などを感じる感覚神経、記憶や学習を司る中枢神経、筋肉を制御する運動神経を持っており、これら全ての神経細胞の形態や、これらが作る神経接続のネットワークが完全に明らかになっています。

今回の研究で、我々はC. elegans の温度センサーであるAFD温度感受神経細胞に着目しました。この細胞では、温度感受遺伝子の一つ、グアニル酸環状化酵素(*注2) gcy-8とgcy-18が発現しています。我々はgcy-8とgcy-18の発現調節領域で、一組のホメオボックス転写制御因子CEH-14とTTX-1が一緒に遺伝子発現の調節スイッチとして働くことを示しました。次いで、これら二つの転写因子が結合するDNAの配列を明らかにし、これらの配列がAFDでのgcy-8とgcy-18の発現に必須であることを示しました。さらに、嗅覚受容細胞であるAWBに、この一組の転写因子を両方、同時に強制発現させることで、この細胞にgcy-8とgcy-18を発現させることにも成功しました。これは、転写因子CEH-14とTTX-1が、本来AWBになるはずだった細胞の運命をAFDに変更し得ることを示しています。

本研究では、CEH-14とTTX-1が中心となって、AFD神経の分化と機能に必要な温度感受遺伝子の発現を調節している可能性を示しました。我々は、今後この研究が、未熟な神経細胞が温度感受神経に特殊化する運命決定のメカニズムや、生物が温度を感じる機構の解明に繋がるのではないかと考えています。

(*注1) 発現：遺伝情報がmRNAを経て、タンパク質が合成され、細胞内で機能すること。染色体(DNA)上にある遺伝子はそのままでは働けません。細胞は自身に必要な遺伝子を選んで、遺伝情報のコピーであるmRNAを作ります。mRNAを元にタンパク質が合成され、細胞は異なる機能を持つようになります。この一連の流れが遺伝子の「発現」です。この論文では、特に「発現」の一番最初の段階の遺伝情報の選択のメカニズムについて得られた成果を報告しています。

(*注2) グアニル酸環状化酵素：細胞外からのシグナルを細胞核に伝達する過程を仲介する機能タンパク質。

gcy-8、gcy-18プロモーターの中にある、CEH-14とTTX-1の結合配列を破壊すると、GFPレポーターはAFDでの発現を失う。
gcy-8プロモーターとgcy-18プロモーターにある、CEH-14とTTX-1の結合配列を一方(ΔCEH: CEH-14結合配列を破壊、ΔTTX: TTX-1結合配列を破壊)、または両方破壊(ΔCEHΔTTX)して、GFPレポーターの発現の変化を観察した。写真の露光時間は、野生型(A, D)は0.2秒、変異型(B-D, E-H)は2秒。発現が弱い・無いものについては、デジタル増幅を行い、左上の灰色部に示した。

AFD遺伝子の発現には、CEH-14とTTX-1の両方の結合配列が必須である。
転写因子CEH-14とTTX-1は、温度感受神経AFDで働く遺伝子群の調節領域(CEH-14: CTAAT, TTX-1: TAA(T/G)CTT)に結合し、その遺伝子の発現を制御している。一方の転写因子の結合配列が破壊されても、ある程度の遺伝子発現は保たれるが、その両方の結合配列が破壊された場合、遺伝子発現は完全に喪失する。