真核生物による葉緑体つまり光合成能の獲得は、真核細胞内へのシアノバクテリア（光合成を行うバクテリア）の一次共生（紅藻、緑藻、植物の共通祖先）の他、それによって生じた真核藻類の二次共生により（褐藻、渦鞭毛藻、ミドリムシなどのそれぞれの祖先）様々な系統で独立に何度も起きたことが知られています。また、細胞内に取り込んだ単細胞藻類を数週間から数ヶ月間、葉緑体のように利用した後に消化する単細胞生物（盗葉緑体性生物）、長期にわたって任意共生させる単細胞生物が多くの系統で見つかっており、葉緑体の成立は、単細胞真核細胞による単細胞藻類の捕食、一時的保持、恒久的保持という順の進化の結果だと考えられています。

光合成装置は有害な活性酸素種を生じるため、藻類および植物は光合成酸化ストレスへの様々な対処機構を発達させていること、対処しきれない場合は死んでしまうことが知られています。同様に単細胞藻類を共生させるまたは捕食する真核生物も、単細胞生物の場合、細胞内に取り込んだ藻類細胞に光が届くので活性酸素種が生じ、光合成酸化ストレスに曝されると予想されますが、単細胞の捕食性生物にとって藻類えさが毒まんじゅうであるのかについての研究例はこれまでありませんでした。

そこで、日当たりの良い湿原から単離した系統の大幅に異なる3種の藻食アメーバを用いた解析を行いました。その結果、以下のことが3種のアメーバに共通して起こることが明らかとなりました、（１）藻食アメーバは餌の光合成性と光特異的に強い酸化ストレスに曝される。光合成酸化ストレスが上昇する強光下で光合成生物を補食すると死ぬこともある。（２）昼間にはアメーバの酸化ストレス対応遺伝子群の発現が上昇し、一方でアクトミオシン等ファゴサイトーシス関連遺伝子群の発現が抑制される。（３）アメーバは昼間には餌の取り込みを抑制する一方で、それでもなお取り込んでしまう餌の消化速度を速める。つまり、細胞内の光合成性えさの数を減少させることで活性酸素種の発生を抑えていると予想される。これに似た現象として、光合成酸化ストレスが高まる環境下で、細胞内の共生藻類を消化または吐き出すことが、ミドリゾウリムシ、サンゴなどで知られている。（４）アメーバは、これまで藻類・植物でのみ見つかっていたクロロフィル（光合成色素；光合成装置から遊離した状態で光を受けると活性酸素種を生じる）の分解・無毒化遺伝子を、それぞれ独立に、光合成生物からの遺伝子水平転移により獲得している。これらの遺伝子は、光または酸化ストレスにより発現誘導される。

これらの結果、光合成生物を細胞内に共生させ、さらには葉緑体として利用するための機構は、捕食・被食の段階から漸進的に準備されてきたことが示唆されます。これまで、葉緑体タンパク質をコードする核ゲノムの遺伝子群の多くは、恒久的な細胞内共生の確立後、共生体ゲノムから宿主核ゲノムに移行することで獲得されたと考えられてきました。しかしながら、今回の研究の結果、それらの少なくとも一部は、共生が成立するよりも遙か前の、捕食・被食段階から（例えば光合成性えさゲノムから捕食者の核ゲノムへの）水平転移によって順次獲得されてきた可能性も示唆されます。

本研究に至った経緯等は別途Nature Ecology and Evolution誌の “Behind the paper” で紹介しています。

本研究は、国立遺伝学研究所の宇塚明洋（元総研大大学院生）、小林優介（現茨城大学）、大沼亮（学術振興会特別研究員）を中心として、静岡大学、東京農業大学との共同研究チームによっておこなわれました。

本研究は、科学研究補助金（16K14791, 17H01446, 17J08575）、文科省私立大学戦略的研究基盤形成支援事業（S1311017）などの助成のもとに実施されました。

図：小田貫湿原（静岡県富士宮市、2013年4月23日）から単離した藻食アメーバ。それぞれ真核生物の異なるスーパーグループに属するが（2種はアメーボゾア、1種はエクスカバータ）、光合成性えさの生じる酸化ストレスに対して同様の対処機構をそれぞれ独立に進化させていることがわかった。赤は細胞内に取り込まれたシアノバクテリア（光合成をするバクテリア）のクロロフィル（光合成色素）蛍光。

中枢神経系では、多くのニューロンが脳室に面した場所で生まれたのち、最終目的地まで移動します。大脳皮質においても脳室帯で生まれたニューロンは、ラジアルグリア細胞の突起をガイドとして、脳表面に向かって移動することが知られています。機能的な脳構造を作るためには、これら移動ニューロンが適切な位置で停止することが必要ですが、そのメカニズムについてはよくわかっていませんでした。私たちはセマフォリン（Sema）ファミリーの受容体として知られるプレキシン（Plxn）A2とA4のダブルノックアウト(dKO)マウスを解析する過程で、大脳皮質の最表層を占めるニューロンが適切な位置を超え、第１層に侵入するということを見出しました。野生型マウスではPlxnA2/A4はこれら移動ニューロンの先導突起上に発現しており、PlxnA2を使ったレスキュー実験により、これら分子の発現が移動停止に必要であることを確認しました。一方PlxnA2/A4のリガンドであるSema6A分子はラジアルグリア細胞に発現しており、ラジアルグリア細胞のSema6A遺伝子をノックアウトするとニューロンは第１層へと侵入しました。これまでの研究から、PlxnA2/A4とSema6Aの相互作用は反発活性を引き起こすことが知られています。以上の結果から、最表層のニューロンはラジアルグリアの突起をガイドとして移動したのち、ニューロン上のPlxnA2/A4と突起上のSema6Aが相互作用することにより突起を離れ、そこで移動を終了するという新しい分子メカニズムが考えられました。

図：大脳皮質のニューロンはラジアルグリア細胞の突起をガイドとして表層方向へ移動します。最表層ニューロンの停止過程では、ニューロンに発現しているPlxnA2/A4とラジアルグリア細胞上のSema6Aの相互作用により、辺縁帯（将来の第１層）の直下で移動を停止すると考えらます。どちらかの遺伝子が欠損するとこれらニューロンは第１層に侵入し、大脳皮質ニューロンの配置が乱れます。

本研究は畠中由美子（大阪大学生命機能研究科助教）と川崎能彦（遺伝学研究所助教）が中心となって行ったものであり大阪大学生命機能研究科、国立遺伝学研究所、理化学研究所、名古屋市立大学、中部大学、生理学研究所の共同研究として行われました。
NIG-JOINT Collaboration Research Grants 2013-A, 2017-A

Press release

プレスリリース資料

細胞分裂はあらゆる生物の成長の根幹となる生命現象です。植物の細胞分裂は根や茎の先端で繰り返され、植物の成長は細胞分裂の効率に大きく依存します。植物細胞は細胞板で細胞質を仕切ることにより分裂します。この仕組みは細胞がくびれることにより分裂する動物細胞と異なっています。植物細胞が細胞板を形成して細胞分裂をする仕組みには未解明の部分が数多く残されています。

情報・システム研究機構 国立遺伝学研究所の小田祥久教授らの研究グループは、植物細胞が細胞板を効率よく作り出す仕組みを世界で初めて明らかにしました。本研究グループは、細胞板を作り出す装置に含まれるタンパク質「CORD４」を見出し、CORD４が細胞板の成分を運ぶレールである微小管(1)を効率よく配置することにより、細胞板をより短時間で作り出していることを突き止めました。

本研究により、植物のユニークな細胞分裂の仕組みの一端が明らかになりました。この成果は植物の細胞分裂の仕組みとその仕組みの進化の過程の解明に繋がる貴重な手がかりです。この仕組みを利用することで、農作物の生育を早める新しい技術に繋がる可能性も期待されます。

本研究は、北海道大学電子科学研究所ニコンイメージングセンター、自然科学研究機構基礎生物学研究所、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所(WPI-ITbM)との共同研究として行われました。

また、本研究は、文部科学省の科学研究費補助金（JP19H05372, JP19H05677, JP19H05670）、日本学術振興会の科学研究費補助金（JP18H02469, JP18K14737, JP18KK0195, JP15H05953, JP16H06280, JP16H06378）、物質・デバイス領域共同研究拠点：人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンスにおける共同研究「COREラボ」（20186001,20166001）、国立遺伝学研究所 NIG-JOINT（89A2019）、ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラムの助成を受けました。なお、所属は論文受理時のものです。

本研究成果は、米国科学雑誌「Current Biology」に2019年11月14日午前11時（米国東部時間）に掲載されました。

図: 植物細胞の分裂の様子
A, 植物細胞は細胞板により細胞質を仕切ることで分裂する。
B, 細胞板はフラグモプラスト(2)と呼ばれる装置により作られる。フラグモプラストでは短い微小管が細胞壁の成分を含む小胞を輸送する足場としてはたらいている。CORD４は、フラグモプラストの微小管を細胞板に垂直に並べる。輸送された小胞が細胞板と融合することにより細胞板が拡大していく。

これまで生物を扱う研究者は、不透明な生物内部の器官を調べる際に、組織標本の作成など破壊的な観察方法に頼らざるをえませんでした。一方で、非破壊的なマイクロフォーカスX線CT装置（microCT）を用いる観察方法は、技術進歩によりとても有効な観察手法となってきました。しかしながら、この観察手法は、生物学分野では医療および産業分野においてほど一般的とはいえません。この理由はサンプル採取、固定、染色、撮影、およびデータ解析までの各ステップをカバーするわかりやすいマニュアルが少ないことと、生物学で対象とするような後生動物に多様性があるからです。特に、海産無脊椎動物は、多様なサイズや形態、生理機能を持つため、サンプル調整法やハードウェア設定などの手法をサンプルに応じて最適化することが重要です。

国立遺伝学研究所 前野哲輝技術専門職員、東京大学 幸塚久典技術専門職員、筑波大学 中野裕昭准教授らの共同研究グループは、この課題の解決に取り組みました。その取り組みの成果として、系統発生的に異なる３つの海産無脊椎動物（ウメボシイソギンチャク（刺胞動物）、ウロコムシ（環形動物）、およびニッポンチンウズムシ（珍無腸動物））を使用して、microCTによる解析手法を紹介した論文を、ビデオジャーナル「JoVE（Journal of Visualized Experiments）」にて公開しました。今後、本手法により、様々な海産無脊椎動物の構造が明らかになることが期待されます。

microCTを研究に活用したい方へ
国立遺伝学研究所では、microCTを使用する環境にない研究者を対象に、研究目的に合わせた撮影計画とmicroCTによるデータ取得、プレゼンテーション用の画像や動画作成までをサポートする画像解析支援を行なっています。対象となる生物材料は、海産無脊椎動物だけでなく、魚類、哺乳類、昆虫、植物など広い範囲をカバーしています（装置の仕様による制限はあります）。ご興味のある方は、毎年、10月頃に募集の始まる公募型共同研究（NIG-JOINT）をご確認の上、担当者までお問い合わせください。

技術専門職員　前野哲輝（amaeno@nig.ac.jp）

図：この研究で使用した海洋無脊椎動物 (A,B)
(A)麻酔下のウメボシイソギンチャク（刺胞動物花虫綱）。(B)麻酔下のウロコムシ （環形動物門多毛綱）。この段階で、ほとんどのウロコ（背鱗）が失われている。残っているのは後方（写真右側）の４枚のみである。 Scale bars = 3 mm.
CTスキャンによる断面画像 (C-G)
ウメボシイソギンチャクの横断面(C) と縦断面(D) Scale bars in C, D = 3 mm.
ウロコムシ前端部分の矢状断面 (E) とE図点線fとgの横断面(F, G)
Scale bars: E = 1 mm; F, G = 0.3 mm.

動画: CTスキャンデータから作成したウロコムシ全身のボリュームレンダリングおよび横断面動画。6秒から16秒：ボリュームレンダリング画像。上段は左から見た図、下段は正面から見た図。17秒から1分42秒：横断面動画。上段の矢状面画像上の動く緑色のラインは横断面の位置を示す。17秒から53秒の左下は、標本前端部分を拡大撮影したデータの横断面。1分7秒から1分14秒の右上は、画像解析ソフトImarisを用いて作成した主要臓器の３Dモデル。
協力：鹿児島大学 田中正敦氏

関連リンク
生物の複雑な構造を３次元で解き明かす

本技術は以下の研究成果の基盤のひとつになっています。
・日本近海で初の珍渦虫の新種を発見 ―動物の起源や進化過程を探る糸口に―
・ヒト先天異常「全前脳胞症」の発症にかかわる制御配列を発見
・魚の浮き袋という進化上の発明のカギは、「腹側」から「背側」への遺伝子スイッチの切り替えだった
・単子葉植物の茎に特徴的な形態形成を制御するメカニズム
・歯の本数は、複数のエンハンサーによるShh遺伝子の発現調節によって決まる
・ゼブラフィッシュ胚/稚魚全個体移植による個体形成
・遺伝子スイッチの「移設」が手に水かきを作る
・カブトムシの角（ツノ）にオスとメスとの違いが現れる時期の特定に成功（基礎生物学研究所）
・ヒト４番染色体長腕部分重複症の原因解明：Hand2遺伝子量効果による四肢・心臓の形態異常

鼻で受容された匂いの情報は、脳の嗅球へと伝えられ、ここで二次元的に整理された匂い地図として表現されます。この情報は、その後ランダムに拡散的に入り混じりながら次の中枢へと伝えられてゆくと考えられてきました。我々は、神経細胞の発生タイミングの違いを利用してloxP遺伝子組換えを誘導するトランスジェニックマウス系統（誕生日タグづけ法）を開発し、嗅球から中枢への神経結合パターンを解析しました。その結果、嗅球の神経細胞のうち早生まれの僧帽細胞と遅生まれの房飾細胞は、同じ匂い情報の入力を受けながらも、異なる標的に出力する並列回路を作ることがわかりました。

並列処理は感覚情報処理の基本です。例えば視覚系は、眼で受け取られた視覚風景の中から「色」「線の傾き」「動き」といった異なる特徴を抽出して並列処理することで、エッジの効いた属性情報へと転換し、我々が「物をどう見るべきか」を一義的に決めています。本研究結果は、嗅覚並列回路も、同じように、同一セットの匂い情報の中から、何らかの特徴を抽出し、強調して、出力へとつなげていることを意味しています。嗅覚の鈍い私たち人間には嗅覚の属性情報を想像することは難しいですが、「誕生日タグづけ法」は、今後嗅覚の並列情報処理の機能的意味を知る上でも有効であると期待されます。

本研究は、日本学術振興会と文科省による科学研究費（16H04659、17H05776; 17H05587）　および、ROIS未来投資型プロジェクト研究支援を受けて実施されました。

図：誕生日タグづけ法による嗅球投射神経細胞の分類と軸索投射のパターン
タグづけ時期 (TM10.5~17.5) の違いにより、副嗅球（AOB）、僧帽細胞（MC）、房飾細胞（TC）を分類でき（円グラフ）、それらが異なる標的に軸索を投射することが明らかとなった（下模式図）。

• 本技術は“誕生日タグづけ マウスの脳画像データベース”「NeuroGT」の基盤になっています。

Press release

プレスリリース資料

わたしたちの脳は、DNA配列に書き込まれた設計図をもとに作られます。その設計図は、どの遺伝子が「どのような細胞で働き」、「どれくらいのタンパク質を生産するか」を正確に指示しています。もし、設計図が壊れて、胎児期の脳を形成する重要な時期に、遺伝子の「制御」にエラーが起これば、重篤な先天異常につながります。

情報・システム研究機構 国立遺伝学研究所の嵯峨井知子博士研究員、城石俊彦名誉教授（現理化学研究所（理研）バイオリソース研究センター（BRC）センター長）、理研BRCの天野孝紀チームリーダーらの共同研究グループは、脳の形成に重要な「遺伝子の働きを制御する」仕組みを発見しました。脳の形成には、SHH（ソニックヘッジホック）遺伝子が重要であることが知られていましたが、本研究ではこの遺伝子の遺伝子発現を調節する「制御DNA配列（エンハンサー(1)）」をマウスのゲノムから見出しました。ヒトを含む他の脊椎動物ゲノム中にもこの配列に類似の配列が存在していました。そして、この配列の機能不全は、ヒトの先天異常である全前脳胞症（holoprosencephaly）の発症原因となり得ることがわかりました。

本研究成果は、米国科学雑誌「米国科学アカデミー紀要(PNAS)」に2019年11月4日午後3時（米国東部標準時間）に掲載されました。

本研究は、文部科学省のJSPS科研費 JP24247002ならびにJP15H02412の助成を受けたものです。

組織構造解析では、国立遺伝学研究所のX線マイクロCT技術が研究成果の基盤の一つになっています。
国立遺伝学研究所 3D Imaging Roomウェブサイト
生物の複雑な構造を３次元で解き明かす

図: X線CT解析で撮影された正常マウスの脳（左）と異常をきたした脳（右）。
異常をきたした脳（右）は、エンハンサー（SBE7）の欠損によって大脳不分離となった。

ヒトを含む哺乳動物の卵子は原始卵胞と呼ばれる最も未成熟な卵胞の発達により産生されます。原始卵胞は出生前後の卵巣で形成され、その未成熟性を維持しつつ逐次的に卵子に成長することで、長期に渡る女性の生殖可能期間を支えています。この分子機構の破綻は早発閉経など女性不妊とも密接に関わることから、医学的にも重要な研究課題の一つです。

国立遺伝学研究所の加藤譲助教らのグループは九州大学、山梨大学との共同研究により、原始卵胞の形成に必須な2つのRNA結合タンパク質を同定しました。グループはまず、原始卵胞の形成に関わる遺伝子の探索からRNA結合タンパク質ELAVL2をコードする遺伝子Elavl2を同定しました。卵巣においてELAVL2は卵母細胞特異的に発現します。遺伝子ノックアウトによりElavl2遺伝子を破壊したところ、卵母細胞が原始卵胞形成直前に死滅することが明らかとなりました。続いて、ELAVL2に結合するメッセンジャーRNAを解析したところ、ELAVL2がP-bodyと呼ばれるRNAとタンパク質複合体から成る細胞質顆粒因子のメッセンジャーRNAと結合することを見出しました。さらに、ELAVL2の標的RNAの一つであり、P-body形成に必須のRNAヘリカーゼであるDDX6をノックアウトしたところ、P-body様の顆粒および原始卵胞の形成が著しく阻害されることを見出しました。すなわち、ELAVL2に始まる一連のRNA制御機構が原始卵胞の形成に重要であることが示されました。これらの知見は原始卵胞形成の分子機構の理解と生殖医療の発展に貢献することが期待されます。

本研究は以下の支援を受けて行われました。 日本学術振興会[(No.17K07422加藤譲)、(No.26251025相賀裕美子) 文部科学省新学術領域[(No.26114512, 16H01259, 19H05246加藤譲)、(No.26114506岩森督子)]

図：マウスにおいて原始卵胞(Primordial follicle)は出生直後に形成される。原始卵胞の形成に先立ち卵母細胞（黄色）の細胞質にはP-body様の細胞質顆粒が形成される。RNA結合タンパク質ELAVL2とDDX6はこの顆粒の形成および原始卵胞の形成に必須である。