博 士（環境 科学） 宮崎智史
学位論 文題名
Regulatory IVIechanismsof theAlt
ernativ
e Development
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athway in an
ts: Caste and Sexual Diff
erentiation（ アリ 類に おける 選択 的な 発生 経路 の調 節機 構：カースト分化と性分化）

学 位論 文内容 の要 旨

地球上の生物が示す表現型は極めて多様である，多くの生物学的研究がなされてはいるものの，表現型の多様化をもたらす発生及び進化機構は未だ解明されていない部分が多い，これらの生物の中では，同種であっても複数の表現型を生じる例が多くあり，それらの事例は表現型の進化に関する研究対象として非常に興味深い，中でも同種内で非常に多様な表現型（雌雄及びカースト間の多型）を示すアリ類は特筆に値する．多くのアリ種では核相（遺伝的要因）により性が決定され，さらに雌は環境要因によルカース卜運命が決定される．従って，同一のゲノム情報を有していても異なる発生経路をたどることが可能である．そこで私は，この発生経路切替の機構を明らかにすることで，生物の表現型進化の機構について新たな知見をもたらすことができると考えた．本博士論文ではアリ類にみられる選択的な表現型発現の機構のうち2つについて調べた．
第一部では特殊なカーストを有するカドフシアリMy
rmecman＊）p夘´caのカ―スト分化について組織形態学的研究を，第二部では顕著な性差を示すトゲオオハリアリD珀cammasp．の性分化について分子生物学的及び生理学的な研究を行った．
董 二 ニ 艶 ！ 生 廻 型 董 殖 壼 二 丕 ヒ 窒 壷 童 墨 カ 蛭 2皇 Zり に おけ る 壼 ニ ニ 丞 ヒ 圃 Q髭 壟 金 但
カドフシアりは日本に広く分布し，その多くは有翅女王とワーカーからなる一般的な社会形態をとる，しかしながら北海道など一部の地域では2タイプのコロニ―が存在し，それぞれ繁殖カーストが異なる．一方では一般的な有翅女王が，もう一方では無翅の中間型繁殖カース卜（中間型）が繁殖を担う．有翅女王からも中間型が産出されうることから，全ての個体が3カーストのいずれにもなりうる潜在的な能カを有すると示唆される，第ー部ではこれらの個体の発生過程の観察によルカース卜分化における発生制御の機構について考察した．第ー章ではそれらの3カーストの間で成虫形態を比較し，その結果，中間型は単純に女王とワーカーの中間的な形態を示すのではなく，女王と同程度に発達した形態とワーカーに類似した形態とを併せもつことが明らかとなった．第二章では、カースト特異的形態を示した器官（複眼，翅，生殖腺）においてその発生過程を比較し，各器官の間でカ―ス卜分化のタイミングが異なることを示した．この結果は―985―

各器官の発生がモジュ―ルとして独立に制御されること，そしてそれらの発生はカース卜特異的にも制御されることを示唆した．従って第ー部では，モジュール特異的及びカースト特異的な発生制御の両方が働くことにより本種に表現型の多型がもたらされること，また，本種の中間型のような表現型の進化には既存の形質の発生を改変することが重要であり、新規形質の獲得は必ずしも必要ではないと示唆された，釜三聾！bZ耋耋AljZ堕缶疊！童墨題董塑蛙羞堕発生釜盤
アリ類を含む膜翅目は性差の大きな分類群として知られるが，なかでもトゲオオハリアりの体色における性差は顕著である．また，ショウジョウバエなどを用いた研究により，昆虫の体色は単純な分子基盤により決定されることが知られる，従って本種の体色性差は膜翅目における性分化の発生機構研究のモデルケースとして適切である．そこで第三章では体色性差の発現過程を調べるとともにその分子基盤を明らかにした．体色の発現は，蛹期に蛹クチクラの下で形成される成虫クチクラに色素が沈着することで起こる．そこで蛹期に起こる体色発現の過程を観察し，雌では黒色，雄では赤褐色を示す体色性差が黒色メラニンの有無により生じることを示した．メ
ラニンには黒色メラニン(D〇PAmelanin)と褐色メラニン(dopaminemelanin)があり，ye′′〇w，曲〇nM扮n，めpad・eca巾Dツ艪Se，pa旭などの体色遺伝子群で構成される遺伝子経路の働きによって生成される，そこでそれらの体色遺伝子群の発現様式を雌雄で比較し，黒色メラニンの生成に関わるとされる炸舶wの発現量が雌で高いことを示した，さらにニ本鎖RNA干渉（dsRNAi）法によりye´´0wの発現抑制を行ったところ，雌において黒色化が抑制された．従って体色遺伝子経路の一要素である炸舶wが，モジュ―ルとして性特異的な発現制御を受けることで体色性差が実現されることが示唆された，
昆虫の体色や性差形質の発生は，昆虫の脱皮を主に制御する幼若ホルモン（jH）に制御されるとの報告があり，本種の体色性差にも同様のホルモン制御の存在が示唆される，第四章では］Hによる体色性差の制御機構を調べた，ユH類似体の塗布処理により色素生成異常が誘導されたことから，コHは本種の体色に対して抑制的な効果を持つことが示唆された，さらに〕H処理個体では炸ゾ′Dw発現の低下など一部の体色遺伝子の発現に変化が認められた，また通常個体について，JH感受期におけるJH濃度の測定及びJH受容体候補の1つ＾ねめDp′ene‐め伯ranf（MeDの発現量の定量を行い，雄のJH濃度が高いこと，Mef発現には性差がみられないことを示した．これらの結果はコH濃度の性差が体色遺伝子の発現制御を介して体色性差を制御することを示唆した．従って第二部では，］Hの性特異的な働きにより，雌雄で共有する遺伝子経路の―部がモジュールとして そ の 発 現 様 式 を 変 更 さ れ るこ と で ， 体 色 性 差 が 実 現 さ れる こ と を 示 唆 し た ，
本博士論文では，アリ類における選択的な表現型発現において，モジュ―ルごとの発生過程の改変が極めて重要な役割を果たすことが示唆された．っまり器官単位で発生過程が異なるモジ‑ 986―

ユール性，もしくは遺伝子単位で発現パタ―ンが異なるモジュ―ル性が，単一ゲノムからの多様な表現型の創出に重要であると示唆された，また，既存の発生経路が別の発生学的局面においても関与するようになり(co‑option），さらに結果として生じた表現型が適応的意義を獲得することで新たな表現型の進化が起こりうると推測された．表現型の発現や進化におけるモジュール性及び発生モジュ―ルのco‑optionの重要性を示唆した本研究が，生物に表現型の多様化をもたらす発生及び進化機構を解明する端緒となることを期待する．

― 987―

学 位 論 文 審 査 の 要旨
主 査 准 教 授 三 浦徹
副 査 教
授 木 村人
副 査 教
授 東 正 正 剛

学位論文題名Regulatoryrv
IechanismsoftheAlternativeDevelopment
alPathway in ants: Caste and Sexual Diffrendation（ア リ 類 にお け る 選択的な 発生経路 の調節機 構：カー スト分化 と性分化 ）地球上 の生物が 示す表現 型は極 めて多様 で、そ の多様化 をもた らした進 化発生学的メカ
ニズ ム の 解明 は 生 物学上 の重要な テーマの 1つ である。 表現型 が多様化 した過程 におい て、同じゲノ ムを共 有する個 体間で 環境条件 に応じて 表現型 を変える 能力： 表現型可 塑性の担う役割は大 きかっ たと考え られて いる。膜 翅目は同 じゲノ ムを共有 するコ 口二ーメ ンパー間で多様な表 現型1を示す ことで知 られる が、本学 位論文 では、その膜翅目の中でも表現型分化の顕著なア リ類に 注目し、 それら の発生分 化過程に 対して 多面的な 解析を 行った点 がユニークである。 第一部 ではカド フシア りM
yrmecinanipponicaにみられる特殊なカースト分化について組織形 態学的 な研究を 、第二 部では顕 著な性的 二型を 示すトゲ オオハ リアリDi
acammasp.の性分化 につい て分子生 物学的 および生理学的な研究を行った。そして特定のモジュール（器官や細胞 、遺伝 子経路な ど、形 態形成の 単位）に 対する 発生制御 の改変 が両方の 現象に共通する発生 機構で あると示 唆する ことがで きた。ま た、そ れぞれの 現象に 対して適 切な材料を選択した ことで 、前者で はカー ストの進 化につい て進化 発生学的 に重要 な示唆を もたらし、後者では 性的二 型形質の 発現に 関わる分 子基盤を 確立す るととも に、そ れがホル モン制御を受けるこ とを明 確に示す ことが できた。
カ ド フシ ア り には 2夕 イプの コ口二 ーが存在 し、そ れぞれ繁 殖カー ストが異 なる。一 方は一般的 な有翅女 王が、 もう一方 は無翅 の中間型 繁殖カ ースト（ 中間型） が繁殖 を担う。 有翅女王 か らも 中 間 型が 産 出 されう ることか ら、全て の個体 が潜在的 には3カース トのいず れにもなり うると示 唆され る。第一 部では これらの 個体の 発生過程 の観察に よりカ ースト分 化における 発生制御 の機構 ・につい て考察 した。第一章ではそれらの繁殖カーストとワーカーの間で― 988―

成虫 形態を 比較し、 中間型 は女王と 同程度 に発達し た形態と ワーカ ーに類似した形態とを併せ持 つこと を示した 。第二 章では、 カース ト特異的 形態を示 した器 官においてその発生過程を比 較し、 各器官の 間でカ ースト分 化のタ イミング が異なる ことを 示した。従って第一部では、 本種の 発生分化 がモジ ュール（ 器官） 特異的お よびカー スト特 異的な発生制御の組み合わせ によっ て調節さ れるこ と、また 、本種 の中間型 のような 表現型 の進化には既存の形質の発生 を改変 すること が重要 であり、 新規形 質の獲得 は必ずし も必要 ではないことが示唆された。

アリ 類を含む 膜翅目 は性差の 大きな 分類群と して知ら れるが 、なかで もトゲオオハリアりの 体色にお ける性差 は顕著 だ。また 、昆虫 の体色は 単純な 分子基盤 により決定されることが知 られる。 従って本 種の体 色性差は 膜翅目 における 性分化 の発生機 構研究のモデルケースとし て適切だ 。そこで 第三章 では体色 性差の 発現過程 を調べ るととも にその分子基盤を明らかに した。体 色発現過 程を観 察し、雌 では黒 色、雄で は赤褐 色を示す 体色性差が黒色メラニンの 有無によ り生じる ことが 示唆され た。続 いてメラ ニン生 成に関わ る体色遺伝子群の発現様式 を雌雄で 比較し、 黒色メラニンの生成に関わるyellowの発現量が雌で高いことを示した。
さ らに RNAi
法 に よ る遺 伝 子 機能 解 析 により、 yellowは雌の 黒色化 に強く関 わるこ とが示唆され た。
昆 虫 の体 色 や 性差 形 質 の発 生 は 、昆虫の 脱皮を 主に制御 する幼 若ホルモ ン(JH)に制 御され るとの報 告があり 、本種 の体色性 差にも 同様のホ ルモン 制御の存 在が示唆される。第四章 では JHに よる 体 色 性差 の 制 御機 構 を調べ た。JH類 似体の塗 布処理 により色 素生成 異常が誘 導さ れ た こ とか ら 、 J
Hは 本 種の 体 色に対 して抑 制的な効 果を持 つと示唆 された。 またJH感 受期 に お け るJH濃 度は 雄 の 方が 高 いこと が示さ れた。さ らにJH処 理個体で はyellowなど
一部 の体色遺 伝子の発 現に変 化が認め られた 。これら の結果 はJH濃度の 性差が体色遺伝子の発現 制御を介 して体色 性差を 制御する ことを 示唆した 。従っ て第二部 では、JHの性特異的な働き により、 雌雄で共 有する遺伝子経路の一部がモジュールとしてその発現様式を変更され、それ を介して 体色性差 が実現 されるこ とを示 唆した。
本学位論 文では非 モデル 生物であ るアリ 類を材料 に、幼 虫期間に おけるカースト分化過程 に 注 目し た 組 織 形態 学 的 解析 や RNAi法を 用いた 遺伝子機 能解析 を行った 点、また ホルモン 制御に 対する遺 伝子発 現の応答 を明確に 示した 点は特筆 すべき であり、世界でも類を見ない 研究と 言える。 本研究 を参考と して、膜 翅目の 表現型分 化に関 する研究は今後大きく発展
す ること が期待で きるだ ろう。審 査員一同 は、こ れらの成 果を高 く評価し、また、未開拓の材 料や現 象に挑戦 する研 究者とし ての姿勢 、大学 院過程に おける 研鑽をあわせ、申請者が博士 （ 環境 科 学） の 学位 を受 け るに 十分な資格 を有するもの と判定した。
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