動物の“正直シグナル”の正体をさぐる
The making of reliable signal in animal ornament（日本動物学会推薦）

代表研究者 東京大学

岡田泰和 The University of Tokyo Yasukazu OKADA

協同研究者 モンタナ大学 Douglas J. Emlen
東京大学 香月雅子

The University of Tokyo Masako KATSUKI

Nutritional conditions during early development often influence the plastic expression of adult phenotypes. The
development of sexual ornaments has striking nutrition sensitivity, resulting in the positive allometry andhypervariability distinct from other traits. Using de novo RNA sequencing, we identified a subset ofnutrient-sensing genes and epigenetic regulatory genes in our model animal Gnatocerus cornutus (broad hornedflour beetle). Using larval RNAi, we have shown that one specific type of insulin-like peptide strikingly changes
the size of mandibles, i.e. the weapon in males. Gene-knockdown (RNAi) for epigenetic modifying factors in final
instar larvae revealed that histone deacetylase (HDAC) preferentially influence the mandible size (exaggeratedmale ornament). RNAi-mediated HDAC1 knockdown in G. cornutus larvae caused specific curtailment ofmandibles in adults, whereas HDAC3 knockdown led to hypertrophy of mandibles. Notably, these knockdowns
conferred opposite effects on wing size, but little effect on the sizes of other body modules such as genitalia. Theseresults suggest that the plastic development of exaggerated traits is controlled in a module-specific manner byepigenetic mechanisms associated with histone modification. We propose that nutrient-sensing mechanism andepigenetic mechanism may work together to generate weapon-specific nutrition sensitivity.
研究目的
動物の角や大顎、美麗な羽といった装飾形質には

このように、武器となる器官は非常に大きな栄養

顕著な個体変異があり、栄養条件が良く大きなサイ

応答性とバリエーション（形態変異）を示す。このズのオスほど、不釣り合いなまでに大きな装飾を発特徴は、性選択において個体の質を伝える重要な性達させる傾向がある。カブトムシやシカに見られる質だが、武器特異的な発達が生じる発生や遺伝のメような武器はその好例で、大きな個体ほど不釣り合カニズムはよくわかっていない。そこで、私は昆虫いなまでにサイズの大きな武器を発達させることで、の武器に注目して形態変異の作出メカニズムの解明

個体の質を“正直に”伝えるシグナル形質としてのを目指している。

役割を果たしている。これと相反し，体サイズが大オオツノコクヌストモドキというコムギなどにつきく変わっても器官サイズがあまり変化しない安定

く、5mm ほどの甲虫は、オスの大顎が前方に発達し、な形質も存在する．脊椎動物の脳や昆虫の交尾器なオスがなわばりやメスをめぐって争うための武器をどは生育時の栄養条件によらずほぼ一定の器官サイ持つ。本種は幼虫期の栄養の量を操作すると、武器ズに成長するため、環境からの影響をうまく緩和すの大きな大型のオスと、武器の微小な小型のオスをるような発生プロセスを備えているといえる。つま作出することができ、環境要因によって形態変異がり、発生過程における環境からの影響の受けやすさ生じることがすでにわかっている(Fig. 1)。本種は大は 、 体 の 器 官 や 部 位 ご とに 大 き く 異 な っ て い る

量飼育や遺伝子操作が可能であることから、私はこ(Emlen et al. 2012)。のオオツノコクヌストモドキ, Gnatocerus cornutus を主なモデル種として、オスの大顎に大きなバリエーよるノックダウン（KD）を行い、大顎発達への影響ションが生まれる遺伝基盤の解析を行う。

を調べたところ、インスリン様ペプチドの A タイプ(ILPA)のノックダウン(KD)によって、大顎サイズが50%ほど小さくなることがわかった(Fig.2)。頭部や胸部、鞘翅長など様々な部位を計測、定量した結果、頭部の幾つかの部位では最大で 25％ほど減少が見られたが、大顎サイズへの影響が最も顕著であった。
B-C の他のペプチドの KD は大顎を含め、外部形態への影響は検出されなかった。一方、受容体は３タイプ全てが大顎サイズに影響したが、特にタイプ１受容体（InR1）の KD によって大顎サイズが 25%ほど減少した。
これらの結果から、インスリン経路は発生上の起源が異なる武器であっても、栄養特異的発達を制御していることが明らかになった

本研究では、１）体内の栄養条件をモニターするインスリン経路の機能解析、２）生育時の栄養条件によって発現が変化する遺伝子の網羅的探索、３）遺伝子の発現パターンを大局的に制御するしくみであるエピゲノム機構、の３点に特に注目して研究をすすめた。
研究経過
１）栄養応答因子であるインスリン経路の機能解析
カブトムシを用いた先行研究で、ある種のインスリン受容体を幼虫期に発現抑制することで、角のサイズが縮小することが知られており、角発達の栄養応答性を司る仕組みとして重要視されている(Emlen etal. 2012)。オオツノコクヌストモドキの武器は大顎が前方に伸長したものであり、頭部の表皮が伸長したカブトムシの角とは発生的な起源が異なる。独立に進化した異なる武器であっても、インスリン経路が共通して使われているのかを調べるため、オオツノ
コクヌストモドキ（以下オオツノ）において、インスリン受容体およびインスリン様ペプチドの武器形成における機能を調べた。次世代シーケンサーによる発現遺伝子解析(RNAseq)により、オオツノには 5種類のペプチドおよび、３種類の受容体が存在することがわかった。これらのペプチドと受容体の遺伝子について、二本鎖 RNA の幼虫期の注入(RNAi)に。

２）栄養条件によって発現が変化する遺伝子の探索状態への摂動の部位ごとの効果を検証した。

オオツノコクヌストモドキでは、ゲノム情報などが上記の RNAseq で得られた配列の中から、DNA メチ得られないため、新たに遺伝子配列情報を取得するル化やヒストンアセチル化にかかわるエピジェネテ必要があった。そこで、次世代シーケンサーを用いィック因子をコードする遺伝子を特定し、HDAC,DNMTた発現遺伝子解析(RNAseq)を行い、本種の幼虫期かなどの 12 の遺伝子を蛹になる直前の幼虫でノックら成虫期で発現する遺伝子配列を得た。さらに、栄ダウンし、生じてくる成虫の表現型を計測した。な養条件によって発現が変化する遺伝子を特定するたお、本種では RNAi が非常に有効で、幼虫の腹部背面め、体サイズごとにオス幼虫を分け(5mg 以上を大型への注射による RNAi は全身での遺伝子ノックダウ

オス、4.5mg 以下を小型オスと定義),頭部におけるン効果をもたらすため、全ての器官でノックダウン遺伝子発現を比較した。その結果、前蛹期 1 日目、を施すことができる。

２日目を通じて、大小のオスで発現が変化しているノックダウン(KD)実験の結果、ヒストン脱アセチ遺伝子を約 300 個特定した。これらの発現変動遺伝ル化酵素である HDAC1 および HDAC3 が蛹や成虫の表子を機能ごとにまとめてパターンを解析すると、栄現型に顕著な影響を与えた(Fig.3)。HDAC1 の KD は養応答にかかわる経路（インスリン経路、AMPK 経路、大顎サイズを 5-10％減少させた一方で、HDAC3 の KDPI3K-Akt 経路）が高頻度で発現を変えていることがは大顎サイズを 13%-20%増加させ、2 つの HDAC は拮明らかになり、本経路が栄養に応答した武器形成に抗的な作用を示した。大顎の他にも、全 20 部位を計かかわることが支持された。この他に、脂質や糖の測した結果、HDAC1 の KD では後翅がやや大きくなり、代謝因子群,細胞接着因子群など、武器の発達に関与

HDAC3 の KD ではやや小さくなる(約 5%)ことがわかり、する新たな候補遺伝子を得ることができた。

大顎への効果とは逆の効果を示すことがわかった。
しかし、統計的に優位であったものの、翅への効果

３）武器サイズ可塑性のエピゲノム制御は大きくなく、ノックダウンの他の器官への効果は器官の発生可塑性において、細胞状態の可塑性を規検出されなかった(5%以下)。このことから、エピゲ定するエピゲノム機構が関与するという予想を立てノム状態への摂動は大顎で最も大きな影響が見られた。DNA やヒストンタンパクなどゲノム情報に化学ることが明らかになった。

的修飾がつけられることで細胞が発現できる遺伝子のレパートリーが決まる。異なる形やサイズの大顎を発達させる上では、異なる遺伝子セットが使われている、と考えられるため、遺伝子発現パターンを大局的に制御するエピゲノムの仕組みが介在している可能性がある。
オオツノコクヌストモドキにおいて、大顎だけでなく脚や翅、交尾器など様々な器官の相対成長パターン（体サイズの増加に対し器官サイズがどれくらい増加するかを、体サイズ-各形質の対数プロットで表現する、アロメトリともいわれる）を調べると、大顎は最も傾きが大きく、交尾器がもっとも小さな傾きを示し、脚や翅は中間的な（１に近い）傾きの値となった。このことは、大顎＞脚・翅＞交尾器の順に環境への応答性が高く“変化しやすい”形質であることを示している(Ozawa, Okada et al. 2016,
Fig1 参照)。この変化のしやすさが、細胞や器官のエピゲノム状態の変化のしやすさと関連していると考え、エピゲノム状態に人為的に摂動を加え、器官発生への影響の大きさを調べることで、エピゲノム

考察子（TSC2 など）のレベルで制御されている可能性もインスリン経路の機能解析から、武器の発生起源があり、遺伝子ノックダウンと表現型の対応関係は必ことなるカブトムシの角とオオツノコクヌストモド

ずしも当該遺伝子の発現量とは合致しないことも明キの大顎で共通したしくみが存在し、インスリン経らかになった。

路が武器の栄養応答性制御に広く用いられているこ本研究では、栄養応答遺伝子とは異なる着眼点ととが示唆された。さらに、オオツノでは 5 種類のイして、エピジェネティックな機構が器官の発生可塑ンスリン様ペプチドが存在するが、そのうちの一つ性を決めている可能性を検討し、ヒストンのアセチのみ（ILPA）が武器サイズ制御に強く関わっており、ル化機構が武器特異的な可塑性を制御している可能構造が似た遺伝子のなかでも機能の特殊化が生じて性を提示した。本研究では全身にわたり、HDAC を KDおり、特定のインスリンペプチドが武器サイズを制することでヒストンのアセチル化を促進し、転写を御することも明らかになった。昆虫では種ごとに 2活性化するような摂動を与えている（ヒストンの高から 7 種類ものインスリン様ペプチドを持つが、そアセチル化が起こっている染色体領域は転写活性がの機能分担はよくわかっていない(Antonova et al.

高い）。この摂動に対し、大顎組織だけが強く応答し2012)。ILPA の武器サイズ制御機能が他の昆虫種やたことから(Fig.4)、大顎組織はヒストンのアセチル武器形態でも共通しているのかどうかを検討するこ化状態が変化しやすいような状態にある可能性があとで、武器の進化や形態の多様化メカニズムの理解る。つまり、組織発生レベルで可塑性の高い大顎は、につながる可能性があり、今後の課題として期待さ細胞のエピゲノム状態が遷移しやすい状態にあり、れる。

多様な遺伝子と表現型の発現を可能にしている、い遺伝子発現解析からは、インスリン経路遺伝子群う仮説である(Ozawa, Okada et al. 2016)。

全体としての発現変動は認められたが、ペプチドや本研究では、栄養条件を武器サイズに反映する分受容体など、当初から注目していた上流因子の発現子実体として、ILPA をはじめとするインスリン経路変動は特定できなかった。遺伝子発現レベルではなの関与を示したが、部位特異性はインスリン経路だくペプチドの分泌レベルで栄養状態が表現されていけでは説明できないこともわかってきた。インスリる可能性や、発現変動が見られた経路内の他の遺伝ン経路遺伝子の挙動だけでなく、組織ごとのエピゲノム状態の変わりやすさが、遺伝子発現の変わりやすさを規定しており、栄養応答因子と協調して武器特異的な栄養応答をもたらしているものと考えている。エピゲノム制御による武器や装飾形質などの部位特異的な発達は、こうした形質を持つ他の動物種で検証することも可能であり、さまざまな動物で検証が進むことで、生物が多様な形態を作る仕組みが解明されてくると期待している。

参考文献

11 月

Antonova, Y., Arik, A. J., Moore, W., Riehle, M.

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Epigenetic regulation controls the developmental
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Yasukazu OKADA (Univ of Tokyo)
International Conference of Zoology (国際動物学

Emlen, D. J., Warren, I. A., Johns, A., Dworkin,会 ) , 沖 縄 科 学 技 術 大 学 院 大 学 (OIST), 沖 縄

I., & Lavine, L. C. (2012). A mechanism of extreme2016 年 11 月

growthandselectedreliableornaments

signalingandinsexuallyweapons.

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武器サイズ変異を司るゲノム機構
岡田泰和（東大337(6096), 860-864.

総合文化）, 小澤高嶺（東大合文化）, 嶋田正和（東大幸（基生研総合文化）, 新美輝進化発生）, 岡田賢祐（岡山大 環

研究の発表

境生命）, 太田邦史（東大 総合文化）

口頭発表

日本生態学会

1.

早稲田大学

東京 2017 年３月

装飾形質の表現型変異のウラにあるエピゲノ
ム機構

誌上発表

岡田泰和（東大 総合文化）, 小澤高嶺（東大合文化）, 嶋田正和（東大幸（基生研総1.

総合文化）, 新美輝進化発生）, 岡田賢祐（岡山大 環

日本応用動物昆虫学会

大阪府立大学

Histonedeacetylases

control

module-specificphenotypic plasticity in beetle weapons.
Ozawa T, Mizuhara T, Arata M, Shimada M,境生命）, 太田邦史（東大 総合文化）

Niimi T, Okada K, Okada Y*, Ohta K*.
大阪

Proceedings of the National Academy of Sciences

2016 年３月
2.

総[国際動物学会(ICZ)におけるシンポジウム主催](2016) 113: 15042-15047.
2.

昆虫の表現型可塑性のエピゲノム制御（解説記

Evolution of Animal Ornamentation事）

Yasukazu OKADA (Univ Tokyo) & Devin O’Brien

小澤高嶺，岡田泰和，太田邦史(Univ Montanna)2015 年 7 月号

沖縄科学技術大学院大学(OIST), 沖縄 2016 年

昆虫と自然，