構造と模様の相関、ショウジョウバエを用いたアプローチ
Correlation between structure and color pattern: a study using Drosophila（日本動物学会推薦）

代表研究者

北海道大学

越川 滋行

Hokkaido UniversityShigeyuki KOSHIKAWA

A fruit fly species, Drosophila guttifera, which has polka-dotted pigmentation on its wings and abdomen and longitudinalpigmentation stripes on its thorax, has been used to study the mechanism of pigmentation pattern formation. In this study,
we first focused on the striped pattern on the thorax. We aimed to clarify how the striped pattern is controlled in thisspecies and how the pattern difference between closely related species is produced. The thoracic stripes appear to berelated to areas of flight muscle attachment to the cuticle and may be controlled by the same pre-pattern. First, we
examined the development of flight muscles and pigmentation in pupal stages of two species (Drosophila guttifera andDrosophila annulipes). The attachment site of the flight muscle and the areas of pigmentation matched depending on thestage of the pupa, and this suggested the importance of the developmental timing of the traits to understand the regulatory
relationships among prepattern and traits. Next, we focused on the formation of wing pigmentation pattern in Drosophila
guttifera. Genes highly expressed in the areas of pigmentation were obtained by transcriptome analysis. Knockout of amelanin-synthesizing gene with CRISPR/Cas9 genome editing resulted in insufficient pigmentation both in wings and thethorax. We have to clarify whether the regulatory genes expressed in wings are also involved in pattern formation of thethoracic stripes in a future study.
研究目的

物の Wnt-1 のホモログ）が発現し、着色を誘導してショウジョウバエ科（ハエ目、昆虫綱）は 4000 種いることがわかっている（Werner et al. 2010）。さら以上を含み、世界中に分布している。モデル実験生に、この wingless 周辺の cis 制御領域が変化し、キイ物としてよく利用されるキイロショウジョウバエ

ロショウジョウバエでは発現していない場所で新た（Drosophila melanogaster）は、黄褐色の体色をベーに発現するようになったことが模様の進化に一定のスに、腹部の一部に黒い着色を持っている。私はこ役割を果たしたことがわかっている（Koshikawa et al.

れまで、翅や体に黒い水玉模様、胸部に黒い縦縞を2015）。

持つミズタマショウジョウバエ（Drosophila guttifera）

今回の研究では、これまで注目していなかった胸を主な材料に、キイロショウジョウバエとも比較し部の縦縞に注目し、解剖学的な構造と、目に見えなながら、模様の進化の仕組みを研究してきたい下書きのような遺伝子の発現（プレパターン）と（Koshikawa et al. 2017）。の関係性を明らかにすべく研究を行った。ミズタマ

翅においては、黒い水玉状の模様が一定の間隔でショウジョウバエ（4 本の明瞭な縦縞）に加え、ダン配置されているように見えるが、翅の構造に着目す

ダラショウジョウバエ（Drosophila annulipes、3 本のると、縦脈が翅の縁に接する部分、横脈の両端、さ明瞭な縦縞）を比較した。一見すると縦縞は胸部にらに翅の振動を感知するための機械受容器である鐘ある飛翔筋の外骨格への付着パターンとよく似てい状感覚子の周辺など、ランドマークの周囲に着色がて、何らかの関係があることを示唆している。飛翔生じていることがわかる。ミズタマショウジョウバ

筋の付着パターンのように機能的な制約がかかる形

エにおいて、蛹期のこれらの場所に wingless（脊椎動質は進化しにくいことが予想され、縦縞の本数が種間で異なっていることとの整合性がどのように説明されるかに興味があった。共通のプレパターンが飛次に、パターン形成を司る遺伝子に着目すること翔筋の付着と縦縞を両方とも制御しており、縦縞のにした。ミズタマショウジョウバエにおいて、胸部制御のみが新しく進化したことが最も簡単な仮説での模様のプレパターン（下書きのような機能）に相ある。

当する遺伝子は、これまで翅での模様形成と同様にwingless ではないかと考えてきたが、胸部での機能研究経過に関する強い証拠はなかった。wingless 遺伝子の近まず胸部の飛翔筋の付着点の配置を成虫のパラフ傍にあるエンハンサーが胸部での縦縞状の発現を駆ィン包埋切片で種間比較（ミズタマショウジョウバ動することと、このエンハンサーの周辺にある 4 つエとダンダラショウジョウバエ）したところ、予想の Wnt ファミリー遺伝子（DWnt4、wingless、Wnt6、どおりにほぼ同じ配置であった。成虫においては、Wnt10）のうち胸部での逆転写 PCR では wingless がダンダラショウジョウバエでは飛翔筋の付着部を避最も強く発現していることから、wingless が縦縞状けるように黒い着色があるのに対し、ミズタマショに発現して模様の形成を誘導していると予想してきウジョウバエでは飛翔筋の付着部と黒い着色が重なた。それを確かめるべく、抗体染色や in situ ハイブる部分があった。つまり、飛翔筋の配置と胸部の縦リダイゼーションによって縞状の発現を可視化しよ縞のパターンが完全に一致していて共に進化していうと努力したが、明瞭なシグナルを得るには至らなる、という可能性はこの時点で棄却された。成虫のかった。

構造の観察のみからは、飛翔筋のパターンは保存されていて、着色が進化しているように見えた。

ミズタマショウジョウバエの翅においては胸部のような内部の 3D 構造と模様との相関はないが、翅蛹の様々な段階（ステージングは Fukutomi et al.

脈や鐘状感覚子などの翅の構造に関連した部位に着2017, 2018 に準拠）のパラフィン包埋切片を作成し色が起こるという点で、類似性がある。RNA-seq に調べたところ、いずれの種でも筋肉の付着点の範囲

よって、蛹期の翅において、将来着色が起きる場所が発生が進むにつれて広がる傾向が認められた。次で高く発現し、かつ wingless の制御を受ける遺伝子に、蛹期においても飛翔筋と縦縞模様が一致するかを調べたところ、多くの遺伝子が見つかった。そのを調べた。その過程で、ダンダラショウジョウバエ

中には、Delta や Enhancer of split 遺伝子群など、従は蛹期に黒い縦縞が現れるのに対し、ミズタマショ来は神経系の発生に関与することが知られている遺ウジョウバエではずっと遅く、成虫への羽化が終わ伝子が含まれていた（Fukutomi et al. 2020）。これらってからであることがわかった。飛翔筋と着色とのの遺伝子は、ミズタマショウジョウバエにおいて、関係を見ると、発生の時期によって両者の位置が一新たに模様形成に転用された可能性がある。

致する場合としない場合があることがわかり、これ翅の模様の形成時に高発現することが明らかになまでに考えていたよりもずっと複雑な現象である可った遺伝子は、胸部の縦縞模様の形成に関わる遺伝能性が出てきた（Fig.1）。

子の候補として有望である。縦縞模様の形成に必要な遺伝子の候補として、Fukutomi et al.（2020）で検Eclosion

Wing Expansion

Flight muscle

Flight Muscle
Maturation

出された yellow や tan などのメラニン合成系遺伝子が挙げられる。これらに関しては、CRISPR/Cas9 法

D. guttifera
unpigmentedoverlappedによるゲノム編集でコーディング領域にフレームシフト変異を導入し、機能喪失または低機能の遺伝子

D. annulipes

座を作ることに成功した（松本ら、未発表）。そのう
complementarycomplementary

ち、tan 変異体では胸部の縦縞模様に明瞭な違いが認Fig.1 Schematic drawings of the relationship between

められなかったが、yellow 変異体では明らかに縞模

flight muscle development and thoracic pigmentation in

様が薄くなっていたため、胸部縦縞模様の着色に必

two Drosophila species. Original illustration by Tomohiro

要であることがわかった。それ以外にも、Fukutomi etYanone.

al.（2020）で翅で高発現することがわかった遺伝子について、胸部における発現パターンの解析を進め301).ている。

Springer,Singapore.

2017.

https://doi.org/10.1007/978-981-10-4956-9_16
考察2.

Thomas Werner, Shigeyuki Koshikawa, Thomas M.

当初の目的は、ショウジョウバエの胸部において、Williams, Sean B. Carroll. Generation of a novel wing

飛翔筋の配置と関連がありそうに見える縦縞模様が、colour pattern by the Wingless morphogen. Nature,飛翔筋との位置関係をどのように保って（あるいは2010;464(7292):1143–1148.

保たないで）進化しているのかを明らかにすること

https://doi.org/10.1038/nature08896であった。組織切片によって、飛翔筋の配置とその3.

Shigeyuki Koshikawa, Matt W. Giorgianni, Kathy

発生は比較的に保守的であるのに対し、縞模様が位

Vaccaro, Victoria A. Kassner, John H. Yoder, Thomas

置関係をある程度保ちつつも進化しうることがわか

Werner, Sean B. Carroll. Gain of cis-regulatory

ったが、その仕組みを理解するためには、着色が起activities underlies novel domains of wingless gene

こる発生ステージの違いを考慮する必要があるかもexpression in Drosophila. Proceedings of the Nationalしれない、ということが示された。着色と飛翔筋のAcademy of Sciences of the United States of America,付着部の両方を制御する仕組みがあり、その仕組み

2015;に関与する遺伝子の発現タイミングの違いや、関与

https://doi.org/10.1073/pnas.1509022112

する遺伝子群の一部が異なることなどによって、種4.

112(24),7524–7529.

Yuichi Fukutomi, Keiji Matsumoto, Kiyokazu Agata,間の模様の違いが説明できるかもしれない。そのた

Noriko Funayama, Shigeyuki Koshikawa. Pupalには模様形成に関わる遺伝子を同定する必要がある

development and pigmentation process of a polka-が、本研究ではメラニン合成に関与することが知ら

dotted fruit fly, Drosophila guttifera (Insecta, Diptera).

れる yellow 遺伝子の機能を明らかにしたのみで、よDevelopment Genes and Evolution, 2017, 227(3),り上流のパターニングを司る遺伝子の同定には至ら

171-180. https://doi.org/10.1007/s00427-017-0578-3

なかった。Fukutomi et al.（2020）以外にも、別のシ5.

YuichiFukutomi,

Keiji

Matsumoto,

Norikoョウジョウバエの種で模様のパターンに相関して発Funayama, Shigeyuki Koshikawa. Methods for

現する遺伝子が複数同定されている（Dufour et al.

staging pupal periods and measurement of wing2020, Koshikawa 2020）。また、キイロショウジョウバ

pigmentation of Drosophila guttifera. JoVE (Journalエにおいては、メラニン合成系の遺伝子 ebony の変of Visualized Experiments), 2018, 131, e56935.

異体では体色が全体に暗色になり、胸部に縦縞模様

https://doi.org/10.3791/56935に似た模様が現れることが知られている。この模様

6.

Héloïse D. Dufour, Shigeyuki Koshikawa, Cédric

ができる場所では tan 遺伝子のエンハンサーの活性

Finet. Temporal flexibility of gene regulatory networkが高く（つまり tan 遺伝子が発現していると考えら

underlies a novel wing pattern in flies. Proceedings ofれる）、飛翔筋の付着部の制御に関わる stripe という

the National Academy of Sciences of the United

遺伝子の発現領域と相補的であることが知られていStatesる（Gibert et al. 2018）。今後、これらの遺伝子についhttps://doi.org/10.1073/pnas.2002092117ても、胸部での発現と、縞模様の形成への関与を、

7.

ofAmerica,

2020,

inpress.

Jean-Michel Gibert, Emmanuèle Mouchel-Vielh,

CRISPR/Cas9 法によるゲノム編集や、トランスポゾ

Frédérique Peronnet. Pigmentation pattern andンを用いた遺伝子導入と遺伝子の強制発現／ノックdevelopmental constraints: flight muscle attachment

ダウンなどにより調べていく必要がある（Shittu et al.

sites delimit the thoracic trident of Drosophila2020）。

melanogaster. Scientific Reports, 2018,

8, 5328.

https://doi.org/10.1038/s41598-018-23741-4
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Shigeyuki

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