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環境水温と魚類の性分化との関係
山下倫明＊・川口奈々美＊

Relationship between Environmental Temperature and Sex
Differentiation in Fish
Michiaki YAMASHITA＊ and Nanami KAWAGUCHI＊
Abstract Heat stress and other environmental factors influence the determination ofphenotypic sex in fish in addition to genetic sex determination. In this review, we focusedon sex differentiation and sex reversal under high temperature and other stress conditions in fish. Heat-induced germ cell deficiency was found in males and females of theSouth American atherinid fish Odontesthes bonariensis and Patagonia hatcheri.
Zebrafish are also sensitive to environmental factors that may influence sex determination, and oocyte apoptosis has been characterized in spermatogenesis during sex differentiation. Since heat shock and other environmental stresses induce apoptosis in various
cell types, such stress conditions may induce oocyte apoptosis in the gonads during sex
differentiation, followed by spermatogenesis and testicular formation, leading to sexreversed phenotypic males. Therefore, temperature elevation by global climate change inthe ocean may affect sex differentiation and sex reversal in various fish species during
early life stages.
Key words: sex differentiation, temperature, environmental stress, apoptosis, zebrafish,
spermatogenesis

1．魚類の性分化1953），一方，高水温条件での飼育によりオス化する現象が知られている（Chardard et al., 1995; Kitano et

魚類における生殖腺の性分化は性染色体に規定されal., 1999; Korpelainen, 1990; Struussmann et al.,

る遺伝的プログラムによるだけでなく，性ホルモンの1998）。地球温暖化に伴って海水温の上昇が予測されて投与などの内分泌的な刺激や，水温などの環境条件にいるが，生育可能な上限域に生息する魚種では高水温大きく影響されることが知られているが，このようなによって性分化に影響する可能性が考えられる。わが性分化に関する特徴は，魚種ごとに大きく異なってお国沿岸に分布する，マアジ，サンマなどの海産魚類でり，魚類の性分化機構に関する研究は魚類生理学の大も性分化が環境水温の影響を強く受け，性分化期に高きな課題である（Chan and Yeung, 1983; Shapiro,

水温条件に置かれることにより， 生殖腺の退行変性

1990; Devlin and Nagahama, 2002）。メダカ，ゼブ（不妊化）あるいは著しいオス化（単性化）が生じるこ

ラフィッシュ，ニジマス，ティラピアなど多くの魚種とも考えられる。その結果，高水温は魚類の資源量ので，エストロゲン（17β-エストラジオール）の投与に変動や種の絶滅をもたらす可能性がある。このように，よりメス化が生じる （Janz and Van Der Kraak,

魚類資源への地球温暖化の影響を予測する上で，高水

1997; Nakamura and Takahashi, 1973; Yamamoto,

温による魚類の性転換と生殖細胞の退行変性の現象お2006年 1 月 6 日受理（Accepted on January 6, 2006）* 中央水産研究所 236-8648 横浜市金沢区福浦2-12-4 （National Research Institute of Fisheries Science, Fukuura, Kanazawa, Yokohama
236-8648, Japan）．

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山下倫明・川口奈々美

よびそのメカニズムの解明は極めて重要な研究課題でされることが知られている（Sinclair et al., 1990; 中ある。そこで，まず重要魚類資源を対象として，各魚山，1997）。一方，魚類にはSry遺伝子は存在しない。

種の性分化の分子メカニズムを解明するとともに，水最近，メダカのY染色体が同定され，オス化を誘導す温など環境条件が性分化に強く影響する発育段階を確る 遺 伝 子 と し て ， DMY 遺 伝 子 が 同 定 さ れ た

認する必要がある。

（Matsuda et al., 2002））。このDMY遺伝子はメダカの近縁種にしか分布しておらず，XY染色体による遺2．生殖細胞の生化学的マーカー

伝的性決定様式をもつ他の魚種での遺伝的性決定機構は依然不明のままである（Volff et al., 2003）。しか魚類の生殖腺は，将来，配偶子となる生殖細胞と，しながら，生殖腺の分化および発達のパターンは，脊生殖細胞の分化および維持に関わる体細胞の二種類の椎動物の種間で保存される点も多いことから，XY染細胞から構成される。生殖腺における生殖細胞の同定

色体による遺伝様式を示す魚種では，精巣の分化に関は，生殖腺の横断面の組織切片を顕微鏡観察することわる哺乳類SRY遺伝子・メダカDMY遺伝子と類縁のによって，細胞の形態から判断することが可能である。

遺伝子あるいは同様の細胞内機構を有する関連遺伝子

また，性分化期以降の生殖腺における生化学的マーカーが，性決定遺伝子として機能するものと推測される。と し て で は チ ト ク ロ ム P450 ア ロ マ タ ー ゼ （Chiang

メダカ，サケ科魚類などXY染色体による遺伝的性

et al., 2001; Kishida and Callard, 2001a,b; Trant

決定に対して，ペヘレイなど環境水温に依存して性分et al., 2001; Young et al., 1983）や，エストロゲン化が誘導される例は，温度依存型性決定として知られレセプター（Pakdel et al., 1989）などが発現しているが，その分子および細胞レベルでのメカニズムも不ることから，これらを生化学的マーカーとして免疫組明である（中山，1997）。ペヘレイでは飼育水温が17℃

織化学染色法によって生殖腺の分化と発達の様子を観で全個体がメス化するが，水温に依存してオスの比率察することができる。胚期の未分化の生殖細胞の同定が高まり，24℃では50〜70％がオス化し，29℃では全は，細胞の形態観察だけでは体細胞との判別が困難で個体がオス化する現象が知られている（Strüssmannあるが，最近，生殖細胞に特異的に発現する vasa 遺et al., 1998）。また，ヒラメでは通常は遺伝的な性決伝子が，ゼブラフィッシュ，ニジマス，ティラピア等定に従うが，温度の影響も受け（温度感受性型性決定），の魚類から単離され，RNAプローブによるin situハ

ヒラメにおいても20℃以下ではメスが多いが，高水温イブリダイゼーション法によって特異的に検出するこではオス化する現象が報告されている（Kitano et al.,とが可能となってきた（Yoon et al., 1997; Yoshizaki

1999; 山本, 1999）。

et al., 2000; Kobayashi et al., 2000）。

ゼブラフィッシュの性分化過程を観察した例では，マアジ，サンマ等の海産魚類についても，生殖腺特はじめ，すべての個体の生殖腺中の生殖原細胞の多く異的な遺伝子を単離同定することにより，これらに対は卵母細胞へ分化する。孵化後 3 週間後に生殖腺の性する遺伝子プローブまたは遺伝子産物に対する抗体を分化が始まり，オスでは卵母細胞がアポトーシスによっ用いて，未分化の生殖細胞および性分化後の生殖腺のて消失したのち，精巣が形成され，メスでは卵母細胞各細胞を組織化学的に分離同定することが可能である。

が充実して卵巣に発達する（Takahashi, 1977; Uchida

そのため，アロマターゼ，vasaなどの遺伝子ホモログ

et al., 2002）。この性分化時期に高水温で処理すると，を単離するとともに，生殖細胞特異的な新たな遺伝子オス化が誘導されることから，性分化期の高温ストレを同定するため，生殖腺からcDNA遺伝子ライブラリー

スは分化期にある生殖細胞または体細胞のアポトーシを作製し，EST 解析，ディファレンシャルスクリーニ

スを過剰に誘導するため，卵母細胞が消失して卵巣のングなどの遺伝子解析手法により生殖腺における発現形成が阻害され，エストロゲンの合成を抑制すること遺伝子のカタログ化が必要である。マイクロアレイ手が刺激となり，精巣形成が誘発される機構が推定され法の活用によって，性分化の各ステージおよび発達のる（Fig. 1）。

異常を計測する技術開発も可能となる。

性決定の様式に関わらず，多くの魚種で17β-エストラジオールの投与によりメス化する。一方，メチルテ

3．性決定メカニズム

ストステロンの投与によって未分化生殖腺が精巣に分化する。また，高温処理によってもオス化が誘導され哺乳類ではXY染色体による遺伝的な性決定の機構ることが知られており，生殖腺におけるアロマターゼが明らかにされており，オスの個体では発生の過程でによるエストロゲンの生合成の経路および高温ストレSry精巣決定遺伝子の作用によって精巣の分化が誘導

スによって誘導されるアポトーシスの経路が，魚類の15

環境水温と魚類の性分化生殖腺の性分化に大きな役割を果たしている （Janzand

VanDerKraak,1997;

Nakamura

文

献andTakahashi, 1973; Yamamoto, 1953; Kitano et al.,
1999; D'Cotta et al., 2001）。

Chan S. T. H. and Yeung W. S. B., 1983. : Sex control
and sex reversal in fish under natural condi-

このことから，マアジ，サンマ等海産魚類の性分化

tions. In Fish Physiology, vol. 9 Part B,（ed. W.

における高水温の影響を明らかにするためには，水温S. Hoar, D. J. Randall, and E. M. Donaldson）,の異なる条件で飼育管理された実験魚を用いて，生殖pp. 171-222. New York, Academic Press.

腺の性分化を組織化学的に観察するとともに，生殖腺Chardard D., Desvages G., Pieau C., and Dournon C.,

におけるアロマターゼの発現パターン，エストロゲン

1995. : Aromatase activity in larval gonads of

レベルおよびアポトーシスの発現の魚種毎の相違を調

Pleurodeles waltl （Urodele Amphibia） during

べる必要がある。

normal sex differentiation and during sex reversal by thermal treatment effect. Gen. Comp.

4．ストレスによる生殖腺異常

Endocrinol. 99, 100-107.
Chiang E. F., Yan Y. L., Guiguen Y., Postlethwait

高温ストレスによるアポトーシスの発現は，胚またJ., and Chung B. C., 2001: Two Cyp19（P450は生殖腺組織切片のTUNEL染色法（細胞核におけるaromatase）genes on duplicated zebrafish chro-

分解したDNA断片の特異的染色法）で観察することがmosomes are expressed in ovary and brain. Mol.

できる（Yabu et al., 2001）。また，生化学的手法とBiol. Evol. 18, 542-550.

して，生殖腺抽出物におけるアポトーシス誘導性酵素

D'cotta H., Fostier A., Guiguen Y., Govoroun M.,

カス パー ゼ の活 性を 測定 す るこ とが でき る （Yabuand Baroiller J.-F., 2001: Aromatase plays a key

et al., 2001）。ストレス誘導性HSP70遺伝子の発現パ

role during normal and temperature-induced sex

ターンをRT-PCR，ノーザンブロット等によって測定

differentiation of tilapia Oreochromis niloticus.

する実験手法も利用可能である。このようにして観察

Mol. Reprod. Dev., 29, 265-276.

できるアポトーシスおよびストレス応答は，ストレスDevlin R. H. and Nagahama Y., 2002: Sex determina-

刺激の度合いに依存して，強く生じることから，カスtion and sex differentiation in fish: an overview

パーゼ活性，HSP70mRNAなどを定量的に計測するこof genetic, physiological, and environmental in-とによって，高水温条件によるストレスの度合いと生fluences. Aquaculture, 208, 191-364.

殖腺の異常発現を対比して観察する研究手法が期待できる。

Janz D. M. and Van Der Kraak G., 1997: Suppressionof apoptosis by gonadotropin, 17β-estradiol,and epidermal growth factor in rainbow trout

Fig. 1. Sex differentiation model under heat stress conditions in temperaturedependent sex determination mechanism in zebrafish.

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山下倫明・川口奈々美
preovulatory

ovarianfollicles.

Gen.

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aromataseisoforms

ingen induction of two estrogen receptors（ER）
messenger ribonucleic acids in the rainbow trout

zebrafish（Danio rerio）brain and ovary are dif-liver: sequence homology with other ERs. Mol.

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