BioResource Now ! Vol.11 No.2

BioResource Now !

Issue Number 11 February 2015

国内外のバイオリソースを巡る様々な問題や取り組みについて、毎月ホットな話題をこのニュースレターで紹介していきます。

研究とバイオリソース
No.19
今月のデータベース

安岡有理（沖縄科学技術大学院大学マリンゲノミクスユニット ）カエルの卵を使って動物が頭部を作るしくみを解き明かす
大型類人猿データベース

GAIN

P1 - 2

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研究とバイオリソース〈NO.19 〉

カエルの卵を使って動物が頭部を作るしくみを解き明かす
はじめに動物のさまざまな形態は、受精卵からのかたちづくりの過程、すなわち発生過程によって出来上がる。したがって、発生過程の進化は動物の形態の進化に直結している。近年、種々の動物のゲノム DNA 配列が次々と解読され、発生に関わる多くの遺伝子（タンパク質）が イ ソ ギ ン チ ャ ク か ら ハ エ、ヒトに至る全動物に共通して存在していることが示されてき た。そ こ で、元 々 動 物 の 進化に興味があった私は、大学院で研究を始める際、この全動物共通の遺伝子たちを、動物がどのようにその発生過程で使い分けて、独自の形態を作り上げていくのか、という問いにチャレンジすることにした。
今回は、全ゲノム解読が完了しているネッタイツメガエルの バ イ オ リ ソ ー ス を 用 い て、多くの動物の頭部形成に共通して働く Otx というタンパク質の働きの一端を解明できたので、その内容をご紹介したい。

カエルの受精卵からどのように頭部ができるのか？
脊椎動物の初期発生で基本的なかたちづくりを一手に担う司令塔のような組織が、シュペーマン・オーガナイザーと呼ばれる組織である（図１）。

図１：ツメガエル胚の、原腸胚と呼ばれる発生ステージの断面図。胚にはすでに前後・背腹の方向性がある。頭部オーガナイザーはシュペー
マン・オーガナイザーの前方に位置し、眼や脳といった頭部組織ができる領域にシグナル分子を送って、かたちづくりを行う。

オーガナイザーは、さらに頭部形成を担う頭部オーガナイ
ザーと、胴部形成を担う胴部
オ ー ガ ナ イ ザ ー に 分 か れ る。
ネ ッ タ イ ツ メ ガ エ ル の 場 合、
この頭部オーガナイザー領域は受精後半日ほどで形成される。
眼や脳などの明瞭な頭部器官は、そこからさらに半日ほどしてできあがり、神経や筋肉もできて胚は動き出す。この受精後約１日の間に、ダイナミックな変化がカエル胚に起こるわ
けだが、すべてはオーガナイザーの形成に端を発している。

頭部形成に関わる遺伝子たち
頭部オーガナイザーで働く遺伝子は、これまで数々発見されてき た。中 で も、otx 遺 伝 子 は、ハエの頭部形成に必須な遺伝子であり、頭部を持つ動物で共 通 し て 頭 部 で 働 い て い る。
さらに、lim1 と goosecoid（gsc）という別の遺伝子も、otx とともに脊椎動物胚の頭部形成に関わっている。

安岡有理

沖縄科学技術大学院大学マリンゲノミクスユニット
日本学術振興会特別研究員 PD

そこで、カエル胚にこれらの遺伝子の働きを阻害する物質を、顕微鏡下でガラス針を用いて注入したところ、眼や脳などの頭部を欠損した胚に発生した（図 ２）。こ の 結 果 は、こ れ らの遺伝子が、胚の頭部形成に必須な役割を持つことを示している。そこ で、私 た ち は さらにその詳細な分子メカニズムを、ゲノム全体にわたって解析した。

図２：カエル胚における otx, lim1, gsc 遺伝子の機能阻害実験。

ゲノム DNA とタンパク質の関係
動 物 ゲ ノ ム に 存 在 す る otx,
lim1, gsc 遺 伝 子 か ら は、そ れ
ぞれ Otx、Lim1、Gsc というタンパク質が作られる。これ
らのタンパク質は、「転写因子」と い う グ ル ー プ に 大 別 さ れ、「シス制御領域」と呼ばれる特定のゲノム DNA 配列に結合し、近傍の「標的遺伝子」の働きのオンオフを調節する働きをもつ（図３ A ）。転 写 因 子 の機 能 と 役 割 を 知 る た め に は、ゲノム上のどこに結合して、次ページへ続く

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どの遺伝子をどう制御しているのかを、明らかにする必要がある。
そこで私たちは、カエル胚を用いて Otx、Lim1、Gsc タンパク質に対するクロマチン免疫沈降シーケンス（ChIP-seq）
解 析 を 行 っ た。こ の 手 法 は、
ま ず 胚 か ら 取 り 出 し た DNAとタンパク質の複合体（クロマチン）を断片化する。そこに目的のタンパク質を認識する抗体を混ぜて、そのタンパク質を含むクロマチン断片を集め、そこに含まれる DNA の塩基配列を解読することによって、転写因子の結合するゲノム領域を網羅的に決定できる。その結果、Otx、Lim1、Gsc が頭部オーガナイザーで結合する、数千から数万箇所におよぶゲノム領域が明らかになった。

Otx という情報をいかに使うかが頭部形成の鍵
ChIP-seq 解析の結果と標的遺伝子との関係を詳細に調べた結果、Otx は Lim1 と一緒に特定のシス制御領域に結合すると、頭部に必要な遺伝子をオンにすることがわかった（図３B）。

図３：（A）転写因子の働き。
（B、C）Otx による脊椎動物の頭部形成モデル。

これらの結果は、Otx は「頭部」という目印を与えるのが役割で、どの遺伝子をオンまたはオフにするか、すなわちどのような形態の頭部を作るかは、結合するシス制御領域とパートナーとなる転写因子とによって決まるということを、示している。
同じ otx という遺伝子を使いながら、どのような頭部ができるかは、各動物のゲノムの中のシス制御領域によって決められているというのが、動物のかたちづくりの普遍的な原理であると私たちは考えている。

今月のデータベース(2015年2月現在)

カエル胚を用いて頭部オーガナイザーの発生メカニズムを解析した本研究は、動物の頭部の進化を理解する上で重要な試金石となった。Otx の働きを他の動物種と比較することが、これからの大きな課題である。一方、現在私は、ネッ
タイツメガエルに加えてカタユウレイボヤのバイオリソー
スも活用し、胴部オーガナイ
ザーに由来する組織である脊索の進化の研究をしている。
今後も、多くのモデル動物のバイオリソースが整備されることで、動物種をこえた横断的研究が数多く展開されていくことを期待したい。■
参考文献
Yasuoka Y. et al., Occupancy of tissue-speciﬁc
cis-regulatory modules by Otx2 andTLE/Groucho for embryonic head speciﬁcation.
Nature Communications 5:4322 (2014)

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大型類人猿データベース

・チンパンジー︓320個体
・ボノボ︓6個体
・ゴリラ︓25個体
・オランウータン︓49個体
・テナガザル︓179個体

おわりに一方、Otx は Gsc と一緒に別のタイプのシス制御領域にも結合し、今度は頭部に不要な遺伝子をオフにすることも明らかとなった（図３C）。

GAIN

DB名︓GAINURL ︓http://www.shigen.nig.ac.jp/gain/
言 語︓日本語 英語
オリジナルのコンテンツ︓・国内の類人猿（チンパンジー、ボノボ、ゴリラ、オランウータン、テナガザル）の個体情報（名前、両親、性別、亜種名、生年月日、出生地、特徴・性格、経歴、写真、参考文献など）
・飼育施設情報・研究者や飼育施設向け案内等
・類人猿に関する書籍紹介
・GAINの活動報告や成果
特 徴 ︓ ・飼育施設と連携した豊富な個体情報
・家系図は"すべての施設"、"特定の施設"、"個体ごと"に表示可能
・施設のGoogle Map表示
・豊富な写真・飼育個体履歴の年表表示DB構築グループ︓NBRP GAIN、飼育施設、NBRP情報
運用機関︓国立遺伝学研究所 生物遺伝資源センター
DB公開開始年︓2002年
DB最終更新年︓2015年

現役開発者のコメント︓本データベースは国内にいる類人猿（チンパンジー、ボノボ、ゴリラ、オランウータン、テナガザル）を網羅した画期的なデータベースです。ネットワークを通してほぼリアルタイムで更新される個体情報の集積は、さらに家系図や年表、Google Mapといったビジュアルな表示方法でも提供され、それぞれに細かな工夫もしています。また京大霊長類研究所の個体情報には、生態計測値、染色体画像、マイクロアレイデータなど研究プロジェクトの成果も付与されています。昨年の４月にデザインが一新され、誰にも分かりやすい身近な存在になったと思います。個体ページにある性格や特徴の情報を予備知識として、動物園に出かけるのも楽しいと思います。

連絡先 〒411-8540 静岡県三島市谷田 1111
国立遺伝学研究所 生物遺伝資源センター
TEL 055-981-6885 ( 山崎 )E-mail：brnews@shigen.info

Editor's Note
カエルは発生の研究材料として古くから知られていますが、今回はゲノム構造が決定された X. tropicalis を用い、最先端のゲノムワイドな解析技術を使って、頭部形成のダイナミックなイベントを担う遺伝子の働きを解明したという、画期的な研究成果をご紹介いただきました。さらにカタユレイボヤを使った胴部形成のご研究も続けられているとのこと、結果が待ち遠しいですね。（Y.Y.)

バイオリソース情報(NBRP) www.nbrp.jp/(SHIGEN) www.shigen.nig.ac.jp/indexja.htm(WGR) www.shigen.nig.ac.jp/wgr/(JGR) www.shigen.nig.ac.jp/wgr/jgr/jgrUrlList.jsp

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