サメのゲノムを解読~サメの進化・生態の解明への新たな手がかり~

ad
ad

2018-10-09 理化学研究所,沖縄美ら島財団,海遊館,大阪市立大学,東京大学

要旨

理化学研究所(理研)生命機能科学研究センター分子配列比較解析ユニットの工樂樹洋ユニットリーダー、沖縄美ら島財団総合研究センターの佐藤圭一上席研究員(沖縄美ら海水族館副館長)、海遊館の西田清徳館長、大阪市立大学大学院理学研究科の小柳光正准教授、東京大学大気海洋研究所の兵藤晋教授らの共同研究グループは、「イヌザメ」「トラザメ」「ジンベエザメ」の全ゲノム配列を解析しました。

本研究成果から得られた高精度のゲノム情報は、脊椎動物の進化および海の生態系において独特の位置を占める「軟骨魚類」の発生や生態、また水族館などでの飼育・繁殖に関する多様な研究に貢献すると期待できます。

軟骨魚類のうち、サメ類とエイ類が属する「板鰓(ばんさい)類[1]」は、ゲノムサイズ[2]が大きいことなどが障壁となり、これまで、高精度な全ゲノム配列情報が得られていませんでした。今回、共同研究グループは、約1,200種知られる板鰓類のうち、卵生[3]で繁殖力の高いイヌザメとトラザメに着目し、全ゲノム配列を解読しました。また、現生で最大の魚類ジンベエザメについては、既に公開されていたゲノム配列をより高精度の情報に整えました。これらのゲノム情報に加えて、生体から採取した細胞のRNAデータを活用することで、形態形成や視覚などをつかさどる遺伝子群の進化を詳しく解析し、サメ類とヒトを含む他の脊椎動物との共通点と相違点を多数発見しました。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Ecology and Evolution』(10月8日付け:日本時間10月9日)に掲載されます。

図 今回全ゲノム解析したイヌザメ成魚、トラザメ幼魚、ジンベエザメ成魚(左より)

※共同研究グループ

理化学研究所 生命機能科学研究センター
分子配列比較解析ユニット
ユニットリーダー 工樂 樹洋(くらく しげひろ)
形態進化研究チーム
チームリーダー 倉谷 滋(くらたに しげる)

沖縄美ら島財団総合研究センター
上席研究員 佐藤 圭一(さとう けいいち)
(沖縄美ら海水族館 副館長)

海遊館
館長 西田 清徳(にしだ きよのり)

大阪市立大学 大学院理学研究科
生物地球系専攻 生体高分子機能学II研究室
教授 寺北 明久(てらきた あきひさ)
准教授 小柳 光正(こやなぎ みつまさ)

東京大学大気海洋研究所
海洋生命科学部門 生理学分野
教授 兵藤 晋(ひょうどう すすむ)

※研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業基盤研究(C)課題「進化上保存されていない「若い」遺伝子の発生プログラムにおける役割を探る(研究代表者:工樂樹洋)」、JSPS科学研究費助成事業基盤研究(B)課題「川を遡上するオオメジロザメの広塩性に関する生理生態学的研究(研究代表者:兵藤晋、研究分担者:工樂樹洋、佐藤圭一)」、JSPS科学研究費助成事業基盤研究(B)課題「“抗利尿ホルモン”の起原と進化:新規受容体研究がもたらす新展開(研究代表者:兵藤晋、研究分担者:工樂樹洋)」、JSPS科学研究費助成事業挑戦的萌芽研究課題「単離腎ネフロン分節からのトランスクリプトーム:広塩性のマスター分子解明に向けて(研究代表者:兵藤晋、研究分担者:工樂樹洋)」による支援を受けて行われました。

背景

現存の「軟骨魚類」の共通祖先は、哺乳類の祖先を含む硬骨魚(硬骨脊椎動物)と約4億5,000万年前に分岐したと考えられています。軟骨魚類のうち、ギンザメ類[4]を除く「板鰓(ばんさい)類(サメ類とエイ類、図1)」は、サンゴ礁のような浅海から水深1,000メートルを超える深海に、そして極海から赤道に、1,200種余りが生息しています。一般的なサメのイメージである肉食性の大型種は、食物連鎖の上位として生態系で重要な地位を占めています。また、体長が20センチメートルほどにしか成長しない種から、「ジンベエザメ(Rhincodon typus)」のように体長が10メートルを超えるプランクトン食性の種まで存在し、繁殖様式についても卵生と胎生[3]があります。また近年では、寿命が約400年近い種の存在が話題になりました注1)

これらの種間の系統関係や生息域などを調べるだけなら、ゲノムDNAの一部の情報を利用すればよいのですが、寿命を決める仕組みなど複雑な生命現象のメカニズムを分子レベルで理解するためには、それらの現象に関わる遺伝子群を網羅的に同定する必要があります。さらに、哺乳類では、多様なホルモン[5]によって、成長や繁殖に加え、食欲のコントロールや浸透圧調節など「恒常性」と呼ばれる体の活動を維持するシステムが制御されていますが、軟骨魚類のように脊椎動物の中で早い時期に分岐した生物でもこのような制御システムを持っているか否かについての包括的な知見はありません。これらの生命機能を体系的に調べる手がかりとなるのが、全ての遺伝子の情報を含む「全ゲノム」の塩基配列です。

これまで多様な生物の全ゲノム配列情報が公表されてきましたが、軟骨魚類のゲノム解析は、ゲノムサイズ[2]が小さい(約12億塩基対)「ゾウギンザメ」について行われたのみでした注2)。しかし、ゾウギンザメが属するギンザメ類の仲間は50種程度に過ぎないうえ、本来の「サメ」の系統とも異なっており(図1)、軟骨魚類の多様性を理解するための分子レベルの研究は手つかずのままでした。またゾウギンザメの生息域は南半球の一部地域に限られ、生体を確保することが難しいなどの理由で、得られたゲノム情報の生命科学研究への利用は狭い範囲にとどまっていました。

こういった軟骨魚類研究の現状を打破すべく、共同研究グループは、卵生で繁殖力の高いサメに着目しました。日本近海に生息し、以前から国内で研究に用いられてきた「トラザメ(Scyliorhinus torazame)」を解析対象として選んだほか、アジア・オセアニア海域に広く生息し、各地の水族館で飼育されている「イヌザメ(Chiloscyllium punctatum)」に新たに着目し、生体を研究に使用するための準備を整えてきました。孵化までの発生段階の詳細なモニタリングを行った先行研究では、温暖域に棲むイヌザメは、冷水域に棲むトラザメより約1.5倍速く成長することを明らかにしました注3)。この研究の過程で、理研生命機能科学研究センターと海遊館は、魚類をはじめとする野生動物の生命科学研究や教育普及などの取り組みを強化するために学術交流協定を締結しました。

注1)Nielsen J et al. 2016. Eye lens radiocarbon reveals centuries of longevity in the Greenland shark (Somniosus microcephalus). Science. 353(6300):702-4.
注2)Venkatesh B. et al. 2014. Elephant shark genome provides unique insights into gnathostome evolution. Nature. 505:174–179.
注3)Onimaru K. et al. 2018. A staging table for the embryonic development of the brownbanded bamboo shark (Chiloscyllium punctatum). Developmental Dynamics. 247(5):712-723.

研究手法と成果

本研究では、海遊館のイヌザメと、理研生命機能科学研究センター水棲動物飼育施設のトラザメから採取した血液試料や胚に加え、海遊館および沖縄美ら海水族館のジンベエザメから採取した血液試料が用いられました。ジンベエザメの血液については、健康管理のため両水族館で定期的に採血[6]を実施しており、その一部を活用することにより、生育個体の生命を犠牲にすることなく生体試料を利用することができました。 まず共同研究グループは、対象とする3種のサメについて、細胞核に含まれるDNAの量を測り、ゲノムサイズを推定しました。その結果、総塩基対数が約32億塩基対のヒトゲノムに対し、ジンベエザメが38億、イヌザメが47億、トラザメに至っては67億であり、大きなゲノムを持つことが分かりました。

タイトルとURLをコピーしました