昆虫の外骨格にナノサイズの穴が開く仕組み

生物はどうやって体表面を微細加工しているのか

2019-04-19　理化学研究所

理化学研究所(理研)生命機能科学研究センター形態形成シグナル研究チームの安藤俊哉研究員(研究当時、現基礎生物学研究所進化発生研究部門助教)、林茂生チームリーダー、超微形態研究チームの米村重信チームリーダー、脳神経科学研究センター知覚神経回路機構研究チームの風間北斗チームリーダーらの共同研究グループ^※は、ショウジョウバエの嗅覚器官(嗅感覚毛)が持つ微細な穴構造(ナノポア)の形成過程を明らかにし、ナノポア形成に関わる遺伝子を発見しました。

本研究成果は、昆虫の外骨格を形成する「クチクラ^[1]」表面で、多彩な機能を発揮する微細構造ができる仕組みと、その起源を解明する端緒となると期待できます。

昆虫の嗅感覚毛を覆うクチクラには多数のナノポアが発達し、体内の水分の漏洩を制限しつつ、空気中の匂い分子を効率的に取り込みます。このような体表面の微細構造には、構造色^[2]、撥水性などさまざまな機能を発揮するものが知られており、その工学的応用が注目されています。しかし、昆虫を含めた生物がどのようにして体表の多様な微細加工を実現し、進化させてきたかは不明でした。

今回、共同研究グループは、ショウジョウバエの蛹(さなぎ)を電子顕微鏡で観察し、嗅感覚毛のクチクラがまず小さな断片として形成され、それらがつなぎ合わされる接合点にナノポアが生じることを突き止めました。また、昆虫のみが持つ遺伝子gore-tex/Osiris23が、ナノポアの形成と正常な嗅覚に必須であることを発見しました。

本研究は、米国の科学雑誌『Current Biology』の掲載に先立ち、オンライン版(4月18日付け:日本時間4月19日)に掲載されます。

図ショウジョウバエの嗅感覚毛を覆うクチクラに開いた多数のナノポア

※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
形態形成シグナル研究チーム
研究員(研究当時) 安藤俊哉(あんどうとしや)
(現基礎生物学研究所進化発生研究部門助教)
訪問研究員関根清薫(せきねさやか)
テクニカルスタッフⅡ 稲垣幸(いながきさち)
研究員ムスタファ・サミ(Mustafa M.Sami)
研究員板倉由季(いたくらゆき)
チームリーダー林茂生(はやししげお)
超微形態研究チーム
テクニカルスタッフ(研究当時) 美崎和代(みさきかずよ)
チームリーダー米村重信(よねむらしげのぶ)
脳神経科学研究センター
知覚神経回路機構研究チーム
研究員(研究当時) ロホーン・バーデル(Laurent Badel)
チームリーダー風間北斗(かざまほくと)

東京大学大学院薬学系研究科遺伝学教室
大学院生(研究当時) 森谷裕幸(もりやひろゆき)

広島大学大学院理学研究科動物科学講座
教授千原崇裕(ちはらたかひろ)

※研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金若手研究B「昆虫嗅覚感覚毛クチクラに学ぶ防水通気性ナノポア構造の形態制御機構(研究代表者:安藤俊哉)」、特別研究員奨励費「管状組織における等間隔アクチンリングによる分泌領域のパターン化機構解明」、若手研究「細胞膜張力がアクチンのパターン制御を通して管状組織の機械的強度を調節する(研究代表者:関根清薫)」の支援を受けて行われました。

背景

生物の体表面を覆う細胞外マトリクス^[1]は、さまざまな微細構造を呈することで、多様な機能を発揮します。例えば、雄のクジャクの羽を彩る鮮やかな色は、羽の内部の微細な繰り返し構造が特定の波長の光を選択的に反射することによる構造色です。夜行性のガは、眼の表面に多数の微小な突起を発達させることで、複眼の集光性を高め月明かりを敏感に感じ取るのに役立てています。これらの微細な表面構造は、数百ナノメートルレベル(nm、1nmは10億分の1メートル)の可視光を選択的に操作する性質を持ちます。また、ハスの葉は、表面に微細な突起を発達させることで水滴の付着を防ぎ、常に表面を清潔に保ちます。

このような生物が持つ特徴的な構造を模倣し、応用する分野はバイオミメティクス^[3]と呼ばれ、ナノレベルの微細加工技術の発展とともに、近年注目されています。一方、細胞の大きさよりはるかに小さいこれらの微細構造がどのような原理で実現されているのかについては、ほとんど明らかになっていませんでした。

昆虫の体表面を覆う細胞外マトリクスは「クチクラ」と呼ばれ、軽くて丈夫な外骨格を形成しています。昆虫は水棲の甲殻類を祖先にもち、陸棲化への進化に伴って、大気中に存在する多様な匂い分子を高感度で検出する機能を獲得したと推測されています。昆虫の嗅覚機能は、触角^[4]と小顎鬚(しょうがくしゅ)^[4]に集中する嗅覚器官(嗅感覚毛)が担っています(図1)。嗅感覚毛には50～200nm程度の穴(ナノポア)が整列し、数nmサイズの匂い分子はこの穴を通して内部の嗅覚神経に到達する一方、マイクロメートル(μm、1μmは100万分の1メートル)サイズの塵やウイルス粒子は侵入できません。さらにナノポアは、表面張力によって嗅感覚毛内部の水分が逃げることを防ぎ、陸上の乾燥した環境に適応した選択的なフィルターとして機能すると考えられています。

昆虫嗅感覚毛のナノポアについては1952年に既に報告があるものの^注1)、その形成機構、および機能に関する研究は進んでいませんでした。ナノポアのサイズは、細胞内分子の輸送に関わる微小管^[5](直径26nm)や細胞内小胞^[6](中空の内径30nm以上)などと同等であるため、生体高分子複合体が細胞外マトリクスの編成に影響していると考えられます。そこで、共同研究グループは、ショウジョウバエの嗅感覚毛を対象として、ナノポアの形成過程を詳細に調べました。

注1)Richards, A. G. Studies on arthropod cuticle. VIII. The antennal cuticle of honeybees, with particular reference to the sense plates. The Biological Bulletin 103, 201–225 (1952).

研究手法と成果

ショウジョウバエのナノポアは、昆虫の外骨格を形成するクチクラ層に作られます。今回の研究で対象とした嗅感覚毛は、嗅神経細胞を囲む支持細胞^[7]の一つである生毛細胞(trichogen cell)が体表面に突起状に伸長し、分泌するクチクラ層に作られます。その後、生毛細胞は退縮し、残されたクチクラの殻の中に嗅覚神経の樹状突起が投射されます(図2)。

共同研究グループはまず、光学顕微鏡の解像限界(200nm)を下回るナノポア形成の初期過程を調べるため、透過型電子顕微鏡^[8]による観察を行いました。クチクラの分泌は蛹化2日目に開始され、成分と構造が異なる複数の層が重なっていくことで外骨格が形成されます。感覚器細胞を除く一般的なクチクラ形成過程では、最も外層の外被(エンベロップ)の主成分は、タンパク質と脂質から成る細胞外マトリクスであると推測されており、厚さ10nm、長さ100nm程度の断片が細胞膜の外側で編成され、その後連結して連続的な層となります(図3上段)。

嗅感覚毛においてもこのように断片的なエンベロップ形成が見られるものの、形成される断片が湾曲しているという特徴がありました。湾曲したエンベロップ断片同士は、細胞膜に最も近いところで連結し、でき上がった層は波打ったパターンを示します(図3下段左)。さらに観察を続けると、波形の底にあたる部分にナノポアが形成されることが分かりました(図3下段右)。これらの結果から、クチクラ形成の初期段階において、エンベロップ断片がナノメートルレベルで湾曲することで、ナノポア形成が始まることが分かりました。

また、この初期段階では、湾曲したエンベロップの「鋳型」となるような形で細胞膜が突出する構造も見られました(図3下段左)。そこで、細胞膜が作る隆起構造に沿ってエンベロップ断片が湾曲する可能性が考えられました。

次に、ナノポア形成に関わる遺伝子の探索を試みました。しかし、ナノポア形成の分子機構は全く不明でした。そこで、ナノポアが蛹化2日目に発現することや、この遺伝子が感覚細胞のなかでも嗅感覚毛にのみ発現していることなどといった状況証拠を手掛かりとして、嗅感覚毛を欠損する変異体で発現が低下する遺伝子を次世代シーケンサー^[9]を用いたメッセンジャーRNA(mRNA)定量法により網羅的に調べたところ、一つの遺伝子を発見しました。

この遺伝子を欠損させた変異体は、外見、行動、生存率は野生型のハエと全く違いが認められませんでした。しかし、嗅感覚毛の微細形態を観察するとナノポアの数が大幅に減少しており(図4上段右)、嗅覚受容の能力が大幅に減少していることが確かめられました。さらに、クチクラ分泌初期の生毛細胞のエンベロップの湾曲も失われていました(図4下段下)。これらの結果より、この遺伝子がナノポア形成活性を担うことが明らかになりました。そこで、この遺伝子をgore-texと名付けました。

gore-tex遺伝子は、蛹の嗅覚器官において嗅感覚毛の細胞で発現し、他のタイプの細胞では発現が見られませんでした(図5)。またGore-texタンパク質は細胞内の小胞に局在することから、小胞の動態を制御することで細胞膜の形状とエンベロップの湾曲化に関わる可能性が示されました。

gore-tex遺伝子の配列を解析したところ、ショウジョウバエゲノムに24個存在するOsiris遺伝子ファミリー^[11]の一員(gore-tex/Osi23)であることが分かりました^注2)。全てのOsiris遺伝子は、さまざまなクチクラ分泌細胞で異なるパターンで発現しており、そのうちの3個(Osiris6、7、19)の遺伝子破壊変異体で、クチクラ形成が異常になることも今回明らかにしました。これまで解読された昆虫のゲノムには全てOsiris遺伝子ファミリーの相同遺伝子(同一の祖先に由来する遺伝子)が見つかっていますが、昆虫以外の無脊椎動物には、甲殻類や多足類を含めて見つかっていません^注3)。このことからOsiris遺伝子は、水棲から陸棲へと適応した昆虫進化の初期に獲得され、以後遺伝子ファミリーがゲノム中に保存されてきたと考えられます。

注2) Dorer, D. R., Rudnick, J. A., Moriyama, E. N., and Christensen, A. C. A family of genes clustered at the Triplo-lethal locus of Drosophila melanogaster has an unusual evolutionary history and significant synteny with Anopheles gambiae. Genetics 165, 613–621 (2003).
注3) Shah, N., Dorer, D. R., Moriyama, E. N., and Christensen, A. C. Evolution of a large, conserved, and syntenic gene family in insects. G3; Genes|Genomes|Genetics 2, 313–319 (2012).

今後の期待

本研究により、細胞内小胞の動態が、細胞外で編成される細胞外マトリックスの形態を制御する可能性が示されました。Gore-tex/Osi23タンパク質の作用として、①細胞内小胞の動態制御、②細胞外マトリックスを構成するタンパク質との相互作用およびその細胞表面への輸送、編成が考えられます。

共同研究グループは最近、Trynityと呼ばれるタンパク質がエンベロップの形状を制御していることを報告しました^注4)。Gore-tex/Osi23とTrynityとの関係を含め、Gore-texタンパク質の物性の理解を深めることで、将来的には生物が進化の過程で獲得した薄膜構造の微細加工原理を試験管内で再構築できる可能性があると考えられます。

これまで100万種以上が記載されている昆虫は、地球上で最も繁栄した生物群です。その成功の秘訣の一つは、軽くて丈夫なクチクラ外骨格を地上のさまざまな環境に適応させ、乾燥、温度変化、捕食者や病原体から体を保護する能力の獲得であったと考えられます。また、外骨格はさまざまな色、形を取ることで種の標識となり、例えばモルフォチョウの翅に代表される構造色を呈する微細構造の一部もエンベロップに形成される100nm前後の間隔の皺によって形作られることが知られています。このようなクチクラの形態の多様化と多機能化に、gore-texとOsirisファミリー遺伝子が果たした役割の検証は、今後着目すべき興味深い課題です。

注4)Itakura Y, Inagaki S, Wada H, Hayashi S. Trynity controls epidermal barrier function and respiratory tube maturation in Drosophila by modulating apical extracellular matrix nano-patterning. PLoS ONE (2018)

原論文情報

Toshiya Ando, Sayaka Sekine, Sachi Inagaki, Kazuyo Misaki, Laurent Badel, Hiroyuki Moriya, Mustafa M. Sami, Yuki Itakura, Takahiro Chihara, Hokto Kazama, Shigenobu Yonemura, and Shigeo Hayashi, “Nanopore formation in the cuticle of an insect olfactory sensillum”, Current Biology, doi:10.1016/j.cub.2019.03.043

発表者

理化学研究所
生命機能科学研究センター形態形成シグナル研究チーム
研究員(研究当時) 安藤俊哉(あんどうとしや)
チームリーダー林茂生(はやししげお)

生命機能科学研究センター超微形態研究チーム
チームリーダー米村重信(よねむらしげのぶ)

脳神経科学研究センター知覚神経回路機構研究チーム
チームリーダー風間北斗(かざまほくと)

お問い合わせ先

理化学研究所生命機能科学研究センターセンター長室報道担当
山岸敦(やまぎしあつし)

報道担当

理化学研究所広報室報道担当

補足説明

クチクラ、細胞外マトリクス

細胞外マトリクスは、細胞と細胞の間を満たし、生体組織を包み込む高分子の構造体。昆虫の体表面を覆うクチクラは、表皮細胞が分泌した細胞外マトリクスで、丈夫な外骨格を形成する。
構造色

色素が特定の波長の光を吸収する事で発色するのに対して、光と構造体との物理的相互作用(干渉、回折、散乱など)によって発色する現象の総称。
バイオミメティクス

生物が進化の過程で獲得した形態、構造、物質などを模倣し、有用な素材や技術の開発に応用すること。生物模倣とも呼ばれる。
触角、小顎鬚(しょうがくしゅ)

昆虫の頭部にある感覚器官。いずれも付属肢が変形した一対の器官であり、外骨格で覆われる。
微小管

細胞骨格の一つ。α/β-チューブリンニ量体が縦方向に重合した13本の素繊維が筒状に束ねられて形成される、直径約26nmの繊維状構造をとる。
細胞内小胞

真核細胞の細胞質内に存在する、脂質二重膜で囲まれた構造体の総称。様々な物質を囲い込むことにより、細胞内で生産された物質の輸送、細胞外から取り込まれた物質の処理など多彩な機能を担う。
支持細胞

昆虫の感覚器官は感覚母細胞が分裂して生まれる神経細胞、グリア細胞とそれらを支える支持細胞によって構成される。支持細胞は生毛細胞とソケット細胞など様々な形態を取ることで嗅覚、接触、音波などの刺激の受容を可能にする。
透過型電子顕微鏡

通常の光学顕微鏡では可視光を試料に当てて観察するのに対し、電子顕微鏡では電子線を当てて観察する。電子線の波長は可視光よりもはるかに短いため、理論上0.1nm程度の分解能が得られ、生体分子やその複合体の構造解析に用いられる。
次世代シーケンサー

毛細管電気泳動を用いた「第一世代シーケンサー」と対比させて使われている用語。多数のDNA断片を同時並行で解析し、大量の配列を読み取ることができるDNA配列解析装置。
ヘリウムイオン顕微鏡

物質の表面を高分解能で観察する手法の一つ。走査型電子顕微鏡における電子線の代わりにヘリウムイオンビームを照射し、試料から二次的に放出される電子を撮像する。
Osiris遺伝子ファミリー

ショウジョウバエで最初に見つかった、昆虫にのみ存在する遺伝子ファミリー。ゲノム上での遺伝子の配置も種を超えて保存されているが、遺伝子の詳細な機能は分かっていない。21個のOsiris遺伝子が集中する染色体領域の重複は致死性を示すが、X染色体のIsis領域の重複により救済される。OsirisとIsisは、暗殺された王オシリスを女王イシスが復活させたというエジプト神話の物語にちなむ。

図1 昆虫の嗅覚器官

左: ショウジョウバエ頭部の模式図。緑色の部分が、それぞれ嗅感覚毛が集中する触角第3節(鞭節)と小顎鬚(しょうがくしゅ)である。
右: 成虫の嗅感覚毛の断面図。クチクラの鞘に微細な穴(ナノポア)が形成されており、効率的な匂い分子の感知に役立っている。

図2 嗅感覚毛の形成過程

嗅感覚毛を構成する細胞のうち生毛細胞(黄色)が体表に突起を突出し、クチクラ(点線)を分泌する(左)。分泌されたクチクラの鞘が硬化した後に、生毛細胞は突起を引っ込める(中)。その後、嗅覚神経(赤色)が樹状突起をクチクラの鞘の中へ投射し、機能的な嗅感覚毛が形成される(右)。図は、Fiuza & Martinez-Arias, Cell and molecular biology of Notch. Journal of Endocrinology 194:459-474 (2007). より改変して作成。

図3 クチクラの外被(エンベロップ)層の形成

(上段)非感覚器細胞(sp)がクチクラを分泌した初期(蛹化44.5時間目)の細胞表面の拡大図(白矢頭:細胞膜)。クチクラのエンベロップ(黄色矢頭)は平らな形状の断片として形成され、連結する(下向きの矢印)。
(下段)嗅感覚毛(olf)の生毛細胞がクチクラを分泌した初期(蛹化44.5時間目)の細胞表面の拡大図。細胞表面に高さ50nm程の突起構造(PMP)が観察された。分泌されたクチクラのエンベロップは、この突起構造に沿って湾曲しているのが分かる。蛹化74時間目(右)では、波形の底にナノポアが形成されている(矢頭)。

図4 gore-tex遺伝子変異体のナノポアの電子顕微鏡画像

(左図)野生型の嗅感覚毛の表面構造をヘリウムイオン電子顕微鏡^[10]で観察した。上は成虫、下は蛹化52時間目の様子。湾曲した細胞膜とエンベロップが確認される。
(右図)gore-tex欠損変異体(gox1)の嗅感覚毛の表面構造を透過型顕微鏡で観察した。上は成虫、下は蛹化52時間目の様子。野生型で見られるナノポアがクチクラ表面にほとんど見当たらず、細胞膜とエンベロップはほぼ平坦である。