甲状腺の初期進化～ヤツメウナギ内柱の祖先性を覆す新しい進化シナリオ～

2022-04-01 理化学研究所,東京大学大気海洋研究所,兵庫医科大学

理化学研究所(理研)開拓研究本部倉谷形態進化研究室の高木亙基礎科学特別研究員(研究当時、現東京大学大気海洋研究所助教)、生命機能科学研究センター形態進化研究チームの倉谷滋チームリーダー(開拓研究本部倉谷形態進化研究室主任研究員)、兵庫医科大学生物学の菅原文昭准教授らの国際共同研究グループは、顎のない脊椎動物である円口類^[1]のヌタウナギ^[1]の「甲状腺^[2]」と、ヤツメウナギ^[1]の幼生が持つ甲状腺の類似器官、「内柱^[3]」の発生を詳細に解析し、これまで祖先の名残と考えられてきたヤツメウナギの内柱が、ヤツメウナギ現生種の系統で独自に獲得された可能性を見いだしました。

本研究成果は「ヤツメウナギの幼生が、祖先的な脊椎動物の姿を反映している」とする従来の考えに疑問を呈し、脊椎動物の初期進化に対する新しいシナリオを提示するものです。

今回、国際共同研究グループは、ヌタウナギの甲状腺の形成過程を形態および遺伝子レベルで詳細に解析し、ヌタウナギの甲状腺が顎のある脊椎動物(顎口類)の甲状腺と非常によく似た発生様式を示すことを明らかにしました。さらに、ヤツメウナギの甲状腺関連遺伝子^[4]を解析した結果、甲状腺と内柱では時空間的な遺伝子発現パターンが異なっており、甲状腺と内柱は異なる分子基盤をもとに発生することが分かりました。近年のヤツメウナギ類の化石の知見とあわせて、「ヤツメウナギ類が幼生期に一過的に発生させる『内柱』は、脊椎動物に近縁なホヤなどが保持する祖先的な内柱を受け継いだものではなく、二次的に獲得されたものである」とする新たな仮説を導き出しました。

本研究は、科学雑誌『BMC Biology』オンライン版(4月1日付:日本時間4月1日)に掲載されました。

本研究で扱った顎のない脊椎動物である円口類のヌタウナギとヤツメウナギ

背景

甲状腺は、エネルギー代謝調節や発生、成長、変態に関わる甲状腺ホルモン^[2]を分泌する脊椎動物の主要な内分泌器官の一つで、甲状腺濾胞^[2]という濾胞組織の集合体として機能しています。濾胞の存在によって甲状腺ホルモンが効率的に貯蔵・分泌されるようになり、ヨード(ヨウ素)の豊富な海で進化した初期脊椎動物が、ヨウ素に乏しい淡水や陸地へ進出することを可能にしたと考えられています。一方、脊椎動物に近縁の頭索類^[5]のナメクジウオや尾索類^[5]のホヤには甲状腺はなく、代わりに内柱という外分泌^[6]腺が同じ位置に存在しています。内柱は甲状腺と機能的・発生学的な共通性を持つため、脊椎動物の初期進化の過程で内柱から甲状腺が生じたと考えられています。

脊椎動物の中では唯一、円口類のヤツメウナギだけが幼生期に甲状腺を持たず、ナメクジウオやホヤとよく似た「内柱」を備えています(図1上)。幼生が変態を経て成体になる過程で、この内柱の一部から甲状腺が生じ、内柱は消失するため、これまで「ヤツメウナギの内柱から甲状腺へと変化する過程は、脊椎動物の甲状腺がたどった進化の歴史を再現している」と考えられてきました。つまり、ヤツメウナギの幼生はナメクジウオやホヤのそれと相同で祖先的な内柱を持ち、初期脊椎動物の姿を反映していると考えられてきたのです(図1下)。

一方、ヤツメウナギ類と同じ円口類の一種であるヌタウナギ類は、ふ化直後から甲状腺を持ち、一生を通じて内柱を持ちません(図1下)。しかし、その甲状腺は咽頭の広い領域から出現する溝状の組織構造を経て発生することが1906年に報告されており、この溝状構造が内柱の痕跡であると解釈されてきました^注1)。従って、ヌタウナギにおける痕跡的な内柱の存在は、円口類の共通祖先が内柱を持っていた根拠と見なすことができ、従来のシナリオ、すなわちヤツメウナギの内柱が祖先的であることを強力に支持します。しかし、その後1世紀以上もの間、ヌタウナギの甲状腺の詳細な発生過程については、遺伝子発現の情報を含め不明であり、溝状構造を内柱の痕跡とすべき確実な証拠はありませんでした。

図1 ヤツメウナギの一生と従来の進化シナリオ

上:脊椎動物でヤツメウナギ現生種の幼生期のみに見られる内柱は、変態を経て甲状腺に置き換わる。
下:従来の進化シナリオ。ヤツメウナギの幼生は、ナメクジウオやホヤの内柱と相同の、祖先的な内柱を現代まで残していると考えられてきた。内柱の存在は、ヤツメウナギの幼生が初期脊椎動物の姿を反映していると考えられる大きな理由の一つだった。

注1)Stockard CR. The development of the thyroid gland in Bdellostoma stoutii. Anat Anz, 29, 91-99 (1906)

研究手法と成果

今回、国際共同研究グループは世界的にも取得が困難なヌタウナギの受精卵から各発生ステージの胚を得て、詳細に観察しました。その結果、いずれの発生段階においても1906年に報告された溝状構造は見られず、この構造は不適切な固定によって生じたアーティファクト(人為構造)であり、実際には存在しないことを明らかにしました。すなわち、ヌタウナギの甲状腺原基^[7]は内柱様の形態を経ることなく、顎口類と同様に咽頭腹側内胚葉^[8]の限られた領域から直接発生することが分かりました(図2)。

顎口類の甲状腺原基では、三つの甲状腺関連遺伝子(Nkx2-1、Pax8、Hhex)が、相互依存的な遺伝子制御ネットワークを構築し、形態形成を促すことが知られています。発生ステージ51以後のヌタウナギ胚でも、これら三つの甲状腺関連遺伝子の相同遺伝子^[9]が甲状腺原基で共発現していたため、ヌタウナギの甲状腺は顎口類と非常によく似た発生プロセスをたどることが分かりました。この類似性から、円口類と顎口類の共通祖先、つまり全ての現生脊椎動物の共通祖先の段階で祖先的な内柱は既に失われ、甲状腺が直接発生していた可能性が示されました。

図2 顎口類とヌタウナギの甲状腺の初期発生

顎口類胚とヌタウナギ胚(発生ステージ45)のどちらにおいても、甲状腺は咽頭腹側の内胚葉の限られた領域から発生していた。写真はいずれも、左が頭部側、上が背側となる。

脊椎動物の共通祖先で既に祖先的な内柱が失われていたとすると、脊椎動物でヤツメウナギだけが持つ「内柱」をどう解釈すればよいでしょうか。ここで新たな仮説として、「ヤツメウナギ現生種は新たな『内柱』を二次的に獲得した」という可能性が浮かび上がってきました。上記の三つの甲状腺関連遺伝子は、ナメクジウオやホヤ、ヤツメウナギの内柱にも発現しており、内柱が甲状腺と相同である根拠とされてきました。しかし、内柱が甲状腺と同じ発生メカニズムによって発生するかは全く不明でした。また、ナメクジウオやホヤ、ヤツメウナギのいずれにおいても、甲状腺関連遺伝子の発現は内柱の特定の領域のみに限られており、内柱が甲状腺と同じ分子基盤をもとに発生するという証拠は存在しませんでした。

そこで、ヤツメウナギの胚で甲状腺関連遺伝子の発現を再解析したところ、内柱の形態形成開始直前に、Nkx2-1相同遺伝子のみが先行して咽頭の広い領域に発現し(図3)、その後、内柱の形態がほぼでき上がる段階になって、ようやく全ての甲状腺関連遺伝子が内柱で発現することが分かりました。さらに、これらの遺伝子は内柱の組織内で完全に共発現するわけではなく、領域特異的な発現を示すことも分かりました。よって、Nkx2-1以外の二つの甲状腺関連遺伝子は内柱の形態形成には関与せず、三つの遺伝子全てを必要とする甲状腺とは異なる独立した分子基盤によって、内柱が発生することが示唆されました。つまり、ヤツメウナギの内柱は、甲状腺と別の発生メカニズムを持つため、甲状腺の発生に影響を与えずに、二次的に獲得されたと考えられます。

興味深いことに、ヤツメウナギと同様に発生ステージ45の若いヌタウナギ胚でもNkx2-1相同遺伝子のみが他の遺伝子に先行して発現しており、またその発現領域は甲状腺原基に限らず、より吻(ふん)側(口に近い側)の咽頭内胚葉まで広範囲に及んでいました(図3)。

図3 円口類で保存されたNkx2-1相同遺伝子の広範な咽頭での発現

甲状腺関連遺伝子のうち、Nkx2-1相同遺伝子だけが、ヌタウナギとヤツメウナギの両種で発生の最も早い時期から発現していた。

上段:発生ステージ45のヌタウナギ胚において、その発現領域は甲状腺が発生する場所(黒の矢じり)に限定されず、吻側(口に近い側)まで広範囲に及んでいた(赤の矢じり)。
下段:発生ステージ24のヤツメウナギ胚の内柱は、甲状腺よりも広い領域から発生する。Nkx2-1相同遺伝子の発現は、内柱が発生する領域全体に及んでいた(赤の矢じり)。

この円口類に共通の、発生初期の咽頭での広範囲なNkx2-1相同遺伝子の発現は、ナメクジウオやホヤ、さらには内柱を持たない半索動物^[5]のギボシムシでも知られていることから、これら全ての共通祖先にまでさかのぼる非常に古い遺伝子発現の特徴として、現在まで引き継がれたものと考えられます。祖先的な内柱は、脊椎動物の祖先でいったん失われますが、その後も円口類で保持されたNkx2-1相同遺伝子の咽頭での広範な発現が、ヤツメウナギで「二次的内柱」を発生させる下地となった可能性があります(図4)。

従来、内柱を持つヤツメウナギ類の幼生は祖先の姿を保持していると考えられてきましたが、最近の古生物学研究では、絶滅したヤツメウナギ類の孵化直後と考えられる古生代の化石が、成体と同じ形態を示すと解釈されており、ヤツメウナギの祖先には幼生段階がなかった可能性が示されています^注2)。今回の結果と合わせて考えると、ヤツメウナギ現生種の「内柱」は幼生段階とともに、二次的に挿入されたと考えられ、「全ての脊椎動物の共通祖先で、祖先的な内柱は一度失われ、ヤツメウナギで新たな『内柱』が獲得された」とする新たな進化シナリオが導き出されました(図4)。

図4 本研究で提唱する新たな進化シナリオ

これまで祖先形質だと考えられてきたヤツメウナギの内柱の祖先性を覆す新しい仮説。従来の仮説に従うと、顎口類、ヌタウナギ、複数のヤツメウナギ化石種の少なくとも三つ以上の系統で、祖先的内柱が失われる必要がある。一方、新しい進化シナリオは、祖先的内柱の消失が全ての脊椎動物の共通祖先で1度だけ起こったと仮定し、ヤツメウナギ現生種で新たに二次的内柱が獲得されたとする、再節約的なシナリオである。

注2)Miyashita, T., Gess, R.W., Tietjen, K., and Coates, M.I. Non-ammocoete larvae of Palaeozoic stem lampreys. Nature, 591, 408-412 (2021).

今後の期待

国際共同研究グループが提唱した新たな進化シナリオは、今後、解析対象をホヤやナメクジウオにも広げ、さらなる検証が必要です。しかし、今回円口類で明らかにした知見は、化石に残りにくい軟組織である甲状腺の進化について、発生学的アプローチからの新たな視点をもたらすものです。また、内柱を持つホヤ、ナメクジウオ、ヤツメウナギ幼生はいずれも濾過摂食を行い、内柱と摂食様式は密接に関わっていることから、本研究で得られた知見は、化石記録の乏しい初期脊椎動物の生活史を理解する上でも重要な手がかりとなります。

これまで、円口類研究の多くにはヤツメウナギが用いられ、ヤツメウナギが祖先的な形質を残すことを前提として進められてきましたが、それは全ての形質に当てはまるわけではありません。脊椎動物の進化を可能な限り正確に理解するためには、同じ円口類のヌタウナギや顎口類、化石種の知見も含めた総合的な判断が求められることを、本研究はあらためて教えてくれます。

補足説明

1.円口類、ヌタウナギ、ヤツメウナギ
円口類は、ヌタウナギ類とヤツメウナギ類から構成される顎(あご)を持たない脊椎動物の一群。どちらも「ウナギ」のような見た目だが、真骨類ウナギとは全く異なる動物群である。ヌタウナギは、受精卵を入手するのが極めて困難だったため、胚発生研究が遅れていた。粘液腺から分泌される粘液(ヌタ)で、外敵から身を守ると考えられている。幼生期はなく、孵化直後の稚魚は成体と同じ形態を示す。ヤツメウナギはヌタウナギとは異なり、孵化後に2～7年ほど濾過摂食性の幼生期を過ごし、変態を経て成体になる。成体には両眼の後ろに7対の鰓孔があり、計8個の眼を持つように見えることから名付けられた。

2.甲状腺、甲状腺ホルモン、甲状腺濾胞
甲状腺は脊椎動物の首の位置にあり、ヒトを含む哺乳類では気管の前部を覆うように位置する内分泌器官で、細胞で作られた袋状の組織(甲状腺濾胞)が集まって構成される。甲状腺ホルモンは、二つのチロシンというアミノ酸が結合した分子に、海藻などに多く含まれるヨード(ヨウ素)が三つないしは四つ付加された構造を取る。ヒトの場合、ヨードの欠乏や過剰は種々の甲状腺疾患を引き起こす。

3.内柱
ナメクジウオとホヤの咽頭に見られる外分泌器官。粘液タンパク質を分泌し、環境中のプランクトンや有機物を捕捉することで、摂食を補助する。脊椎動物では唯一、ヤツメウナギの幼生だけが、同じ名前で呼ばれる「内柱」を備えている。

4.甲状腺関連遺伝子
甲状腺の発生に必須の三つの遺伝子Nkx2-1、Pax8、Hhexを指し、これらはいずれもDNAに結合して他の遺伝子の発現を制御する転写因子をコードする。いずれかが欠けると甲状腺は形成されないことが、遺伝子欠損マウスなどの実験で確かめられている。また、これらの遺伝子は甲状腺の形態形成だけでなく、機能の維持にも関わる。

5.頭索類、尾索類、半索動物
脊椎動物とともに、脊索動物門を構成する分類群。脊索動物門の特徴である体の前後軸を支える棒状の形態物(脊索)を、ホヤ(尾索類)では幼生期まで、ナメクジオウオ(頭索類)は成体期まで持つが、多くの脊椎動物では脊索は発生の過程で消失し、脊椎に置き換わる。半索動物は、脊索動物以外では唯一、鰓裂と呼ばれる咽頭部の構造を持つことから、脊索動物との関連が指摘されてきた。

6.外分泌
外分泌とは、分泌物を体の外に放出すること。内柱が粘液タンパク質を放出する消化管内は外界と通じているため、体の外と見なされる。一方、内分泌とは、体内で合成された分泌物質(ホルモン)を、体内の標的組織に作用させる現象のこと。甲状腺で合成・分泌された甲状腺ホルモンは血流に乗って、全身のさまざまな標的組織に作用する。

7.原基
特定の器官が発生するもととなる組織構造。

8.咽頭腹側内胚葉
脊椎動物胚の首の位置にある咽頭嚢は内胚葉に由来し、甲状腺のほか耳管や胸腺など頸部のさまざまな器官を発生させる。咽頭腹側内胚葉は、咽頭嚢の腹側(ヒトが直立した姿勢では「前側」)の領域。

9.相同遺伝子
同一祖先に由来する遺伝子。

国際共同研究グループ

理化学研究所
開拓研究本部倉谷形態進化研究室
基礎科学特別研究員(研究当時) 高木亙(たかぎわたる)
(現東京大学大気海洋研究所海洋生命科学部門助教)
生命機能科学研究センター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)
(開拓研究本部倉谷形態進化研究室主任研究員)
研究員日下部りえ(くさかべりえ)
バイオリソース研究センター iPS細胞高次特性解析開発チーム
テクニカルスタッフⅡ 佐藤伊織(さとういおり)
脳神経科学研究センター触知覚生理学研究チーム
研究員大石康博(おおいしやすひろ)

東京大学大気海洋研究所
教授兵藤晋(ひょうどうすすむ)
技術専門職員小川展弘(おがわのぶひろ)

兵庫医科大学教養部門生物学
准教授菅原文昭(すがはらふみあき)

広島大学大学院医系科学研究科
助教樋口真之輔(ひぐちしんのすけ)

マラガ大学(スペイン) Faculty of Science
Senior Researcher パスクアル・アナヤ・フアン(Pascual-Anaya Juan)

宮崎大学農学部
助教宮西弘(みやにしひろし)

東京医科歯科大学大学院医歯学総合研究科
助教足立礼孝(あだちのりたか)

研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金新学術領域(研究領域提案型)「進化の制約と方向性(領域代表者:倉谷滋)」などによる支援を受けて行われました。

原論文情報

Wataru Takagi, Fumiaki Sugahara, Shinnosuke Higuchi, Rie Kusakabe, Juan Pascual-Anaya, Iori Sato, Yasuhiro Oisi, Nobuhiro Ogawa, Hiroshi Miyanishi, Noritaka Adachi, Susumu Hyodo, Shigeru Kuratani, “Thyroid and endostyle development in cyclostomes provides new insights into the evolutionary history of vertebrates”, BMC Biology, 10.1186/s12915-022-01282-7