2014/7/9 (配信日7/7)

ヒトからハエまで共通した頭部形成の分子メカニズムを解明

~カエル胚の形成体の研究からわかったこと~

発表者

  • 平良眞規(東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻 准教授)
  • 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)

発表のポイント

  • ヒトとハエの頭部形態は全く異なるにも関わらず、何故その形成に同じOtxタンパク質が関わるかが謎であった。
  • Otxタンパク質は「頭部」の場所を決める働きをもち、パートナーのLim1とGscがどのような頭部を作るかを決める、という新しい制御機構を、カエル胚を用いて見出した。
  • 頭部形成の分子メカニズムの一端を解明したことにより、進化過程で異なる形態の頭部が進化してきた道筋を知る手がかりを得られた。

発表概要

遺伝子のスイッチを操作する遺伝子制御タンパク質(注1)のOtxは、ヒトからハエまでの「頭部をもつ動物」(注2)に共通に存在し、初期胚の頭部形成に関わることが知られていた。しかし、ヒトとハエの頭部は互いに全く異なる形態をもっているため、その形成になぜ同じタンパク質が、またどのようにして関わるかが不明であった。

東京大学大学院理学系研究科の平良眞規准教授と安岡有理博士(現:沖縄科学技術大学院大学・日本学術振興会特別研究員PD、当時:東京大学大学院理学系研究科大学院生)らの研究グループは、ツメガエル(注3)の胚と最新の次世代シークエンス技術を駆使して、頭部形成の分子メカニズムを解析した。その結果、ツメガエルのOtxタンパク質は、さまざまな遺伝子のスイッチである制御領域に結合し、遺伝子制御タンパク質のLim1と一緒に標的遺伝子を活性化する(つまり遺伝子のスイッチをオンにする)一方、Gscと一緒に標的遺伝子を抑制する(つまり遺伝子のスイッチをオフにする)ことを突き止めた。すなわち、Otxは胚の中で頭部という場を決め、その場所でどのような形態を作るかは、Otxが一緒に結合する他の遺伝子制御タンパク質によって決まり、頭部形成に必要な遺伝子を活性化し、頭部形成を妨げる遺伝子を抑制することで、ヒトとハエはそれぞれ7億年をかけて異なる頭部を進化させてきたと示唆される。

発表内容

図1

図1:ネッタイツメガエル胚における頭部欠損胚。正常胚(上)と、Otx2、Lim1、Gscの機能喪失による頭部欠損胚(下)を示す。

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図1

図2:アフリカツメガエル胚における頭部誘導。この実験ではGscを除いた「頭部オーガナイザーカクテル」の合成mRNAを4細胞期の腹側にガラス管を用いて顕微鏡下で注入して、第二の頭部を誘導した。

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図2

図3:ChIPシークエンス解析の例。chordin遺伝子の近傍に、図に示したタンパク質(Otx2、Lim1、Gscなど)が結合していることがピークとして表される。この遺伝子の上流にはタイプIシス制御領域が二つ同定され、いずれもOtx2とLim1が結合して遺伝子のスイッチをオンにすることが示された。Otx2とLim1によってchordin遺伝子のスイッチがオンになると、Chordinタンパク質が作られる。Chordinタンパク質は、オーガナイザーから分泌されて、周囲の組織を神経組織へと誘導する重要な働きをもつ。

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動物の体は、受精卵からの発生過程を経て、頭部、胴部、尾部、四肢といった構造が形づくられていく。発生学研究の金字塔として知られる1924年のハンス・シュペーマンとヒルデ・マンゴールドによるオーガナイザー(形成体、注4)の発見は、脊椎動物の初期発生において、基本的な形づくりを一手に担ういわば司令塔のような役割をもつ組織の存在を明らかにした。それから今日に至るまで、オーガナイザーの研究は発生学の中心テーマのひとつである。オーガナイザーの中で、特に頭部を形成する役割を担うのが頭部オーガナイザーである。一方、その後方に位置する胴部オーガナイザーは、胴部構造を形成する役割をもつ。1990年代初頭、頭部オーガナイザーに発現する遺伝子制御タンパク質として、Gsc、Lim1、Otx2が立て続けに発見された。しかしそれらのタンパク質はそれぞれ独立に研究されてきたため、相互の関係や制御を受ける標的遺伝子に関して、統一的な制御機構の存在は誰も予見していなかった。一方、Gsc、Lim1、Otx2は、ヒトばかりでなくハエにも存在し、特にOtx2 と同じハエのタンパク質Otx(ハエではOtdという)は、ハエの頭部形成に関わることが知られていたが、Otx2とOtdとの役割の共通性については謎のままであった。

今回、Lim1の発見者である東京大学大学院理学系研究科の平良眞規准教授と安岡有理博士(現沖縄科学技術大学院大学・日本学術振興会特別研究員PD、当時:東京大学大学院理学系研究科大学院生)らの研究グループは、ネッタイツメガエル胚において上記のOtx2、Lim1、Gscタンパク質を喪失させた場合、頭部の形成が行なわれないことを示した(図1)。さらに、Otx2、Lim1、Gsc、およびそれらの働きを高める補助タンパク質を作用させるための合成mRNA(注5)を配合した「頭部オーガナイザーカクテル」を作製し、ツメガエルの初期胚にガラス管を用いて顕微鏡下で注入したところ、驚くべくことに本来は腹部として分化すべき組織に頭部が形成さえることを見出した(図2)。この発見によって、これらのタンパク質が互いに関係し合って頭部形成に関わることが初めて示された。

次に同研究グループは、ChIPシークエンス解析(注6)という方法を用いて、ネッタイツメガエル胚のオーガナイザーにおけるOtx2、Lim1、Gscがそれぞれ制御する標的遺伝子の網羅的解析に着手し、これらの遺伝子制御機構の全貌に迫った。まずOtx2、Lim1、Gscが結合するDNA領域、すなわちシス制御領域(注7)と呼ばれる遺伝子のスイッチとなる領域を同定した。図3に、オーガナイザーで重要な働きをもつchordinという遺伝子の周辺で、各タンパク質が結合しているシス制御領域を示す。このようなシス制御領域を多数同定したことで、頭部形成に必要な遺伝子をどのように活性化するか(つまり遺伝子のスイッチをオンにするか)、あるいは頭部形成に邪魔な遺伝子(胴部オーガナイザーの遺伝子など)をどのように抑制するか(つまり遺伝子のスイッチをオフにするか)が検証可能となった。そこでシス制御領域の配列の特徴と、それが制御する遺伝子の発現領域との関連性を調べた結果、二つのタイプのシス制御領域(タイプⅠとタイプⅡとした)の存在を突き止めた。これらのシス制御領域は「頭部オーガナイザーカクテル」に対して予想通りの反応をし、タイプⅠは遺伝子を活性化し(スイッチをオン)、タイプⅡは遺伝子を抑制した(スイッチをオフ)。すなわち、タイプⅠは、Otx2とLim1が結合して遺伝子を活性化するシス制御領域で、タイプⅡはOtx2とGscが結合して遺伝子を抑制するシス制御領域であることが判明した。これらの解析結果より、以下の遺伝子制御モデルが明らかとなった:Otx2はシス制御領域に結合することにより、その細胞に「頭部である」という位置情報を伝える分子指標として働き、Lim1がOtx2と一緒に結合すると結合したシス制御領域の近傍の遺伝子をオンに、一方Gscが一緒に結合すると結合したシス制御領域の近傍の遺伝子をオフにすることで、頭部形成に寄与する、というものである。

Otxタンパク質は、ヒトからハエまでほぼ全ての「頭部をもつ動物」(注2)で、胚の前方に発現して、頭部形成に関わると考えられている。今回Otx2の役割が明らかになったことで、頭部の進化の過程を理解する上で重要な一里塚を築いたといえる。すなわち、Otx自身にはどのような頭部を作るかを決める働きはなく、その情報の受け手である「制御される側の遺伝子」が、Otxで与えられた頭部の情報をどのように使うかを決める、という仕組みが存在し、その仕組みだけが「頭部をもつ動物」で保存されていることを示唆している。したがって、動物は進化の過程の中で、Otxが結合するシス制御領域を変化させ、かつOtxのパートナーとして一緒に働く遺伝子制御タンパク質を換えることで、それぞれの動物の頭部に必要な遺伝子をオンにし、邪魔な遺伝子をオフにして、異なる頭部を進化させてきたと想像される。

本研究は、発生学から進化の道筋を考える進化発生生物学の分野において、遺伝子の制御機構の仕組みに基づく頭部進化の原理を明らかにしたという点で、新たな道を切り拓いたといえる。

なお、本研究は東京大学大学院新領域創成科学研究科の菅野純夫教授の研究グループと、産業総合研究所の浅島誠博士の研究グループとの共同研究により行われた。

発表雑誌

雑誌名
Nature Communications, Vol.5, Article number: 4322, published 9 Jul 2014
論文タイトル
Occupancy of tissue-specific cis-regulatory modules by Otx2 and TLE/Groucho for embryonic head specification
著者
Yuuri Yasuoka, Yutaka Suzuki, Shuji Takahashi, Haruka Someya, Norihiro Sudou, Yoshikazu Haramoto, Ken W. Cho, Makoto Asashima, Sumio Sugano & Masanori Taira
DOI
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5322

用語解説

注1 遺伝子制御タンパク質
転写制御タンパク質あるいは転写因子ともいう。ゲノムDNA上の遺伝子は、まずメッセンジャーRNA(mRNA)に転写され、mRNAからはタンパク質が翻訳されることで、遺伝子の機能が発現する。それを制御しているのが、遺伝子制御タンパク質で、DNAに結合して遺伝子の転写のスイッチをオンあるいはオフに制御する。本研究グループが解析したOtx2、Lim1、Gscは、いずれもホメオドメインという共通の構造をもつ遺伝子制御タンパク質であり、それらはホメオボックス遺伝子と呼ばれる。
注2 頭部をもつ動物
明確な頭部があり、背と腹の違いをもつ動物には、体軸として前後軸、背腹軸、左右軸がある。ヒトや昆虫などを含むこのような動物を分類学では「左右相称動物」という。頭部をもたない動物としては、クラゲやイソギンチャクなどを含む刺胞動物や、カイメンを含む海綿動物などがある
注3 ツメガエル
発生学実験に世界中で広く使われているアフリカ原産のモデル動物で、学名からゼノパス(Xenopus)とも呼ばれる。発生速度が速く、人工受精により同調して発生する大量の胚を得られる、という利点がある。今回発表された論文ではネッタイツメガエル(Xenopus tropicalis)とアフリカツメガエル(Xenopus laevis)という近縁な2種が用いられている。ネッタイツメガエルは全ゲノム配列が解読されており、遺伝子機能阻害実験やChIPシーケンスなどよるゲノム解析に有用である。アフリカツメガエルは胚の操作が容易なことから遺伝子機能亢進実験や移植実験に適している。
注4 オーガナイザー
形成体ともいう。脊椎動物の初期胚発生において中心的な役割を担う領域であり、神経や筋肉などの背側組織を誘導する役割を持つ。ハンス・シュペーマンはオーガナイザーの発見でノーベル賞を授与されている。
理学のキーワード第25回参照
https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/story/newsletter/keywords/25/06.html
注5 合成mRNA
試験管内で目的の遺伝子のmRNAを人工的に合成したものをさす。それをツメガエルの胚にガラス管を用いて顕微鏡下で注入すると、そこから目的のタンパク質が合成され、胚の発生に影響を与えることができ、その影響に基づいて遺伝子の機能を探ることができる。
注6 ChIPシークエンス解析
クロマチン共免疫沈降(ChIP)で得られたDNAを、一度に億単位のDNA断片の塩基配列を解読することができる次世代シークエンサーによって配列決定する手法。クロマチンとは、ゲノムDNAに特殊なタンパク質が結合した複合体である。まず細胞核からクロマチンを抽出し、超音波で裁断後、遺伝子制御タンパク質のみに反応する抗体を用いて、遺伝子制御タンパク質が結合しているDNA断片を沈降させる。得られたDNA断片の配列を決定し、遺伝子制御タンパク質がゲノムDNAのどの配列に結合していたかを検討できる手法。1回の解析に、同調して発生する数千個のネッタイツメガエルの胚が必要である。
注7 シス制御領域
遺伝子制御タンパク質が結合するDNA領域で、遺伝子のスイッチの役割を担っており、制御を受ける遺伝子の発現する場所・時期・量を調節する。遺伝子本体(mRNAに転写される領域)とともに進化的によく保存されており、遺伝病の原因にもなり得る非常に重要な配列である。遺伝子制御領域ともいう。