助教)発表のポイント原始的な多細胞生物であるゴニウム(図1、2)の全ゲノム配列を解読し、単細胞が多細胞へと進化する鍵となる遺伝子群を初めて明らかにしました。ヒトではがんを抑制している遺伝子が、単細胞が多細胞へと進化する初期段階の原因となることを発見しました。今後、群体性ボルボックス目(図1)の生物の全ゲノム情報を更に解読することで、多細胞化の研究の更なる進展が期待されます。多細胞化のモデル生物群「群体性ボルボックス目」。単細胞のクラミドモナス様の生物が2億年で多細胞化し、細胞の役割分担をもつ複雑な多細胞生物であるプレオリナやボルボックスが進化した。今回のゴニウムは細胞の役割分担のない原始的な8または16細胞性の生物である。(細胞の役割分担)に関連した遺伝子群が進化したことを明らかにした。私たちヒトは複数の細胞からなる多細胞生物です。そんな私たちでも太古はひとつの細胞からなる単細胞生物であり、「多細胞化」により誕生したと考えられています。単細胞生物から多細胞生物への転換は、さまざまな真核生物で起きたと推測されていますが、その初期段階の原因となる遺伝子に関しては謎に包まれていました。pectorale)の全ゲノム解読を実施しました。その結果、多細胞化の初期段階の鍵となる遺伝子群を発見しました。ゴニウムの全ゲノム解読データを単細胞生物のクラミドモナスと細胞の役割分担が進んだ多細胞ボルボックスのものと比較解析した結果、ヒトではがんを抑制する細胞周期を調節する遺伝子が多細胞化の原因であること発見しました。本国際研究グループは、多細胞化の初期においては細胞周期を調節する遺伝子群の進化が起き、その後に細胞の役割分担の遺伝子群が進化するという、単細胞から多細胞へ進化する際のシナリオを明らかにしました。今後、群体性ボルボックス目の全ゲノム情報を更に解読することで、多細胞化をより明らかにする研究の進展が期待されます。私たちヒトをはじめとする地球上の多くの生物は複雑な体制をした多細胞生物でありますが、もともとは単細胞生物であり、「多細胞化」によって誕生したと考えられています。ヒトをはじめとする多細胞動物や陸上植物の起源は今から数億年以上の大昔あり、これらの生物に近縁な単細胞段階と多細胞段階を結びつけるような生物はもはや存在しません。32細胞からなる生物が現存します(図1)。そのため、群体性ボルボックス目では現存する生物を用いて多細胞化の進化過程の比較生物学的研究ができるモデル生物群として重要です。生物科学専攻の野崎久義准教授らは、群体性ボルボックス目を対象にした研究によって、多細胞動物や陸上植物がもつ卵と精子による有性生殖の起源や多細胞化の鍵となる過程を探ってきました。これまでにメスとオスの進化を遺伝子・ゲノムレベルであきらかにするとともに(文献1、2)、世界最小の多細胞生物シアワセモを発見しています(文献3)。pectorale)に注目しました(図1)。群体性ボルボックス目の原始的多細胞生物ゴニウム。同じ大きさの2鞭毛型の細胞が8個平面的に並びまとまって遊泳する。それぞれの細胞が分裂を繰り返して次世代のゴニウムを形成する。研究によればゴニウムは群体性ボルボックスの中で球状群体をもつパンドリナやヤマギシエラよりも早く、今から約2億年前に出現したと考えられています(図1、文献3、4、5)。両者の中間的な進化段階の生物でゲノム解析がなされておらず、どのような遺伝子レベルの進化が多細胞化の初期段階で起きたかは不明でした。今回ゲノム解読したゴニウムのゲノム組成の全般はクラミドモナスやボルボックスのものと基本的に同じであり、群体性ボルボッックス目を含む緑色植物のゲノム情報と比較した結果、ゴニウムとボルボックスの多細胞化には、多数の新規遺伝子群の出現・進化が関係していないと結論されました。ゴニウムの細胞周期を調節する遺伝子群には、クラミドモナスとは異なるが多細胞のボルボックスに共通する特徴が2つ見いだされました。そのひとつが細胞分裂に関係するヒトの網膜芽細胞腫のがん抑制遺伝子(RB遺伝子(注2))と相同の細胞周期を調節する遺伝子です。今回のゲノム比較の結果、ゴニウムとボルボックスに共通し、クラミドモナスのRBタンパク質には見られない分子構造が明らかとなりました(図3A)。ヒトの網膜芽細胞腫のがん抑制因子と相同の細胞周期調節因子RBタンパク質の構造変化。多細胞のゴニウム(Gonium)とボルボックス(Volvox)のRBは、単細胞クラミドモナス(Chlamydomonas)のRBと比較して、転写因子E2F/DP複合体との結合に重要だと考えられるリンカー(L1)領域が短く、C末端領域のリン酸化部位(▽印)が消失している。(CycD1)(*印)は単細胞クラミドモナスには1個しか存在しないが、多細胞のゴニウムとボルボックスで4個に増加している。本研究の成果に基づいて作製。ゴニウムのRB遺伝子をクラミドモナスのRB遺伝子欠損変異体に導入すると、単細胞生物のクラミドモナスが多細胞体に類似した形態になりました。RBタンパク質の制御を受けている転写因子の遺伝子(DP1遺伝子(注3))が欠損すると、この多細胞化は起こりません(図4)。細胞周期調節RB遺伝子を単細胞生物クラミドモナスに導入した結果。クラミドモナスRB遺伝子欠損変異体は細胞周期に異常があり細胞サイズが小さい(左写真)。クラミドモナスRB遺伝子を導入すると細胞サイズが復活する(中上段写真)。形成される(中下段写真)。RB遺伝子の下流のDP1遺伝子を交雑で欠損させると単細胞体に戻る。本研究の成果に基づいて作製。このことはゴニウムのRBタンパク質が細胞周期に影響し,多細胞体の形成に関与していることを示唆しています。ひとつはRBを制御しているサイクインD1の遺伝子(CycD1遺伝子(注4))に関するものです。クラミドモナスのゲノム中には1個だけ存在しますが、ゴニウムとボルボックスでは4個に増加していました(図3B)。多細胞化の初期には複数の細胞周期を調節する遺伝子が協調的に作用して多細胞体を形成していると推測されました。ボルボックスのゲノムに見られる多細胞体の増大や細胞の役割分担をもたらす遺伝子(注5)の増加(文献6)はゴニウムでは認められませんでした。したがって、「多細胞化」においては、細胞周期を調節する遺伝子群がまず進化し、その後に多細胞体の増大や細胞の役割分担に関連する遺伝子が増加・進化すると推測されました(図1)。今後、最も初期に出現した最小多細胞生物シアワセモやより進化段階が高くボルボックスに近い群体性ボルボックス目の生物の全ゲノム情報が明らかになり、単細胞生物から複雑な多細胞生物への進化の過程を遺伝子レベルで解明する研究の更なる進展が期待されます。カンザス州立大学、アリゾナ大学等との国際共同研究で行われました。野崎久義)の支援を受けました。池や湖などの淡水域に生育する2鞭毛をもつ細胞が4個以上で集合した緑藻の一群。各細胞には葉緑体が1個ずつ含まれ、光合成を行う。単細胞性ボルボックス目のクラミドモナスのようなものから進化したと考えられており、500細胞以上からなり小さい非生殖細胞(分裂をして娘群体を形成しない)が分化したボルボックスと最小の多細胞生物とされる4細胞のシアワセモとの間に、プレオドリナやゴニウムなどの進化的に中間段階の生物が現存するため、多細胞化研究のモデル生物群と考えられている。Gene)は細胞周期が進行するのを抑制している。現在では多くのがんの発症に関与していることが分かっている。RB遺伝子は生物界に広く存在し、細胞周期を調節している。DP1遺伝子RBタンパク質の制御下で細胞周期の進行を調節しているDP1の遺伝子。DP1はE2Fと共にE2F/DP複合体を形成する。E2F/DP複合体は、細胞周期の進行に関わる遺伝子のプロモーター配列と結合して、その発現を引き起こす転写因子である。RBは、E2F/DP複合体と結合することにより、E2F/DP複合体の転写因子としての働きを抑える。サイクリンD1はRBタンパク質をリン酸化することにより、RBとE2F/DP複合体との結合を制御する。ボルボックスでは大きな細胞は生殖細胞で細胞分裂して娘球体を形成するが、小さな細胞は非生殖細胞で分裂しない。東京都文京区本郷7-3-1。