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アゲハチョウ2種のゲノム解読、擬態解明

掲載日:2015年3月12日

ゲノム(全遺伝情報)解読はときに思わぬ成果を生む。今回は、チョウの擬態の解明に役立った。日本列島にもいる代表的なアゲハチョウのナミアゲハと、沖縄などに生息するシロオビアゲハのゲノムを解読し、雌が毒チョウの模様に羽を似せる擬態の仕組みを遺伝子レベルで解明するのに、東京大学大学院新領域創成科学研究科の藤原晴彦(ふじわら はるひこ)教授、西川英輝(にしかわ ひでき)特任研究員、大学院生の飯島択郎(いいじま たくろう)さんらが成功した。アゲハチョウのゲノム解読は世界で初めて。擬態の獲得という進化の謎に迫る発見として注目される。東京工業大学、名古屋大学、国立遺伝学研究所、かずさDNA研究所、JT生命誌研究館との共同研究で、3月9日付の英科学誌ネイチャージェネティクスに発表した。

シロオビアゲハは、雌だけが後ろ羽の紋様を毒チョウのベニモンアゲハに似せて捕食者をだまし、捕食者から逃れる擬態を示す。この毒チョウがいないと、擬態をしない雌が増える。つまり、シロオビアゲハの雌には擬態型と非擬態型の両方が混在したまま、進化してきた。この興味深い現象は、生態学、進化学、遺伝学の諸分野で研究されてきたが、その原因遺伝子や仕組みは十分にわかっていなかった。

研究グループはまず、シロオビアゲハと、擬態を示さない近縁のナミアゲハのゲノムを完全に解読した。ゲノムの量は、シロオビアゲハが2億2700万塩基対、ナミアゲハが2億4400万塩基対で、カイコと比べると半分程度だった。シロオビアゲハの雌の擬態型と非擬態型の全ゲノム配列を比較したところ、両者の配列が大きく異なる領域が常染色体上に1か所だけ見つかった。

この領域は、約12万塩基対の超遺伝子と呼ばれる構造で、性分化を司令するdoublesex(dsx)などの遺伝子を含むことを確かめた。擬態をしないシロオビアゲハの雌と比べると、擬態型の雌は染色体の並びが逆向きになる特異な構造をしていた。擬態をしないナミアゲハのゲノムとの比較で、シロオビアゲハの雌の超遺伝子は4000万年近く前に誕生したと推定された。さらに、新たに開発した遺伝子操作技術で、擬態をするシロオビアゲハの擬態型dsx遺伝子を抑制すると、羽の擬態が消失し、非擬態型に似ることを実証した。

アゲハチョウの擬態には、染色体上の隣接した遺伝子群からなるユニット(超遺伝子)が関わっているという仮説が80年以上前から提示されてきた。長い進化の過程を経ても、なお保存されている逆位領域が擬態形質の原因となっているという今回の結果は、長い間謎だった超遺伝子の分子的な実体を突き止めたことにもなる。超遺伝子の完全な構造を示して、原因となる遺伝子の機能を証明したのは初めてという。

藤原晴彦教授は「染色体の向きが逆になっていると、組み換えが抑制される。その結果、タンパク質の重要な配列は同じでも、転写の調節領域などはどんどん変化し、その変異が蓄積した。逆位によって変異は固定され、同じ種の雌の間で異なる形質がずっと平行して維持されたのだろう。雌はこの擬態ができれば、ほかの動物から捕食される危険は減るが、雄から嫌われる恐れもあり、雌の擬態の損得は微妙なバランスの上に成り立っている。チョウの羽の紋様を変更するために今回開発した遺伝子導入技術は画期的で、世界の昆虫研究で使われるよう期待する」と話している。

有毒なベニモンアゲハ(左)に似せたシロオビアゲハの雌の擬態型(中央)と非擬態型雌か雄(右)
図1. 有毒なベニモンアゲハ(左)に似せたシロオビアゲハの雌の擬態型(中央)と非擬態型雌か雄(右)

シロオビアゲハ雌の擬態型の原因となる染色体の逆位領域近傍。他の鱗翅目昆虫も非擬態型と同じ構造をしており、非擬態型から擬態型の染色体が生じたと推定される。
図2. シロオビアゲハ雌の擬態型の原因となる染色体の逆位領域近傍。他の鱗翅目昆虫も非擬態型と同じ構造をしており、非擬態型から擬態型の染色体が生じたと推定される。

今回開発した新しい遺伝子導入法で擬態型の雌個体で擬態型dsx遺伝子の働きを抑えた処理実験。左は、同一個体内の未処理羽。右は処理羽。処理した羽では赤い斑点がなくなり、白い帯状の模様が出現し、非擬態型の羽に類似するようになった。
図3. 今回開発した新しい遺伝子導入法で擬態型の雌個体で擬態型dsx遺伝子の働きを抑えた処理実験。左は、同一個体内の未処理羽。右は処理羽。処理した羽では赤い斑点がなくなり、白い帯状の模様が出現し、非擬態型の羽に類似するようになった。
(いずれも提供:東京大学)
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