国名：日本国

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国名：アメリカ合衆国

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国名：日本国

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国名： 日本国

備考： 博士課程後期

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団体区分：学協会

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担当区分：研究分担者  資金種別：競争的資金

配分額：2000000円

担当区分：研究代表者  資金種別：競争的資金

配分額：4810000円 （ 直接経費：3700000円 、 間接経費：1110000円 ）

ユニークな形質を持つ生物は、それらが独自の遺伝子をゲノム中に獲得することで進化したと考えられてきた。ところが、発光魚キンメモドキは、発光に必要な酵素遺伝子をゲノム中に持たず、餌であるウミホタルから発光酵素(ルシフェラーゼ)を獲得していることが、 申請者の研究により明らかとなった。「餌由来のタンパク質が消化されずに特定の器官の細胞に取り込まれ、さらに、本来の酵素機能が保持される」現象（盗タンパク質現象）の取込みの分子・細胞生物学的メカニズムおよび進化的起源は未知である。本研究では、キンメモドキにおいて餌由来タンパク質を細胞内に取込む仕組みの解明 と本現象がみられる新たな生物種の発見を目指す。
発光魚キンメモドキParapriacanthus ransonnetiは、トガリウミホタルCypridina noctilucaのルシフェラーゼタンパク質を発光器に取り込むが、その動態は不明である。また、免疫組織化学による染色像より発光細胞の細胞質にルシフェラーゼが存在することから、膜介在性の取り込み機構などによりルシフェラーゼが取り込まれていると予想される。すなわち、膜に局在するトガリウミホタルルシフェラーゼ受容体の存在を想定して、これを同定することを目指す。
新型コロナウィルス感染症の流行のため、研究が断続的に中断されてしまい、また、協力関係にあった水族館も閉館に至ったため、生体サンプルの供給に大きな問題が生じた。そのため、飼育実験を精力的に行うことが不可能であった。
リコンビナントトガリウミホタルルシフェラーゼをキンメモドキに投与したところ、投与後1日から3日では発光器でのルシフェラーゼ活性の取り込みを検出することができた。しかしながら、ウェスタンブロットや質量分析法によりこれらのサンプルからリコンビナントトガリウミホタルルシフェラーゼの検出を試みたが、検出できなかった。これらの結果は取り込みには十分な時間が必要であることを示唆している。さらなる実験を行うため、生体サンプルのあらたな供給経路を模索した結果、某水族館との協力関係を結ぶことができた。これにより、長期間の飼育実験が可能となった。これまでの研究から、ウミホタルVargula hilgendorfii の2週間にわたる投与で、ウミホタルルシフェラーゼの発光器における取り込みは確認されている。今後は、実験期間を1週間に設定して投与実験を行うことで、ルシフェラーゼタンパク質の取込みを見出し、タンパク質共沈降法により、相互作用タンパク質の同定を目指す。
キンメモドキのルシフェラーゼタンパク質取り込み機構解明のために、ルシフェラーゼと相互作用し取り込みに寄与する分子実体の解明を目指す。期間中に、リコンビナントルシフェラーゼの作成と投与実験の検討を行い、取り込みには数日以上の長期間が必要であることを明らかにした。
新型コロナウィルス感染症の流行のため、研究が断続的に中断されてしまい飼育実験を精力的に行うことが不可能であった。
本研究費申請額の直接経費5000千円に対して、説明もなく3700千円の減額交付であったため、研究に必須の発光測定器の購入が困難となり、さらなる外部資金獲得が必要となり、研究の進展が非常に遅延した。
生体サンプルのあらたな供給経路を模索した結果、某水族館との協力関係を結ぶことができた。これにより、長期間の飼育実験が可能となった。これまでの研究から、ウミホタルVargula hilgendorfii の2週間にわたる投与で、ウミホタルルシフェラーゼの発光器における取り込みは確認されている。今後は、実験期間を1週間に設定して投与実験を行うことで、ルシフェラーゼタンパク質の取込みを見出し、タンパク質共沈降法などにより、相互作用タンパク質の同定を目指す。
また、RNA-seqを発光器と非発光組織で行い、比較解析することで発光器に特異的に発現する遺伝子を網羅的に解析する。検出された遺伝子の中からタンパク質の取り込みに関連する遺伝子群を同定し、その組織上での局在を調べタンパク質取り込みへの関与を実際に検証する。

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担当区分：研究代表者  資金種別：競争的資金

キンメモドキは発光に必要なルシフェラーゼ遺伝子をもたずウミホタルからタンパク質を盗むことで、餌生物がもつ機能を獲得します。「盗タンパク質」として知られるこの現象はキンメモドキでのみ見つかっています。消化・分解されるはずのタンパク質が捕食者の体内で機能する現象は生物学にとって革新的な概念です。本研究では、盗タンパク質をもつ発光生物を新たに発見し、餌由来のタンパク質を取込む共通原理の解明を目指します。

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担当区分：研究代表者  資金種別：競争的資金

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担当区分：研究分担者  資金種別：競争的資金

本研究では、ハタンポ科魚類を形態学的に精査し、分子系統学的手法を用いて系統関係を明らかにすることで、分類学的混乱を整理することを目的としている。また、現行の属に単系統性が認められないことから、属の再定義をおこなう。さらに、ハタンポ科魚類には「盗タンパク質」により発光能力をもつ種が存在しているが、その系統学的位置を形態・分子の両面から明らかにすることにより、本科魚類がどの進化的過程のなかで発光能力を獲得したのかを推定することを最終目標とする。本研究で得られる知見は、ハタンポ科の分類系統に貢献するだけでなく、発光生物の進化的な起源や分子生物学的な仕組みの解明に貢献すると考えられる。
申請研究を遂行した結果、ハタンポ科魚類を含む数多くの海産魚類の標本を観察、計測、撮影をする機会を得ることができた。その結果、ハタンポ科キンメモドキ属の1未記載種（発光種）が新たにみつかった。本標本は、腹部から胸部にかけての発光器の形状が、既知の同属他種と異なるうえ、側線有孔鱗数をはじめとする鱗の計数値、鰭条の計数値、体背縁の形状などにも明瞭な違いが認められた。現在、R. Mooi氏と共同でキンメモドキ属全体の整理を含めた記載論文の執筆に取り組んでいる。形態観察や遺伝子解析の結果によりハタンポ科全体の整理も進み、属の分類学的な整理を進めている。また、ハタンポ科ミナミハタンポの夜間の行動生態も解明され、原著論文として発表されるに至った。さらに、高知県における野外観察の結果、同じ夜行性魚類であるキンセンイシモチが発光する糞をする様子が観察されるなど、夜行性魚類の発光や行動に関する知見を深めた。なお、東京大学総合研究博物館をはじめ、神奈川県立生命の星・地球博物館、高知大学、黒潮生物研究所に収蔵された魚類標本の観察に加え、野外における観察や標本採集の結果、ヒメジ科やネズッポ科、クロタチカマス科、フサカサゴ科、ウミヘビ科などの複数の未記載種や日本初記録種、稀種の発見につながった。これらの発見の一部は原著論文として投稿中、受理済または発表済である。なお、遺伝解析に必要なオーストラリア産標本の採集の予定が新型コロナウィルスの影響により困難となったことから、オーストラリア・ニュージーランドに所在する博物館機関の魚類研究者に連絡し、遺伝標本の提供の手続きを進めている。
複数の到達目標について、おおむね順調か予定以上の成果が得られている。当初の予定であるハタンポ科魚類の発光のみならず、他の海産魚類についても多数の成果が得られた点において、当初の計画以上に幅広い分野において研究が進展しているといえる。遺伝解析に必要な標本をオーストラリアを訪問して採集し、解析を開始する予定であったものの、新型コロナウィルスの影響により困難となった。このため、オーストラリア・ニュージーランドに所在する博物館機関の魚類研究者に連絡し、遺伝標本の提供の手続きを進めている。すでに標本提供の承諾を得たうえで手続きを進めているところではあるが、解析については多少の遅れがでている。これについては、入手次第に解析を進めることで十分に取り戻せることができるため、全体としてはおおむね順調に進展しているものと判断した。
ハタンポ科の分類学的整理が進んだため、今後はこれらの成果を論文として執筆し、発表する予定である。現在は日本と台湾を中心としたハタンポ属と未記載種が確認されたキンメモドキ属の分類学的再検討に関する原稿の執筆をそれぞれ進めている。今回は新型コロナウィルスの影響により、予定していた海外調査をおこなうことができなかった。また、各博物館機関より遺伝子標本を提供いただく連絡はいただけたものの、現地のロックダウンの影響もありこれらを受領、解析を進めることができていない。今後は、これらの遺伝標本を利用して、現在までにあきらかになっているハタンポ科内の系統関係をより明確にし、属の再記載を含めたハタンポ科全体の整理に取り掛かる予定である。さらに、これらの多くは南半球にのみ分布する発光種であることから、これらが非発光種より分岐した（あるいは非発光種がこれら発光種から分岐した）年代や地誌的な影響を考察することで、ハタンポ科魚類が生物発光を獲得した進化の過程を明らかにすることができると考えている。また、これらハタンポ科の調査と比較として用いた海産魚類の研究の過程で、数多くの未記載種の存在も明らかになったことから、今後はこれらを分類学的に精査し、適宜記載していく予定である。
今回の研究により、ハタンポ科と近い生態学的地位にあるテンジクダイ科キンセンイシモチが発光する様子が確認された。これらの発光のメカニズムは異なることが想定されたものの、実験のノウハウはハタンポ科にも応用可能であり、今後はハタンポ科の発光種を用いた発光の実験を進めたい。これにより、ハタンポ科が発光する意義に迫ることができ、これを獲得するに至った起源の解明にも繋がっていくものと考えられる。

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担当区分：研究代表者  資金種別：競争的資金

配分額：2860000円 （ 直接経費：2200000円 、 間接経費：660000円 ）

ユニークな形質を持つ生物は、それらが独自の遺伝子をゲノム中に進化させてきたと考えられてきた。ところが、発光魚キンメモドキは、発光に必要な酵素遺伝子をゲノム中に持たず、餌であるウミホタルからルシフェラーゼタンパク質を獲得していることが、申請者の研究により明らかとなった。餌由来のタンパク質を利用する「盗タンパク質」現象は、申請者により初めて発見されたものであり、その取り込みの分子・細胞生物学的・生理学的メカニズム及び進化的起源は未知である。本研究では、キンメモドキにおいて餌由来タンパク質を消化せずに細胞内に取込む仕組みの解明と本現象がみられる新たな生物種の発見を目指す。
キンメモドキのルシフェラーゼタンパク質取り込み機構解明のために、ルシフェラーゼと相互作用し取り込みに寄与する分子実体の解明を目指す。期間中に、リコンビナントルシフェラーゼの作成と投与実験の検討を行い、取り込みには数日以上の長期間が必要であることを明らかにした。
新型コロナウィルス感染症の流行のため、研究が断続的に中断されてしまい飼育実験を精力的に行うことが不可能であった。さらに、本研究費も申請額の直接経費3000千円に対して、説明もなく2200千円の減額交付であったため、研究に必須の発光測定器の購入が困難となり、さらなる外部資金獲得が必要となり、研究の進展が非常に遅延した。
我々動物は植物など他の多細胞生物に比較して消化管を持つことで区別される。動物のドグマともいうべき消化システムは、摂食されたタンパク質を分解し、生育に不可欠のアミノ酸の獲得において全ての動物で保存された仕組みである。しかし、キンメモドキは、トガリウミホタルを捕食することにより、ルシフェラーゼタンパク質を消化分解せずに発光細胞に取り込む。この驚くべき例外がどのように実現されているかを理解するために、本研究では、餌由来タンパク質の取込みに関わる分子メカニズムはどのようなものなのか、という問いに答えようとするものである。

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