メスになるためには共生者が必要 ―宿主のメス決定遺伝子が喪失し、共生細菌が肩代わりしている分子的証拠を発見―
発表のポイント
◆トウモロコシの害虫であるアワノメイガの性決定最上位因子OfFemを同定しました。
◆オス殺しを行う共生細菌ボルバキアが感染しているアワノメイガにおいてはOfFemが喪失しており、その結果としてボルバキアを除去するとメスだけが致死するメス殺しが起きることがわかりました。
◆チョウ目昆虫において、性決定最上位遺伝子が共生者によって完全に肩代わりされている分子的証拠を発見しました。
アワノメイガと共生しているオス殺しボルバキア(緑は細胞核で、赤がボルバキア)
概要
共生細菌であるボルバキア(注1)は、宿主の性決定や生殖のシステムを操作することで次世代への感染拡大を図っています。チョウやガの仲間(チョウ目昆虫)では、ボルバキアの共生によってオスのみが致死する「オス殺し」現象が知られています。東京大学大学院農学生命科学研究科の勝間進教授らのグループは、これまでにチョウ目昆虫の一種であるアワノメイガにおいてオス殺しを誘導するボルバキアタンパク質Oscar(オス狩る)を同定し、オス殺しの仕組みを明らかにしてきました。本研究では、アワノメイガの性決定最上位因子OfFemを同定し、オス殺しを行うボルバキアが感染しているアワノメイガにおいてはOfFemがゲノム上から喪失していること、その結果としてボルバキアを除去するとメスだけが致死する「メス殺し」が起きることがわかりました。本研究成果は、長い共生関係の結果、性決定最上位遺伝子が共生者によって完全に肩代わりされている分子的証拠を発見したものです。
発表内容
共生細菌であるボルバキアは昆虫の半数以上に感染しており、その宿主制御の巧みさも相まって「最も成功した寄生者」と言われています。ボルバキアは、オス殺し、遺伝的オスのメス化、単為発生、細胞質不和合という4種類の性・生殖操作を行います。オス殺しに関しては、勝間進教授のグループがトウモロコシの害虫としてよく知られているアワノメイガとオス殺しボルバキアを用いた研究を行い、ボルバキアが宿主のオス化と遺伝子量補償(注2)を司るMasculinizer (Masc)をターゲットとしてオス殺しを引き起こしていることを発見しました(Fukui et al., PLoS Pathog., 2015)(関連情報1)。さらに、アワノメイガMasc (OfMasc)と相互作用するボルバキアタンパク質の解析から、Oscar(オス狩る)と名付けたタンパク質を同定しました。OscarはOfMascと結合し、OfMascをタンパク質分解経路に誘導することでオス化の抑制と遺伝子量補償の破綻をもたらし、最終的にオス殺しを実行すると考えられました(Katsuma et al., Nat. Commun., 2022)(関連情報2)。
アワノメイガ類におけるオス殺しボルバキア感染には興味深い特徴があります。感染系統から抗生物質によりボルバキアを除去すると、通常性比は1 : 1に戻りますが、この感染の場合はメスが死んでオスだけが生き残る、いわゆるメス殺しの表現型になります(図1)。このことから、感染系統では宿主のメス化遺伝子は喪失、あるいは不活化されており、その肩代わりとしてOscarが利用されていると考えられます。しかし、アワノメイガの性決定最上位遺伝子(=メス決定遺伝子)は未同定であり、感染系統における状況を調査することはできませんでした。
本研究では、まず、アワノメイガのメス決定遺伝子の同定を試みました。チョウ目昆虫のモデルであるカイコにおいては、同グループによって2014年にW染色体上のFeminizer piRNA(Fem piRNAと命名)がメス決定因子であることを明らかにしています(Kiuchi et al., Nature, 2014)(関連情報3)。Fem piRNAはオス化と遺伝子量補償を司るMascを抑制することでメス化を実行することも発見しました。一方、アワノメイガにおいてはOfMascはカイコと同様オス化を実行する遺伝子ですが、カイコとは異なりOfMascがpiRNAにより制御されていないことが判明しています(Fukui et al., Insect Biochem. Mol. Biol., 2023)。そこで、メス決定遺伝子を同定するためにアワノメイガの単一胚子を用いたRNA-seq解析を行い、性決定時期にメス胚子特異的に発現している遺伝子のスクリーニングを行いました。その中から、W染色体上にコードされるpiRNA前駆体を見つけ、OfFemと名付けました。バイオインフォマティクス解析、およびmodified RACE解析から、OfFem piRNAのターゲットがOfMascではなく、Mascと同様CCCHタンデム型Zinc fingerタンパク質をコードするOfZnf-2であることが明らかになりました。生化学的解析から、OfZnf-2はOfMascとオス化複合体を形成することで、オス化と遺伝子量補償を実行していることも解明しました。つまり、宿主であるアワノメイガはオス化複合体の構成因子であるOfZnf-2をmRNAレベルで抑制することでメス化を駆動していますが、ボルバキアは同じ複合体内の他の構成因子であるOfMascをタンパクレベルで抑制することでメス化を誘導することが示されました。さらに、オス殺しボルバキアが感染しているアワノメイガ類ではゲノム上からOfFemが喪失し、OfFem piRNAの産生が全く見られないことがわかりました(図2)。以上の結果から、ボルバキア感染アワノメイガにおいては、メス化カスケードを完全にボルバキアに依存していることが明らかになりました。これはチョウ目昆虫において、性決定機構が共生者によって完全に肩代わりされている分子的証拠の初めての発見例になります。
一方、本研究では、アワノメイガだけではなくカイコにおいてもMascとZnf-2やZnf-2様タンパク質が結合し、オス化能が増加することが示されました。同グループはカイコのオス化複合体構成因子としてPSIを同定していることから(Kaneda et al., Commun. Biol., 2025)(関連情報4)、チョウ目昆虫においては、Masc、PSI、Znf-2の3者がオス化複合体の共通のコア因子群となっている可能性が考えられます。
図1:「オス殺し」と「メス殺し」
アワノメイガにおいては、ボルバキア感染系統(wol+)のメスに正常なオス(wol-)を交配しても次代ではメスしか出てこない(オス殺し:左図)。一方、感染メスから抗生物質処理によってボルバキアを除去したメス(wol-, cured)に非感染オス(wol-)を交配しても性比は1 : 1に回復せず、逆に次代ではオスしか出て来なくなる(メス殺し:右図)。数字はメス:オスの数を示しています。
図2:オス殺しボルバキアが感染しているアワノメイガにおける性決定メカニズム
非感染系統ではW染色体上のOfFemから作られるpiRNAがOfZnf-2を抑制することで、メスにおいてオス化複合体の形成を抑制する。一方、感染系統ではW染色体からOfFemが喪失しており、その代わりにボルバキア因子OscarがOfMascを抑制することでメス化とオス殺しが実行される。ボルバキアを除去すると、宿主とボルバキア由来のメス化因子がともになくなるため、メス殺しが起きる。
〇関連情報:
「共生細菌ヴォルバキアの「オス殺し」は宿主昆虫のオス化因子の発現を抑制することで達成される」(2015/07/15)
https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/2015/20150715-1.html
「メスだけが生き残る仕組み-オスを狙って殺す共生細菌ボルバキアタンパク質Oscar(オス狩る)の発見-」(2022/11/15)
https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/topics_20221115-1.html
「カイコの性はたった一つの小さなRNAが決定する-80年来の謎をついに解明!カイコの性決定メカニズム-」(2014/5/15)
https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/2014/20140515-1.html
「カイコのオス化複合体の発見」(2025/6/16)
https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/topics_20250616-1.html
発表者・研究者等情報
東京大学
大学院農学生命科学研究科
福井 崇弘 研究当時:博士課程(現・千葉大学大学院理学研究院学振特別研究員-PD)
室 智大 研究当時:博士課程
松田(今井) 典子 特任研究員
兼田 竜昇 研究当時:修士課程
木内 隆史 准教授
勝間 進 教授
大学院新領域創成科学研究科
鈴木 穣 教授
徳島大学
先端酵素学研究所
小迫 英尊 教授
東京農工大学
大学院生物システム応用科学府
庄司 佳祐 准教授
東京科学大学
生命理工学院
平木 秀明 研究員
伊藤 武彦 教授
摂南大学
農学部
藤井 毅 准教授
国立遺伝学研究所
ゲノム・進化研究系
豊田 敦 特任教授
論文情報
雑誌名:Nature Communications
題 名:Complete transition from chromosomal to cytoplasmic sex determination during prolonged Wolbachia symbiosis
著者名: Takahiro Fukui, Tomohiro Muro, Noriko Matsuda-Imai, Tatsunori Kaneda, Hidetaka Kosako, Hideaki Hiraki, Keisuke Shoji, Takeshi Fujii, Yutaka Suzuki, Atsushi Toyoda, Takehiko Itoh, Takashi Kiuchi, and Susumu Katsuma* (*責任著者)
DOI:10.1038/s41467-025-67993-x
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-025-67993-x
研究助成
本研究は、科研費(課題番号:JP17H06431, JP22H00366, JP24H02289, P24H02278, JP21J12325, P23KJ0468, P22H04925 (PAGS), JP24KJ0036)、およびG-7奨学財団助成の支援により実施されました。
用語解説
(注1)ボルバキア
ボルバキアはα-proteobacteriaに属するリケッチアに近縁な細胞内共生微生物であり、昆虫で広く感染が認められています。ボルバキアは卵細胞質を通じた母子感染で伝達され、宿主の性・生殖システムを様々な方法で操作することで次世代への感染拡大を図っていることが知られています。そのうちの1つが「オス殺し」と呼ばれる現象であり、チョウ目昆虫においては、リュウキュウムラサキ、チャハマキ、アワノメイガなどで報告されています。
(注2)遺伝子量補償
雌雄における性染色体数の不均等から生じる遺伝子の発現量の差を、雌雄で等しくなるように調節する機構を遺伝子量補償といいます。例えば、ヒトではメスで2本あるX染色体のうちの片方を不活化することでバランスを維持していますが、同じオスXY/メスXXの性染色体構成を持つキイロショウジョウバエでは、オスのX染色体の遺伝子の発現を上昇させるシステムを使用しています。また、チョウ目昆虫の場合、オスにおけるZ染色体の遺伝子発現を抑制することで遺伝子量補償が行われますが、そのシステムの中心にMascが存在していることがわかっています。このように、遺伝子量補償の分子機構は生物によって大きく異なっています。
問合せ先
東京大学大学院農学生命科学研究科
教授 勝間 進(かつま すすむ)
Tel:03-5841-8994 E-mail:skatsuma@g.ecc.u-tokyo.ac.jp
研究室URL: https://sites.google.com/view/igblab-ut-aba
東京大学大学院農学生命科学研究科・農学部
事務部総務課総務チーム広報情報担当
Tel:03-5841-8179, 5484 E-mail:koho.a@gs.mail.u-tokyo.ac.jp