ハエとクモ、そしてヒトの祖先を知ろう 細胞・発生・進化・研究室 小田広樹

私たちが開拓した新しいモデル生物オオヒメグモの発生や細胞を調べ、昆虫や脊椎動物と比べることによって、動物の多様性の原点を探ります。

研究内容

ハエとクモは私たちの生活に身近な節足動物です。これらの動物はどのような経緯で地球上に誕生することになったのでしょうか?時を遡ればハエとクモの共通祖先がいたはずです。さらに遡ればヒトとの共通祖先もいたでしょう。私たちの研究室は、現存の動物種の共通祖先を科学的に理解しようとする努力を通じて、動物の多様性が形づくられてきた仕組みを解明したいと考えています。

ハエとクモの共通祖先が存在していたのはきっと今から5~6億年以上前のことでしょう。想像を絶するほど長い時の流れがそこにはあります。それでも、変異を重ねながら受け継がれてきたゲノムの遺伝情報に手がかりがあるはずです。ゲノムにコードされている発生システムや細胞の構造や機能を調べ、動物種間で比較することによって、過去の状態をある程度推定することができると考えています。しかし、比較する対象があまりに違い過ぎると何と何を比較してよいのか客観的な判断ができません。例えば、ハエの“あし”とヒトの“あし”を比較してもよいのでしょうか。ハエとクモなら同じ節足動物、からだの全体的な形も似ていて、それでいて、5億年以上も前に系統が分岐しています。この比較がカンブリア紀の動物を理解するためのひとつの窓口を提供してくれるはずです。

教科書でよく知られているようにハエ(キイロショウジョウバエ)はモデル生物としてこれまで精力的に研究されてきました。それに対して、クモは研究に使われることはほとんどありませんでした。それでも私たちは、10年前にオオヒメグモの有用性に目をつけ、このクモ種を新しいモデル生物として開拓してきました。オオヒメグモは、遺伝子機能に基づいて比較学を展開できる貴重な動物です。これまでの私たちの研究では、クモの発生システムにはハエよりも脊椎動物に似ている部分があることが分かってきています。私たちは、ハエとクモの比較を足掛かりにして、多細胞動物の形態的多様性を生み出した普遍的な原理を探究したいと考えています。

メンバー

小田広樹

室長小田広樹

岩崎佐和

奨励研究員岩崎佐和

秋山-小田康子

特別研究員秋山-小田康子

野田彰子

研究補助員野田彰子

南條稜汰

大学院生南條稜汰

最新論文

論文一覧

クモ胚の重複胚形成誘導を再現

 クモ胚で重複胚形成を誘導する実験を再現し、その実験に関する研究の歴史と現状を概説した総説論文が国際学術雑誌「Development Genes and Evolution」に4月10日にオンライン公開されました。この論文で記載した再現実験の一部は名古屋南高校の生物•化学部との共同成果です。この論文は同雑誌で現在企画•編纂中のクモ特集号に集録される予定です。
 今回の総説論文は、スウェーデン、ウプサラ大学のオーケ•ホルム (Åke Holm)という人物が行った、クモ胚を使った発生生物学実験を世界の多くの人に知ってもらいたいと思い書きました。ホルムが1952年に発表した150ページに及ぶドイツ語の論文は、クサグモ胚を用いた様々な実験を記載しています。具体的には、細胞の追跡、胚の一部の除去や移植、胚領域の分断などです。ホルムはそれらの実験を自作の実験道具で巧みに行うことで、クモ胚の細胞が体を形作る際に如何に柔軟なコミュニケーションを行っているかを示すデータを得ました。特に、重複胚の形成を誘導する2種類の実験はクモ胚の細胞が持つ能力を示す学術的に重要な実験です。その実験のひとつは、クムルスと呼ばれる小さな領域を部分的に吸い取ってそれを体の反対側に移植する実験で、もうひとつは、胚の領域を大きく二つに分断して互いに180度異なる位置に回転させる実験です。体の左右対称性を規定する2つの軸のセットが、つまり、前後(または頭尾)の軸と背腹の軸のセットが、それらの実験操作によって分離して2セット現れるのです。前者の実験は、教科書で有名なシュペーマンとマンゴルドの両生類胚を使った原口上唇部(オルガナイザー領域)の移植実験と類似した実験です。後者に類似した実験もシュペーマンによって行われています。今回の私たちの総説論文は、脊椎動物と節足動物で記載された2つのタイプの胚操作によって起こる重複胚形成に焦点を当てています。
 脊椎動物の実験は非常に有名で多くの人に再現され、分子生物学的知見と統合されて、その仕組みの理解が進んできました。他方、クモの実験は誰にも追試されず、その現象の存在すら発生生物学分野で広く知られることはありませんでした。今回の論文では、ハエトリグモ胚を使ったクムルスの移植実験とオオヒメグモ胚を使ったレーザー照射実験でホルムが行った重複胚形成誘導実験を再現し、胚操作後に重複胚が現れてくる様子をビデオに収めることに成功しました(動画1動画2)。是非ご覧ください。節足動物の重複胚形成誘導の様子を捉えた世界で唯一の映像です。ハエトリグモを使った移植実験は名古屋南高校の生物•化学部の活動で最初に成功し、生命誌研究館で追試された実験です。
 今回の総説論文で示した重複胚誘導の再現実験は、脊椎動物とクモに2つの共通の概念が適用できることを意味しています。その概念とは、オルガナイザー(形成体、または司令塔)と自己調節、です。後者の概念は少し分かりにくいですが、魅力的な研究テーマとなります。与えられた領域において胚の細胞が互いにコミュニケーションし、全体として完全な形やパターンを作ろうとする性質や能力を有していることを指します。人為的に領域が分断されれば、それぞれの限られた領域の中で完全な形を作ろうと細胞は振る舞うということです。個々の細胞の視点に立てば、全体の様子を見ている訳ではないのになぜ全体と調和するための情報を得ることができるのか。この問題は発生生物学において基本的な問題ですが、未解決です。
 日本では、ホルムの研究の影響を受け、クモと同じ鋏角類に属するカブトガニの研究に歴史があります。カブトガニ胚を用いた胚操作で重複胚が得られています。誇り高き成果ですが世界的認知度が高いとは言えません。今回の総説論文ではそのようなカブトガニ研究の歴史にも触れています。
 節足動物の発生に関する知識の多くはショウジョウバエを起点として築かれてきました。しかし、私たちはクモやカブトガニなどの鋏角類にはまた別の世界があると感じています。今回私たちがモデル生物として開拓してきたオオヒメグモで自己調節能の存在を明らかにできたことで、今後節足動物の胚発生の研究が多角的に進んで行くことを期待しています。

クモ胚の重複胚形成誘導を再現

Hiroki Oda, Sawa Iwasaki-Yokozawa, Toshiya Usui, and Yasuko Akiyama-Oda
Experimental duplication of bilaterian body axes in spider embryos: Holm’s organizer and self-regulation of embryonic fields
Development Genes and Evolution, 2019年4月10日オンライン公開(オープンアクセス)
DOI:10.1007/s00427-019-00631-x

論文はこちらでご覧いただけます。

動画1

ハエトリグモ胚を用いた重複胚形成誘導実験:クムルスの移植

詳しくは論文をご覧ください。

動画2

オオヒメグモ胚を用いた重複胚形成誘導実験:レーザー照射による胚領域の分断

詳しくは論文をご覧ください。

 オオヒメグモの体節形成に関わる縞パターン形成を定量的に解析し、一続きの細胞シート内で起こる3つの異なる縞パターン形成プロセスを記載した論文が、国際学術雑誌「Developmental Biology」に掲載されることとなり、3月16日にオンラインで先行公開されました(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160617309089)。
 節足動物の共通の形態的特徴として、体の軸に沿って繰り返し構造を持つことが挙げられます。この特徴を形作るプロセス(過程)は種によって、また、体の部域によって様々であることが昆虫やクモを含む、いくつかの節足動物種の実験研究から示唆されてきました。一方、理論研究では、知識が豊富な双翅目昆虫(ショウジョウバエ)を基本モデルとして、縞パターン形成原理の探究がなされてきました。しかし、多くの昆虫種が多核性胞胚(細胞質を共有する多核の胚)を経て縞パターン形成を開始するため、純粋な細胞環境(それぞれの核が細胞膜で隔離され、別々の細胞質を持つ環境)における縞パターン形成原理の探究は節足動物ではほとんど進めることができていません。そのため、節足動物に見られる多様な縞パターン形成プロセスがどのようなメカニズムに起源しているのか、私たちの理解は全く十分とは言えない状況にあります。細胞環境を胚発生の早くに確立するオオヒメグモは、そのような困難な状況を打開しうる有力なモデル生物です。
 今回私たちはオオヒメグモ胚の一続きの細胞シート内で起こる縞パターン形成を、細胞追跡データと遺伝子発現の定量データに基づいて解析し、体の部域によって異なる3種類の縞パターン形成プロセスを記載しました。具体的には、頭部における縞パターンの反復分裂、胸部における同調的分割、後体部における振動による周期的縞パターン生成です。細胞シートの両端領域(頭部と後体部)で、対照的なパターンの動態(「分裂」対「振動」)が生じていることを示したことが今回の記載の注目ポイントです。
 今回の定量解析のひとつの特徴は、異なるパターン形成プロセスを共通の時空間的枠組みで記載したことです。細胞シートの形状計測に基づいて体の軸の伸長具合を数値化し、その数値と縞パターンの発展を関連づけたことによって可能となりました。どの程度のスピードで細胞シート全体が変形し、その変形にそれぞれの部域がどれだけの比率で貢献しているのかを具体的な数値で示すことができました。頭部の縞パターンの分裂の反復にかかる時間や、後体部の発現振動の周期も概算することができ、どちらも約5時間であることが分かりました。これらの定量データは、今後理論的な研究を展開して行く上で重要な基礎データとなります。
 今回の論文には、オオヒメグモ胚における細胞の挙動と遺伝子発現パターンの変化を示すために多数の動画が集録されています。教科書で広く知られているショウジョウバエ胚とは大きく異なるパターン形成が、オオヒメグモ胚の中で繰り広げられていることを直感的に理解できるように構成されています。形態形成の場を構成する独立した細胞が互いの位置関係を変えながら如何に反復縞パターンを作り上げるのか、現在そのメカニズムの解明に取り組んでいます。

Natsuki Hemmi, Yasuko Akiyama-Oda, Koichi Fujimoto, and Hiroki Oda(2018)
A quantitative study of the diversity of stripe-forming processes in an arthropod cell-based field undergoing axis formation and growth
Developmental Biology, 437(2):84-104
DOI: 10.1016/j.ydbio.2018.03.001

論文はこちらでご覧いただけます。

雑誌の表紙に選ばれました!

この論文が国際学術学会誌Developmental Biologyの論文賞に選ばれました

 オオヒメグモ(Parasteatoda tepidariorum) のゲノム配列を解読した論文が、2017年7月31日にオンライン学術雑誌「BMC Biology」に掲載されました (https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-017-0399-x)。私たちの研究室が、今から約17年前に世界に先駆けて実験動物として利用をはじめ、技術的な開拓を進めてきたオオヒメグモが、世界の研究者に広がり、ゲノムプロジェクトが実現し、今回の論文発表に繋がりました。私たちBRHを含め、オックスフォード・ブルックス大学、ベイラー医科大学、ゲッチンゲン大学など世界の多数の研究機関の共同研究となっています。

 オオヒメグモゲノムの詳細な解析と、サソリを含めたその他の節足動物との比較解析から、4億5千年以上前に存在したクモとサソリの共通祖先でゲノム全体の遺伝子が倍加(重複)した可能性があることが分かってきました。脊椎動物の進化でもゲノム全体の重複が起こったと考えられていますが、今回の発見は、ゲノム重複の新たな事例を提供し、ゲノム重複が動物の進化にもたらした影響を、今後詳しく研究するのに役立ちます。

 今回の研究でオオヒメグモのゲノム及び転写産物の配列情報が整備され、オオヒメグモはますます利便性の高いモデル生物として世界の研究者に利用されることが期待されます。

Schwager, Sharma, Clarke, Leite, Wierschin, Pechmann, Akiyama-Oda, Esposito,
Bechsgaard, Bilde, Buffry, Chao, Dinh, Doddapaneni, Dugan, Eibner, Extavour, Funch,
Garb, Gonzalez, Gonzalez, Griffiths-Jones, Han, Hayashi, Hilbrant, Hughes, Janssen,
Lee, Maeso, Murali, Muzny, da Fonseca, Paese, Qu, Ronshaugen, Schomburg,
Schönauer, Stollewerk, Torres-Oliva, Turetzek, Vanthournout, Werren, Wolff, Worley,
Bucher, Gibbs, Coddington, Oda, Stanke, Ayoub, Prpic, Flot, Posnien, Richards and McGregor(2017)

The house spider genome reveals an ancient whole-genome duplication during arachnid evolution
BMC Biology, Volume 15, Issue 62, 2017

論文はこちらでご覧いただけます。

Mizuki Sasaki, Yasuko Akiyama-Oda, and Hiroki Oda(2017)
Evolutionary origin of type IV classical cadherins in arthropods
BMC Evolutionary Biology, Volume 17, Issue 142, June
DOI: 10.1186/s12862-017-0991-2
https://bmcevolbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12862-017-0991-2

昆虫型E-カドヘリンの進化起源をゲノム解析で探った論文が、2017年6月17日にオンライン学術雑誌「BMC Evolutionary Biology」に掲載されました

詳しくはこちらでご覧いただけます。

関連データベース:http://www.brh2.jp/

Shigetaka Nishiguchi, Akira Yagi, Nobuaki Sakai, Hiroki Oda(2016)
Divergence of structural strategies for homophilic E-cadherin binding among bilaterians
http://jcs.biologists.org/content/129/17/3309

ハエとクモ、ヒトの祖先を知ろうラボの細胞間接着分子(E-カドヘリン)論文が科学雑誌「Journal of Cell Science」に掲載されました!
詳しくはこちらをご覧ください。

小田ラボの論文が国際学術学会誌Developmental Biologyの論文賞に選ばれました

アメリカの発生生物学会学会誌Developmental Biologyに2018年に掲載された293編の原著論文の中から、小田ラボの論文が論文賞(DB Outstanding Paper Award 2018)に選ばれました。論文の質やインパクトなどが評価されての受賞です。この論文賞は若手研究者の支援を目的としており、第一著者の逸見なつきさん(大阪大学大学院理学研究科、生物科学専攻、2014年修士号取得)が受賞します。逸見さんはこの7月にボストンで開かれるアメリカ発生生物学会年会に招待されています。受賞論文の研究は逸見さんの「グラフが描きたいです」という意思表明からスタートしました。

受賞に関する詳細は雑誌サイトでご覧頂けます。

名古屋南高校生物•化学部との共同研究の成果が論文になりました!

キイロショウジョウバエの遺伝学を用いた発生研究のパイオニアであるエリック・ヴィーシャウス博士(プリンストン大学教授、1995年のノーベル賞受賞者)、トルディ・シュプバッハ博士(プリンストン大学教授)ご夫妻が、大阪で開催された日本発生生物学会年会のご出席に先立ち、生命誌研究館をご訪問くださいました。詳しくはこちら

名古屋南高校生物•化学部との共同研究の成果が論文になりました!

10年近くにわたり交流を続けてきた、高校のクラブ活動との協働の成果です。半世紀の間、再現実験が行われていなかったクモの発生生物学実験に高校生が成功しました。

詳しくはこちら

名古屋南高校生物•化学部との共同研究の成果が論文になりました!

シンポジウム開催報告

第51回日本発生生物学会・第70回日本細胞生物学会合同大会(Join Annual Meeting of JSDB 51st and JSCB 70th) において、小田広樹研究員が生理学研究所の泉裕士博士とともに座長をつとめ、「Metazoan Cell-cell Junctions: Molecules, Structures, Mechanics and Evolution」と題して国際シンポジウムを開催しました(2018年6月8日、東京、タワーホール船堀)。細胞・発生•進化研究室の主要な研究テーマである細胞間ジャンクションの進化に関連して、国内外から世界の第一線で活躍する研究者を招待し、最新知見、技術動向、将来展望について講演していただきました。ジャンクション研究の魅力とその学術的意義を共有することができました。

https://confit.atlas.jp/guide/event/jscbjsdb2018/session/S06/category

講演者全員の集合写真
講演者全員の集合写真

受賞報告

秋山―小田康子特別研究員が日本動物学会の
「平成24年度成茂動物科学振興賞」を受賞しました。
受賞理由はこちらでご覧いただけます(動物学会HP

年度別活動報告

年度別活動報告書はこちらからご覧頂けます。

これまでの学位取得者とそのテーマ

平成30年度 博士論文 西口茂孝
「液中原子間力顕微鏡を用いた無脊椎動物のクラシカルカドヘリンの構造進化の解析」
平成25年度 修士論文 逸見なつき
「クモ胚における縞パターン形成の定量的な解析」
平成24年度 修士論文 西口茂孝
「昆虫型カドヘリンにおける接着特異性決定メカニズムの解析」
平成22年度 博士論文 金山真紀
「顕微注入法を用いたクモ胚の頭部体節形成機構の解析」
平成21年度 博士論文 春田知洋
「DE-cadherin細胞外領域の構造と機能が果たす形態形成過程における役割」
平成19年度 修士論文 金山真紀
「オオヒメグモの胚盤周縁部領域に着目した節足動物門における前方部形成機構の解析」
平成18年度 修士論文 春田知洋
「DE-cadherin細胞外領域のドメイン構成の機能的意義の解析」

このラボから生まれたジャーナル記事

季刊「生命誌」83号
フロム BRH:生きもの愛づる人びとの物語り3

研究と表現の両輪による活動を続けて20年、明確なまとまりが見えてきました。これをどのように生かし、どう展開するか。次の10年に向けて考えています。

オオヒメグモの初期胚で、ある遺伝子をはたらかなくしたところ背腹軸の向きを決めるクムルスが動かず尾の領域が形成されませんでした。頭尾軸、背腹軸を決めるしくみとクムルスの動きとの関わりを探ります。

季刊「生命誌」61号
クロス:「体節形成の多様さを探る二つの視点」

節足動物の多様性の基本は「体節」というくり返し構造です。遺伝子ネットワークの違いから生み出される体節形成の多様化の道筋を、数理生物学と実験生物学の共同で探ります。

季刊「生命誌」57号
from BRH:「生物の多様化を卵から見る」

クモは、ハエと同じ節足動物でありながら、卵は球体で始めは1つの放射相称軸しか見えず、脊索動物と似た体づくりをします。節足動物と脊索動物という2つの進化の道筋を、クモがつなげてくれることを期待しています。

季刊「生命誌」50号
リサーチ:「脊椎動物の脊索はクモのどこ?」

丸い卵に頭と足が生えたようなオオヒメグモの赤ちゃん。8本の足がきちんと体の両側にできるためには、丸い卵の左右を分ける中心軸が必要です。

季刊「生命誌」47号
リサーチ:「形づくりを支える分子の形の変化」

約10億年前に単細胞生物から多細胞生物が現れた時に生まれた細胞と細胞がくっつくしくみが細胞接着です。さまざまな動物がもつ接着分子の形の変化から進化を考えます。

動物の多様性が形づくられてきた仕組みを理解するために私たちが選んだのがモデル生物であるハエ、そしてクモです。節足動物の共通祖先から何が保持され何が変わったのか?その糸口が見えてきました。

季刊「生命誌」39号
「飼育・採集日記」

私たちは、節足動物内での進化を調べる一つの材料にムカデを選びました。自然の生物を扱う研究は材料の入手から大変…。高槻周辺でのムカデの採集日記です。

BRHでの研究における倫理的配慮について

BRHでの研究における倫理的配慮はこちらからご覧頂けます。

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