明治大学 越水静助教、基礎生物学研究所 南野尚紀特任助教、金沢大学 西山智明助教、立教大学 養老瑛美子助教、理化学研究所 佐藤繭子技師ら共同研究チームはこのたび、オミクス解析によるスクリーニングから、ゼニゴケにおいて精子形成に関与する新規因子BLD10を発见しました。さらに、BLD10遗伝子の精子形成における机能は、BLD10遗伝子が分子进化した结果、祖先机能に加えて新たに获得した机能である可能性を示しました。
本研究成果は、英国の国际雑誌「New Phytologist」2022年8月3日付（日本时间8月4日）に掲载されました（オンライン版が2022年7月16日に先行公开されました）。
本研究では、オミクスデータを活用し、それらを统合解析することで、効果的に目的遗伝子をスクリーニングしました。机能解析については、遗伝子导入系が确立されており、精子を形成するゼニゴケとヒメツリガネゴケを使用すること、および高い観察技术によって可能となりました。特に连続切片自动撮像システムを搭载した电子顕微镜を用いて连続切片観察を行うことで、基底小体周辺の构造の详细な解析に成功しました。
本研究のポイント
- 公开されているオミクスデータや复数のインシリコ解析を组み合わせることにより、精子の形成に関与する候补因子BLD10を选抜した。
- コケ植物の中でも特に様々な実験手法の适用が可能なゼニゴケとヒメツリガネゴケにおいてBLD10遗伝子の机能を解析した结果、BLD10遗伝子は鞭毛の形成起点である基底小体の构造维持に机能し、BLD10遗伝子の変异体（bld10変异体）では、基底小体の崩壊と、鞭毛の形成不全を引き起こした。
- ゼニゴケのbld10変异体は、通常、精子形成中に起きる核の凝集および伸长と、细胞质の消失に异常を示し、精子形成に着しい欠陥が见られた（図1叠）。
- ゼニゴケやヒメツリガネゴケのBLD10遗伝子は、动物やクラミドモナスで基底小体の形成に机能するBLD10/CEP135ファミリー遗伝子のオーソログである。
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陆上植物のBLD10遗伝子は、陆上植物に近縁な藻类よりも进化速度が约２倍に上昇していることから、ゼニゴケの精子形成时における机能は、急速な分子进化の结果新规に获得した可能性がある。
図1. ゼニゴケ精子の表現型解析
A, ゼニゴケ精子の模式図。
B, 野生株（左）およびbld10変异体（中央、右）の精子。
青：核（Hoechst33342）; スケールバー：10 μm。
研究の背景
卵生殖は、雌性配偶子（卵）と雄性配偶子（精子）を利用した有性生殖の一様式です。卵生殖は动物、菌类、植物にて独立に进化しており、精子の形成を含む卵生殖がどのような因子の进化によってそれぞれの系统で获得されたのかは解决するべき大きな问いです。
ストレプト植物門（陸上植物と陸上植物に近縁の藻類を含む分類群）では、シャジクモ類、コレオケーテ類、コケ植物、小葉類、シダ類、一部の裸子植物が有性生殖に精子を用います。これらの植物の精子は、凝縮し細長く伸びた螺旋状の核（裸子植物は除く）、帯状に微小管が配向するスプライン、多層構造体（MLS; 最上層がスプラインの連続体）、複数の鞭毛など、特徴的な構造を有しています（図1A）。これまでに構造的特徴はよく研究されているものの、植物の精子形成に関わる因子の多くは未解明でした。
近年、顿狈础塩基配列解読技术の飞跃的向上により、ストレプト植物のゲノムやトランスクリプトームデータ（包括的遗伝子発现情报）が大量に蓄积されています。私たちはそれらのデータを活用し、植物の精子形成に関わる因子の候补を选抜しました。主に行った解析は、オルソグループ解析とトランスクリプトーム解析です。オルソグループ解析では、精子を作る植物にはあるが精子を作らない植物にはないオルソグループの遗伝子に焦点を当て、トランスクリプトーム解析では、精子を作る器官である造精器で特异的に発现する遗伝子に注目し、遗伝子群を选抜しました。最终的に、BLD10遗伝子を最も有力な候补遗伝子とし、更なる解析を行いました。叠尝顿10タンパク质は鞭毛の形成起点である基底小体のタンパク质（叠尝顿10/颁贰笔135）と弱い类似性を持ちますが、コケ植物における既知の情报はほとんどありませんでした。
本研究は闯厂笔厂科研费19贬04870（矢野健太郎）、19贬04872（海老根一生）、19贬05675?21贬02515（上田贵志）、20碍15824（南野尚纪）、15贬04413?19碍22448（西山智明）および18碍06367（榊原恵子）の支援を受けました。
研究内容
1.インシリコ解析による遗伝子スクリーニング
2.コケ植物におけるBLD10遗伝子の机能解析
BLD10遗伝子の机能を调べるために、コケ植物であるゼニゴケにてBLD10遗伝子をノックアウトし、表现型解析を行いました。その结果、bld10変异体では异常な精子が形成され、通常、精子形成中に起きる核の凝集および伸长と、细胞质の消失に异常を示しました（図1叠）。また鞭毛の形成にも欠陥が见られ、多くの精子が鞭毛を欠いていました。さらに连続切片自动撮像システムを搭载した电界放出型走査电子顕微镜を用いた连続切片法にて基底小体を観察したところ、bld10変异体では开裂した基底小体などの异常な构造が観察されました（図2）。一方、ゼニゴケとは异なる分类群のコケ植物であるヒメツリガネゴケにおいてもBLD10遗伝子をノックアウトしたところ、鞭毛の形成と基底小体にのみ异常が见られました。
次に、ゼニゴケとヒメツリガネゴケにおいて叠尝顿10タンパク质の细胞内局在を调べた结果、鞭毛の基部に位置する基底小体と密接して局在していました。
図2. ゼニゴケ精子における連続切片電子顕微鏡像
野生株では2つの基底小体の构造が観察されるが（矢尻白）、bld10変异体では1つは构造が完全に壊れ识别できず、もう1つは基底小体が开裂していた（矢尻黒）。
スケールバー：200 nm
3.BLD10遗伝子の系统解析
前述したように、私たちが同定した叠尝顿10タンパク质と叠尝顿10/颁贰笔135ファミリータンパク质の间には弱い类似性が検出されました。叠尝顿10/颁贰笔135ファミリータンパク质は基底小体のタンパク质であり、鞭毛を持つ藻类であるクラミドモナスでは、欠失すると基底小体が崩壊し、结果鞭毛が消失します。つまり、本研究で同定した叠尝顿10タンパク质の鞭毛や基底小体における机能は叠尝顿10/颁贰笔135ファミリータンパク质と同様であることがわかりました。さらに多様な生物で相同遗伝子を探索し、遗伝子构造を推定し、翻訳したアミノ酸配列で系统解析を行った结果、ゼニゴケやヒメツリガネゴケのBLD10遗伝子は、クラミドモナスのBLD10遗伝子のオーソログであると推定されました（図3）。
さらに、陆上植物におけるBLD10遗伝子の进化速度が陆上植物に近縁な藻类（ストレプト藻类）に比べ约２倍に上昇していることがわかりました。ゼニゴケBLD10遗伝子における精子形成时の机能はゼニゴケだけに见られることから、ゼニゴケにて新规に获得された机能であると推察され、进化速度の上昇と関连する可能性があります。
図3. BLD10/CEP135ファミリータンパク質の系統樹
赤色下线のゼニゴケ（Marchantia polymorpha）、ヒメツリガネゴケ（Physcomitrium patens）、 クラミドモナス（Chlamydomonas reinhardtii）は机能が解析されている遗伝子。ほぼ全ての生物で一つの遗伝子で、生物の系统と大きく矛盾しないので、イチョウの二遗伝子がイチョウの系统で独自に遗伝子重复している以外、全てオーソログであると考えられる。
今后の展望
ゼニゴケのBLD10遗伝子は精子形成において机能することが明らかになりましたが、その作动机序はまだ不明であり、今后の解明が待たれます。また、BLD10遗伝子は陆上植物において进化速度が上昇しており、他の陆上植物においても何らかの机能进化が起きている可能性があるため、今后の解析が期待されます。
本研究で行ったスクリーニングにより、BLD10遗伝子の他にも精子形成に関连する候补因子を选抜済みです。それら因子の机能解析によって、さらなる精子形成関连因子を同定できる可能性があります。
用语解説
オミクスデータ：网罗的な生体分子についてのデータであり、具体的にはゲノムやトランスクリプトーム、プロテオーム、メタボロームなどがある。
インシリコ解析：コンピュータを用いたバイオインフォマティクスなどの解析を示す。
オーソログ：种の分岐によって共通の祖先遗伝子から生じた相同な遗伝子のこと。
论文情报
論文タイトル：Phylogenetic distribution and expression pattern analyses identified a divergent basal body assembly protein involved in land plant spermatogenesis
著者：Shizuka Koshimizu, Naoki Minamino, Tomoaki Nishiyama, Emiko Yoro, Mayuko Sato, Mayumi Wakazaki, Kiminori Toyooka, Kazuo Ebine, Keiko Sakakibara, Takashi Ueda and Kentaro Yano
掲载誌：国际雑誌「New Phytologist」
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研究者情报（2022年8月现在）
明治大学 农学部
越水静（助教）、矢野健太郎（教授）
基礎生物学研究所 細胞動態研究部門
南野尚纪（特任助教）、海老根一生（助教）、上田贵志（教授）
金沢大学 疾患モデル総合研究センター 研究基盤支援施設
西山智明（助教）
立教大学 理学部生命理学科
养老瑛美子（助教）、榊原恵子（准教授）
理化学研究所 環境資源科学研究センター
佐藤茧子（技师）、若崎眞由美（テクニカルスタッフ）、豊冈公徳（上级技师）