Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ハチ目昆虫 / キノコ体 / ケニヨン細胞 / 行動進化 / 転写因子 / セイヨウミツバチ / カブラハバチ / mKast / Mblk-1 / EcR / ChIP-seq解析 / 社会性昆虫 / 脳機能進化 / ミツバチ / ゲノム編集 / 連合学習 / Mblk-1/E93 / ハチ目 / 脳高次中枢

研究代表者らは、これまでにミツバチの脳高次中枢キノコ体が、遺伝子発現プロファイルの異なる3種類のケニヨン細胞サブタイプ（大型・中間型・小型）から構成されることを発見した。さらに、そのサブタイプの数は原始的なハバチ亜目では1種類、寄生性の有錐類では2種類、営巣性/社会性をもつ有剣類では3種類と、ハチ目昆虫の行動進化に伴い増加した可能性を示唆した。本研究では、ミツバチの各サブタイプ選択的に発現する遺伝子の機能解析と、これら遺伝子の機能および発現パターンの種間比較解析により、ハチ目昆虫の行動進化に伴うキノコ体の機能進化の分子神経基盤の解明を目的とした。
今年度は、ハバチ亜目に属するカブラハバチとミツバチ（有剣類）のケニヨン細胞の遺伝子発現プロファイルの比較から、ミツバチの各サブタイプの機能は、ハチ目昆虫の進化過程で祖先的なケニヨン細胞がもつ機能が分離、特殊化することで獲得された可能性を示唆した。また、ミツバチの「中間型」サブタイプに発現するmKastを標的としたゲノム編集により、初めてノックアウト働き蜂（F2世代）の作出に成功し、現在、変異体働き蜂の表現型解析を進めている。さらに、ミツバチ成虫キノコ体の「大型」と「小型」ケニヨン細胞サブタイプにはそれぞれ、変態に関わる転写因子であるMblk-1とEcRが選択的に発現するが、これら転写因子のChIP-seq解析を行うことにより、Mblk-1が成虫キノコ体では自身の（自律的な）転写活性化能をもち、変態期とは異なり、記憶・学習に関わる遺伝子を標的とすること、EcRは働き蜂の分業（育児、採餌）や採餌行動開始により標的遺伝子群が変化することを見出した。これにより、ミツバチ成虫のキノコ体では、変態期に働く転写因子が新たな標的遺伝子をもつことにより、ミツバチ固有なキノコ体の機能獲得に貢献した可能性を提示した。

ミツバチ / 攻撃行動 / 利他的行動 / 脳 / ウイルス / 社会性昆虫 / 感染 / 遺伝子

ミツバチは社会性昆虫であり、女王蜂(生殖カースト)が専ら産卵し、働き蜂(労働カースト)は育児や門番、採餌などの労働に携わる。ミツバチの働き蜂の天敵への攻撃行動は、自身が死亡する可能性が高い点で利他行動の代表例である。本研究では、働き蜂の攻撃行動を規定する分子的基盤を解析する目的で、攻撃的な働き蜂の脳で選択的に発現する遺伝子を検索した結果、攻撃蜂の脳に選択的に感染している新規なRNAウイルスを同定した。
最初に、囮であるオオスズメバチに攻撃を仕掛けた働き蜂(攻撃蜂)と、スズメバチから逃避した働き蜂(逃避蜂)を採集し、それぞれの脳からRNAを抽出した。Differential display法により、攻撃蜂の脳に選択的に存在するRNAを検索した結果、kakugoと命名したRNAを同定した。cDNAクローニングの結果、kakugo RNAは様々なピコルナ様ウイルスのポリプロテインと有意な相同性を示すタンパク質をコードすることが判明した。このことは、kakugo RNAが新規なウイルスのゲノムRNAであり、攻撃蜂の脳はこのウイルスに感染していることを示唆している。また、攻撃蜂の細胞粗抽出液をショ糖密度勾配遠心により分離したところ、kakugo RNAは遊離のmRNAの他、ウイルス粒子に相当する分画にも検出された。さらに、攻撃蜂の細胞粗抽出液を非感染の働き蜂に注射したところ、3日後の脳でkakugo RNAが増幅していることが判明した。このことは、kakugo RNAが確かに感染性のあるウイルス粒子を形成することを示唆している。さらに、kakugoウイルスは攻撃蜂の脳では検出される一方で、育児蜂や採餌蜂では検出されず、攻撃行動とkakugoウイルスの感染が密接に関連することが示された。本研究は、動物の本能的な攻撃行動とウイルス感染が関連することを最初に示唆した点で学術的に価値が高い。

ミツバチ / 社会性昆虫 / 行動 / カースト / 神経系 / 脳 / 遺伝子 / cDNA / 本能行動 / キノコ体 / 神経細胞 / 遺伝子発現 / cDNAクローニング

ミツバチは社会性昆虫であり、その働き蜂は8字ダンスにより仲間に花の位置を教えるという高次行動を示す。ミツバチの脳では感覚統合や記憶・学習の中枢であるキノコ体が顕著に発達しており、キノコ体を構成する介在神経(ケニヨン細胞)は、細胞体の大きさから、大型と小型の2種類に分類される。我々はミツバチの高次行動に関わる遺伝子の候補として、大型と小型のケニヨン細胞の各々に特異的に発現する遺伝子(Mblk-1とKs-1)を同定しているが、本研究ではこれら2つの遺伝子のcDNAの単離と解析を行った。
その結果、Mblk-1遺伝子は新規なDNA結合タンパク質をコードすることを見出し、このタンパク質が転写促進活性をもつことを示した。これは、昆虫の脳でキノコ体特異的に発現する転写因子を同定した世界で初めての例であり、昆虫の脳機能の分子基盤を理解する上で、重要な知見である。また、その線虫ホモログも脳の神経細胞特異的に発現することを示し、Mblk-1の機能が動物種を超えて保存されることを示唆した。一方、小型ケニヨン細胞に選択的に発現するKs-1遺伝子のcDNAは、タンパク質をコードすると思われるORFを含まず、その転写産物(RNA)は中枢神経系の細胞核に穎粒状に局在することを示した。Ks-1遺伝子産物は、非翻訳性核RNAとして神経機能の調節に働くと考えられる。これは、神経細胞のサブタイプに特異的な核RNAを見出した初めての例であり、RNAの新しい機能を知る手掛かりになると期待される。この他本研究では、ミツバチのカースト特異的行動や攻撃行動を規定する遺伝子候補として、女王蜂の脳で選択的に発現するQ7遺伝子やQM〓遺伝子や、攻撃性が高い働き蜂(門番蜂)の脳で選択的に発現する、Agg-1やAgg-2遺伝子を同定した。

昆虫 / 社会性昆虫 / ミツバチ / 高次行動 / 記憶学習 / キノコ体 / cDNA / カルシウム / 記憶 / Ca^<2+> / IP3受容体 / cDNAクローニング / RNA / 膜翅目

ミツバチは社会性昆虫であり、ダンス言語などの他の昆虫には見られない多彩な社会行動を示す。しかしながら、ミツバチのように小さな脳を持つ昆虫が、どうしてこのような高次行動を示すことができるのかは全く不明である。ミツバチの脳では、感覚統合や記憶の中枢と考であるキノコ体が他の昆虫に比べて顕著に発達しており、キノコ体の機能の高度化が、その高度な社会行動の基盤となった可能性がある。本研究ではミツバチの高次行動を規定する遺伝子の候補として、キノコ体特異的に発現する遺伝子をDifferential display法にて検索し、以下の成果を得た。
1、ミツバチのキノコ体を構成する2種の介在神経細胞(ケニヨン細胞)の内、大型ケニヨン細胞特異的に発現するM5遺伝子と、小型ケニヨン細胞特異的に発現するKs遺伝子を世界で初めて同定した。これらの遺伝子の転写産物はいずれも有意なORFを含まないことから、非翻訳性RNAとして機能する可能性が考えられた。また、これらの遺伝子の蛹の脳での発現解析から、ミツバチのキノコ体が、それぞれ固有な遺伝子を発現する2つの領野を含む、4つの繰返し構造からなることが示された。今後、これらの遺伝子産物の機能解析を通じて、ミツバチの高次行動を支えるキノコ体の内部構造と、その機能分担の分子メカニズムが解明されるものと期待される。
2、さらに、ミツバチのケニヨン細胞では細胞内カルシウム情報伝達系に働く遺伝子群(IP3受容体、CaMKII、PKCの遺伝子)の発現増強が起きていることを示した。ショウジョウバエでは、これらの遺伝子はともに脳皮質に一様に発現すると報告されている。神経細胞におけるカルシウム情報伝達系は、多くの動物種で記憶や学習の成立に重要と考えられているが、ミツバチでは、カルシウム情報伝達系の機能が亢進することにより、キノコ体のシナプスの可塑性が増強している可能性が指摘できる。昆虫の脳機能と行動の系統進化といった観点から、非常に興味深い知見であると思われる。