研究内容


 

原索動物における自己非自己識別機構


 ホヤ類は一般に雌雄同体ですが、マボヤやカタユウレイボヤ等では自家受精は起こりません。ホヤには抗体やMHCが存在しないのに、どのようにして自己と非自己の細胞を識別することができるのでしょうか。この現象は、著名な遺伝学者でノーベル賞受賞者でもあるT.H. モルガンが1900年代初頭に発見して以来、動物学100年の謎とされてきました。その謎が当研究室の研究により今、解き明かされつつあります。


 マボヤ(Halocynthia roretzi:壁性目)では、受精時の精子レセプターである卵黄膜タンパク質HrVC70が、自家不稔性が獲得される卵成熟過程で卵黄膜に大量に付着するようになります。一方、自家不稔性を示す卵を弱酸で1分処理すると自家受精可能になりますが、この処理によりHrVC70が卵黄膜から特異的に溶出してくることを見出しました。さらに、この分子を固定化したアガロースビーズへの精子の結合能を調べると、自己精子より非自己精子が沢山結合することが示されました。この分子は12個のEGF様リピード構造からなりますが、個体間で多型に富み、ある特定領域でアミノ酸置換が起こっていることも判明しました。これらのことから、卵黄膜上のHrVC70は、マボヤにおけるアロ認識分子であると考えています (1) 。同様の分子は、アカボヤ(Halocynthia aurantium)にも見られることから(アカボヤの場合には13回のEGF様リピートからなりますが)、少なくともHalocynthia属では、このEGF様リピート分子をアロ認識分子として利用している、と考えられます (2) 。精子の膜ラフトに存在するHrUrabin (3) や2型膜タンパク質であるHrTTSP-1 (4) と名付けた分子が、HrVC70と相互作用する分子として同定されており、これがどのようにしてHrVC70の多型を識別するのか、について現在研究しています。

 一方、ゲノム概要配列が解読されているカタユウレイボヤ(Ciona intestinalis:腸性目)では、どのような分子がアロ認識に関わっているのでしょうか。カタユウレイボヤは、2−3ヶ月で成体になるので、遺伝学的実験が可能です。私たちは、ポジショナルクローニングという方法で、アロ認識(自家不和合性)に関わる染色体領域(A遺伝子座とB遺伝子座の2領域)を絞り込むことに成功しました (5)。そして、そのA領域で発現している遺伝子の中で、卵黄膜タンパク質をコードしている遺伝子は1つしかなく、フィブリノーゲン様タンパク質(v- Themisと命名)であること、さらに個体間で非常に多型に富むタンパク質であることもわかりました (5, 6) 。一方、この領域の遺伝子の中から精巣で発現している遺伝子を絞り、その中で多型に富む遺伝子を探索したところ、多発性嚢胞腎の原因遺伝子であもあるポリシスチン1様タンパク質(カチオンチャンネルの一種で、s-Themisと命名)をコードする遺伝子がその候補であることがわかりました。しかもこのv- Themisとs-Themisのペアは強い連鎖関係にあり、後者の遺伝子の第一イントロン内に逆向きに(つまり相補鎖DNAに)前者の遺伝子がコードされていることが判りました。さらにまた、染色体のB領域には、全体のシンテニー(染色体上での遺伝子座の配置の類似性)はないにも関わらず、この遺伝子ペアだけが存在していることが判明しました。遺伝学実験の結果から、A遺伝子座とB遺伝子座の両者で、自己の分子ペアだと認識された時のみ自己と見なされ、卵黄膜から精子が離れ受精が起こらなくなっていることが判明しました。しかも、このアロ認識機構は、被子植物における自家不和合性の機構(雄蕊と雌蕊が近接しているにも関わらず自家受精を防ぐ機構)と基本的には同じ原理であることが判り、「動植物に共通の有性生殖機構」としてセンセーショナルな話題をよびました。この成果は、Scienceの2008年4月号 (5) に掲載され、Editor's choiceでも取り上げられました。この発見がきっかけとなり、新学術領域研究「動植物に共通するアロ認証機構の解明」が発足する運びとなりました (総説:7, 8) 。


1) Sawada, H., Tanaka, E., Yamasaki, C., Fujino, J., Ooura, K., Abe, Y., Matsumoto, K., and Yokosawa, H.(2004):Self/nonself recognition in ascidian fertilization: vitelline coat protein HrVC70 is a candidate allorecognition molecule.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 15615-15620 . pubmed

2) Ban, S., Harada, Y., Yokosawa, H., and Sawada, H. (2005). Highly polymorphic vitelline-coat protein HaVC80 from the ascidian, Halocynthia aurantium: Structural analysis and involvement in self/nonself recognition during fertilization.
Dev. Biol. 286, 440-451. pubmed

3) Urayama, S., Harada, Y., Nakagawa, Y., Ban, S., Akasaka, M., Kawasaki, N., and Sawada, H. (2008). Ascidian sperm glycosylphosphatidylinositol-anchored CRISP-like protein as a binding partner for an allorecognizable sperm receptor on the vitelline coat.
J. Biol. Chem., 283 , 21725-21733. pubmed

4) Harada, Y., and Sawada, H. (2007). Proteins interacting with the ascidian vitelline-coat sperm receptor HrVC70 as revealed by yeast two-hybrid screening.
Mol. Reprod. Dev. 74, 1478-1487. pubmed

5) Harada, Y., Takagaki, Y., Sunagawa, M., Saito, T., Yamada, L., Taniguchi, H., and Shoguchi, E., and Sawada, H. (2008). Mechanism of self-sterility in a hermaphroditic chordate.
Science 320, 548-550. pubmed

6) Yamada, L., Saito, T., Taniguchi, H., Sawada, H., and Harada, Y. (2009). Comprehensive egg coat proteome of the ascidian Ciona intestinalis reveals gamete recognition molecules involved in self-sterility.
J. Biol. Chem. 284, 9402-9410. pubmed

7) Harada, Y., and Sawada, H. (2008). Allorecognition mechanisms during ascidian fertilization.
Int. J. Dev. Biol. 52, 637-645. (review) pubmed

8) 原田淑人,澤田 均 (2008). 雌雄同体の脊索動物であるホヤの自家不稔性のメカニズム.
細胞工学 27, 906-907.(総説)

9) Yamaguchi, A., Saito, T., Yamada, L., Taniguchi, H., Harada, Y., and Sawada, H. (2011). Identification and localization of the sperm CRISP family protein CiUrabin involved in gamete interaction in the ascidian Ciona intestinalis.
Mol. Reprod. Dev. 78 (7), 488-497. pubmed

10) Saito T., Shiba, K., Inaba, K., Yamada, L., and Sawada, H. (2012). Self-incompatilibity response induced by calcium increase in sperm of the ascidian Ciona intestinalis.
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103 (11), 4158-4162. pubmed

11) Harada, Y., and Sawada, H. (2012). Self-incompatibility in gamete recognition: Single self-recognizing determinants and multiple, non-self-recognizing ones function in the same individual.
Mol. Reprod. Dev. 26, in press (doi: 10.1002/mrd.22134.). pubmed

12) Sawada, H., Saito, T., Yamaguchi, A., Harada, Y., and Yamada, L. (2012). Allorecogntion mechanisms in ascidian fertilization: A reproduction strategy shared with flowering plants.
In Sperm Cell Research in the 21st Century: Historical Discoveries to New Horizons Adthree Publishing Co. 13) Otsuka, K., Yamada, L., and Sawada H. (2013). cDNA cloning, localization and candidate binding partners of acid-extractable vitelline-coat protein Ci-v-Themis-like in the ascidian Ciona intestinalis.
Mol. Reprod. Dev. 80, 840-848. pubmed

14) Sawada, H., Yamamoto, K., Otsuka, K., Saito, T., Yamaguchi, A., Mino, M., Harada, Y., and Yamada, L. (2014). Allorecogntion and lysine systems during ascidian fertilization. Sexual Reproduction in Animals and Plants (H. Sawada, N. Inoue, M. Iwano, eds),
Springer, 231-244 Link

15) Sawada H., Morita, M., and Iwano, M. (2014). Self/non-self recognition mechanisms in sexual reproduction: New insight into the self-incompatibility system shared by flowering plants and hermaphroditic animals.
Biochem. Biophys. Res. Commun., 450(3), 1142-1148. pubmed

16) Mino, M., and Sawada, H. (2016) Follicle cell trypsin-like protease HrOvochymase: its cDNA cloning, localization, and involvement in the late stage of oogenesis in the ascidian Halocynthia roretzi.
Mol. Reprod. Dev., 83 (4), 347-58. pubmed

17) Sawada, H., Shirae-Kurabayashi M., and Takaharu Numakunai (2017). Spawning of the ascidian Halocynthia roretzi.
Mol. Reprod. Dev., 84(2), 93.pubmed