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ことこひろき
5 years ago
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トコジラミに必須栄養素を供給する細胞内共生細菌ボルバキアの発見 - 寄生から相利共生への進化を実証 - 平成 21 年 12 月 21 日独立行政法人産業技術総合研究所ポイント吸血衛生害虫のトコジラミ ( 南京虫 ) にとって共生細菌ボルバキアが生存に必須であることを発見したボルバキアはトコジラミの共生器官に局在し必須栄養素を供給することにより宿主に利益をもたらす共生細菌である

別名南京虫 ) にとってボルバキアという共生細菌が生存に必須でありその生理機能が必須栄養素ビタミン B 類の供給にあることを解明したボルバキアは多種多様な昆虫類に存在する共生細菌だがその影響は一般に寄生的すなわち宿主にはメリットが無いというのが従来の常識であったトコジラミが特殊化した細胞から成る専用の共生器官を構築してその細胞内だけにボルバキアをすまわせ

1 トコジラミに必須栄養素を供給する細胞内共生細菌ボルバキアの発見 - 寄生から相利共生への進化を実証 - 平成 21 年 12 月 21 日独立行政法人産業技術総合研究所ポイント吸血衛生害虫のトコジラミ ( 南京虫 ) にとって共生細菌ボルバキアが生存に必須であることを発見したボルバキアはトコジラミの共生器官に局在し必須栄養素を供給することにより宿主に利益をもたらす共生細菌である共生進化過程の理解への貢献とともに吸血衛生害虫の制御などへ応用の可能性がある概要独立行政法人産業技術総合研究所理事長野間口有 ( 以下産総研という ) ゲノムファクトリー研究部門研究部門長鎌形洋一生物共生進化機構研究グループ深津武馬研究グループ長細川貴弘産総研特別研究員らは吸血衛生害虫として古くから知られ近年の殺虫剤耐性や先進国での再興が問題となっているトコジラミ ( 別名南京虫 ) にとってボルバキアという共生細菌が生存に必須でありその生理機能が必須栄養素ビタミン B 類の供給にあることを解明したボルバキアは多種多様な昆虫類に存在する共生細菌だがその影響は一般に寄生的すなわち宿主にはメリットが無いというのが従来の常識であったトコジラミが特殊化した細胞から成る専用の共生器官を構築してその細胞内だけにボルバキアをすまわせ必須栄養素を作らせるという高度な相利共生関係の発見であり寄生関係が相利共生関係の進化的起源となったことを実証したまたボルバキアが吸血衛生害虫であるトコジラミの生存に必須な共生細菌ということで防除や制御の新規標的としても有望であり応用的な展開も期待されるこの研究成果は米国の学術専門誌 Proceedings of the National Academy of Sciences USA ( 米国科学アカデミー紀要 ) のウェブサイトで 2009 年 12 月 21 日午前 5 時 ( 日本時間 ) に掲載されるは別紙用語の説明参照図 1:( 左 ) 交尾中のトコジラミ下が雌上が雄である体長は約 5 mm ( 右 ) トコジラミ共生器官の蛍光顕微鏡像赤色が共生細菌ボルバキア National Academy of Sciences, PNAS(Copyright 2009) - 1 -

2 社会的背景シラミノミカトコジラミツェツェバエオオサシガメなどの吸血性昆虫類は衛生害虫として古くから人類にとっての脅威であったこれらの昆虫類の問題は吸血そのものがもたらす不快感や健康被害にとどまらない重篤な感染性疾患を引き起こす病原体の多くは吸血性昆虫によって媒介されるハマダラカによるマラリアやツェツェバエによる睡眠病など枚挙にいとまがない特に発展途上国ではこれらの昆虫媒介性疾患はいまだに大問題でありマラリアだけで全世界の感染者は 3 5 億人年間死者は万人にのぼると推定されその制御法や治療法の開発は全世界的な課題である一方ほとんどの先進国では有機塩素系の殺虫剤 DDT をはじめとする化学合成殺虫剤の開発と普及および衛生状況の向上により 1960 年頃までに多くの吸血性昆虫がほぼ駆逐されたと思われていたところが殺虫剤耐性をもつ害虫の発生や流通のグローバル化にともないシラミやトコジラミなどの古典的な衛生害虫が再び増加していることが近年問題となっているとりわけ先進国では衛生観念の向上の帰結としてシラミやトコジラミの発生や刺傷は強い不快や嫌悪の対象となり教育機関や観光業界におけるリスク要因となっているこのように衛生害虫不快害虫としてさまざまな形で問題となる吸血性昆虫類に対しては人類や環境に対して負荷の少ない防除や制御が必要でありそのためには殺虫剤散布のような従来型の害虫制御技術のみならず新しいアプローチによる害虫制御技術の開発が望まれている研究の経緯産総研では遺伝子資源の宝庫と期待される難培養性の共生微生物を標的としてさまざまな研究を展開してきたなかでも近年注目している対象として吸血性昆虫類の共生微生物がある脊椎動物の血液は栄養豊富なように思えるが実はある種の栄養素特にビタミン B 類が欠乏しているそのため一生を通じて哺乳類や鳥の血液だけを吸って生きているツェツェバエやシラミなどの吸血性昆虫類には不足栄養素を補ってくれる共生細菌の存在が必須であるコロモジラミおよびアタマジラミではリーシア (Riesia) という共生細菌がそれぞれ菌細胞という特殊化した細胞から構成される共生器官中に収納されビタミン B 群の供給など宿主の生存に重要な役割を担っている ( 図 2) 図 2 (A) コロモジラミの成虫腹面皮下に肉眼でも認められる白い斑点が共生器官である (B) 蛍光 in situ ハイブリダイゼーションで可視化したコロモジラミ 1 令幼虫体内の共生細菌リーシアの局在共生器官内のミカンの房状の区画中に収納されているコロモジラミ共生器官の立体再構築像のムービーを以下で見ることができる (

3 一方分類学上シラミ ( 咀顎目 Psocodea) とは異なる目に属するトコジラミ ( 半翅目 Hemiptera 図 1 左 : 学名 Cimex lectularius; 南京虫の別名でも知られる ) は成虫の体長 5~8 mm 程度体型は円盤状で翅はなく夜間に活動して吸血する名前に反してシラミとの類縁関係はなくいわば吸血カメムシであり刺激すると臭腺から悪臭を発する世界中に分布しており日本でもかつては普通に見られたが 1970 年代以降ほぼ駆逐されたと思われていたしかし近年散発的な発生が報告されるようになり刺傷をうけた宿泊客が旅館を訴えるといった事案も生じているトコジラミ体内の精巣や卵巣の近傍に一対の共生器官がありその細胞内に多量の細菌が存在することは 1920 年代より報告があったトコジラミの生存や繁殖にこの共生細菌が関係するらしいことも示唆されてきたしかしその微生物学的実体は現在にいたるまで不明であったいくつかの先行研究で広範な昆虫類に存在する共生細菌ボルバキアおよび未記載のγプロテオバクテリアがトコジラミから検出されたがそれらが共生器官に存在するのかまた宿主の生存や繁殖に必須なのかは不明であったこれまで生物共生進化機構研究グループは共生細菌ボルバキアに関する以下の研究成果について産総研ウェブサイト上で公開している 2007 年 7 月 2 日産総研主な研究成果共生細菌抑制によりオスとメスの中間的なチョウができる年 10 月 29 日産総研プレス発表共生微生物から宿主昆虫へのゲノム水平転移の発見今回私たちは 90 年近くにわたり謎であったトコジラミ共生細菌の正体に関心を抱きこの汎世界的な衛生害虫の防除や制御における新規標的となりうる可能性も視野に入れその微生物学的実体および生物学的機能の解明に取り組んだなおこの研究は細川貴弘を主たる研究担当者として独立行政法人生物系特定産業技術研究支援センターイノベーション創出基礎的研究推進事業 ( 技術シーズ開発型 ) ( 研究課題名 : 共生細菌により昆虫が獲得する新規生物機能の解明と制御への基盤研究 ) の支援を受けて行った研究の内容私たちは日本産 3 系統オーストラリア産 2 系統のトコジラミから精巣や卵巣の近傍にある一対の共生器官を解剖摘出して DNA を抽出し細菌遺伝子の検出をおこなったその結果調べた 105 個体すべてからボルバキアが検出された一方でγプロテオバクテリアは 56 個体 (53 %) からしか検出されなかった特に日本産の 1 系統についてはまったくγプロテオバクテリアが存在しなかったすべての個体から検出されるのではないことから従来の見解に反しこの γプロテオバクテリアはトコジラミの生存に必須な共生細菌ではないことが示唆された - 3 -

4 定量的 PCR 法によってトコジラミの組織別のボルバキア感染密度を調べたところ共生器官および雌の卵巣のみに高密度で存在することがわかった In situ ハイブリダイゼーション法で体内局在を可視化したところ雌雄ともにボルバキア感染は腹部に存在する一対の共生器官に限られていることがわかった ( 図 3A B) また雌の卵巣内で卵が形成されていく過程で卵の端にボルバキアが感染して親から子への垂直伝達が行われ卵の受精後胚発生の段階で共生器官に局在していく ( 図 3C) ことが判明した National Academy of Sciences, PNAS(Copyright 2009) 図 3 蛍光 in situ ハイブリダイゼーションで可視化したトコジラミの雄 (A) および雌 (B) の腹部におけるボルバキアの局在矢印は共生器官矢頭は卵巣内の卵や初期胚への局在を示す (C) 初期胚の共生器官原基 ( 矢印 ) へのボルバキアの局在それでは本当にこのボルバキアがトコジラミの生存や繁殖に必須な共生細菌なのだろうか? ボルバキアのみに感染しているトコジラミ系統に抗生物質入りのウサギ血液を人工給餌装置 ( 図 4A B) を用いて投与することによりボルバキア感染を除去した虫を作成した成虫に抗生物質を与えてボルバキアを除去した場合は卵の孵化率が激減した ( 図 4C) 幼虫を抗生物質処理した場合は幼虫期間が有意に延長し ( 図 4D) 成虫まで到達できたものはわずかであった( 図 4E) すなわちボルバキア感染が確かにトコジラミの正常な成長や繁殖に重要であることが示された - 4 -

卵孵化率幼虫期間 ( 週 ) 成虫羽化率 National Academy of Sciences, PNAS(Copyright 2009) 図 4 (A B) トコジラミの人工給餌装置 (C-E)

脊椎動物の血液は栄養豊富なように思えるが虫にとって必要なある種の栄養素特にビタミン B 類が欠乏しているそこで人工給餌装置で与えるウサギ血液にビタミン B 群を添加したところ

B 群の供給が共生細菌ボルバキアの担う主要な生物機能であることが示されたこの研究により従来は寄生的な共生細菌であると考えられてきたボルバキアがトコジラミにおいては特殊化した共生器官の細胞内に局在し

5 卵孵化率幼虫期間 ( 週 ) 成虫羽化率 National Academy of Sciences, PNAS(Copyright 2009) 図 4 (A B) トコジラミの人工給餌装置 (C-E) 抗生物質処理によるボルバキア感染除去およびビタミン B 群の添加がトコジラミの卵孵化率 (C) 幼虫期間(D) および成虫羽化率 (E) に与える影響それではトコジラミの成長や繁殖においてボルバキアが担う必須機能の実体は何なのか? 脊椎動物の血液は栄養豊富なように思えるが虫にとって必要なある種の栄養素特にビタミン B 類が欠乏しているそこで人工給餌装置で与えるウサギ血液にビタミン B 群を添加したところ抗生物質処理によってボルバキア感染を除去したトコジラミでも卵孵化率幼虫期間成虫羽化率においてボルバキア除去の悪影響から完全に回復した ( 図 4C-E) これらの実験結果よりトコジラミの唯一の食物である血液中に不足するビタミン B 群の供給が共生細菌ボルバキアの担う主要な生物機能であることが示されたこの研究により従来は寄生的な共生細菌であると考えられてきたボルバキアがトコジラミにおいては特殊化した共生器官の細胞内に局在し宿主昆虫に必須な生物機能を果たす相利共生細菌に進化したことが実証された今後の予定寄生から相利共生への進化過程のさらなる理解をめざしまたこのボルバキアが衛生害虫であるトコジラミの生存や繁殖に必須であることを踏まえ以下の研究を展開していく予定である多様なトコジラミ類の共生細菌を調べることにより必須栄養素を供給する相利共生ボルバキ - 5 -

6 アがトコジラミ類の進化の過程でいつどのようにして獲得されたかを解明するまたトコジラミの相利共生ボルバキアの全ゲノム塩基配列を決定して寄生性ボルバキアのゲノムと比較することにより寄生から相利共生への進化過程で起こったゲノムレベルの変化を明らかにし共生進化の分子基盤について考察する将来的には相利共生ボルバキアのゲノム情報を利用して共生細菌の代謝系や分子機構を阻害することにより必須共生細菌を標的とした吸血性衛生害虫の駆除抑制につながる研究を展開したい < 参考文献 > Hosokawa et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA in press Sasaki-Fukatsu et al Appl. Environ. Microbiol. 72, 7349 Arkwright et al Parasitology 13, 27 Davis 1956 Ann. Entomol. Soc. Am. 49, 466 De Meillon and Golberg 1946 J Exp Biol 24, 41 Chang 1974 J. Invertebr. Pathol. 23, 333 Hypsa and Aksoy 1997 Insect Mol. Biol. 6, 301 Rasgon and Scott 2004 J. Med. Entomol. 41, 1175 Sakamoto and Rasgon 2006 Am. Entomol. 52, 119 本件問い合わせ先独立行政法人産業技術総合研究所ゲノムファクトリー研究部門生物共生進化機構研究グループ研究グループ長深津武馬茨城県つくば市東中央第 6 TEL: FAX: t-fukatsu@aist.go.jp プレス発表 / 取材に関する窓口独立行政法人産業技術総合研究所広報部広報業務室土屋慈弘茨城県つくば市梅園中央第 2 つくば本部情報技術共同研究棟 8F TEL: FAX: presec@m.aist.go.jp 用語の説明共生器官共生微生物を保有するために特殊化した宿主生物の器官のことアブラムシツェツェバエトコジラミなどでは特殊化した一群の細胞 ( 菌細胞ともいう ) が共生器官 ( 菌細胞塊ともいう ) を構築し共生細菌は共生器官の細胞内に存在するカメムシなどでは消化管の一部が特殊化して多数の盲嚢を発達させ共生細菌はその内腔 ( つまり細胞外 ) に存在する - 6 -

7 相利共生関係相互作用している異なる生物の双方が利益を得るような関係のこと片方が利益を得るがもう一方が損をするような関係は寄生関係片方が利益を得てもう一方は損も得もないような関係は片利共生関係という DDT Dichloro-diphenyl-trichloroethane( ジクロロジフェニルトリクロロエタン ) の略称有機塩素系の殺虫剤農薬でありかつては広く使われていたがその残留性や環境影響などから現在ほとんどの先進国では製造使用ともに禁止されている近年マラリア対策として再検討されつつある γプロテオバクテリアグラム陰性細菌の1グループ有名なγプロテオバクテリアのメンバーとしては大腸菌やコレラ菌などがあるアブラムシの細胞内共生細菌ブフネラやツェツェバエの細胞内共生細菌ウィグルスワーシアもγプロテオバクテリアに属するちなみにボルバキアはαプロテオバクテリアという異なるグループのメンバーである定量的 PCR 法 PCR 法を応用して試料中の特定の塩基配列をもった DNA の存在量を定量する方法高感度かつハイスループットな遺伝子定量法として広く使われている培養困難な共生細菌であっても定量的 PCR 法を用いれば遺伝子コピー数換算で迅速な定量をおこなうことができる In situ ハイブリダイゼーション法生体組織試料の構造を保ったまま特定の配列の RNA または DNA をプローブとしたハイブリダイゼーションをおこなうことによりその配列と相補的な RNA または DNA の生体内における存在分布を可視化する方法組織切片上でおこなう場合が多いがスライドグラス上に塗抹した細胞や染色体を対象におこなう場合もあるし生体組織の塊ごとおこなう場合はホールマウント in situ ハイブリダイゼーションと呼ばれる垂直伝達共生微生物や遺伝子が生物から生物へ伝えられる場合親から子へと伝えられることを垂直伝達それ以外の同種他個体からの伝達や異種個体からの伝達を水平伝達という宿主の生存に必須である高度な相利共生細菌のほとんどは垂直伝達により宿主の世代をへて伝達される - 7 -

PRESS RELEASE (2014/2/6) 北海道大学総務企画部広報課札幌市北区北 8 条西 5 丁目 TEL FAX URL:

PRESS RELEASE (2014/2/6) 北海道大学総務企画部広報課 060-0808 札幌市北区北 8 条西 5 丁目 TEL 011-706-2610 FAX 011-706-2092 E-mail: kouhou@jimu.hokudai.ac.jp URL: http://www.hokudai.ac.jp クワガタムシの雌雄差を生み出す遺伝子の同定に成功研究成果のポイントクワガタムシで雌雄差を生み出す遺伝子を同定した