１．はじめに
脊索動物はその名の通り、脊索と呼ばれる中胚葉由来の棒状の中軸器官を少なくとも発生過程の一時期にもつ動物である。この動物は新口動物というさらに大きな単系統群の中で一つの単系統群をなし、ホヤなどの仲間を含む尾索類、ナメクジウオなどを含む頭索類、ヤツメウナギなどを含む円口類、上下に関節する顎をもつ動物群を含む顎口類を含む。脊索動物は脊索だけではなく、脊索の背側に沿って走る中空の神経管、肛門の後ろの尾、咽頭壁の内胚葉と外胚葉が接着し貫通した裂け目である鰓裂、咽頭腹側に沿った繊毛と帯状に並んだ分泌線をもつ内柱などの共有する派生形質を合わせもつ。これらの形質により脊索動物は新口動物に属する他の動物群である棘皮動物や半索動物から類別され、脊索・背側中空神経管・後肛尾・鰓裂・内柱といった形質をもつことは脊索動物の基本体制(ボディープラン)として認識される。
脊索動物に属する動物群の類縁関係と進化、半索動物や棘皮動物を含めた新口動物の類縁関係と進化は、ヘニッヒによって発展した分岐分類学という分類系統を客観的に検討する方法を用い、現生動物の形態的特徴や発生様式、さらには化石記録のデータをもとに系統構築が試みられてきた。しかし、どのデータに比重を置くかによって導き出される進化のシナリオは異なり、必ずしも意見の一致を見ていない。近年の遺伝学および分子生物学の発展とともに18S rDNAの塩基配列の比較が可能となり、新口動物に属する各動物群の類縁関係がより客観的に解析され、従来説の再確認およびその一部を覆す分類系統が提示されている(脊索動物は単系統群をなし、半索動物と棘皮動物は互いに近い類縁関係にあり脊索動物とは遠くなる)。さらに近年、分子発生生物学の発展とともにホメオボックス遺伝子をはじめとした形態形成遺伝子の解析を様々な動物群で行うことにより、ボディープランをもたらす遺伝子メカニズムを動物群間で比較検討し分類系統を考察する手法、俗にEvoDevoとよばれる新しい動きが起こってきた。この観点のもと、脊索動物のボディープランの起源と進化を脊索動物の最も顕著な形質である脊索を通して理解しようという試みが京都大学の佐藤矩行氏らのグループによって進められ、脊索で発現する形態形成遺伝子、Ｔ遺伝子の解析が棘皮動物・半索動物・尾索類・頭索類で行われている。
さて前置きが長くなったが、脊索だけでなく前述のとおり内柱および鰓裂といった咽頭器官も脊索動物を特徴づける重要な形質である。咽頭内濾過摂食機能は脊索動物の共通祖先が獲得したと考えられており、脊索動物の起源と進化を扱った系統論において常に論議の対象とされてきた。内柱は濾過摂食のための粘液タンパク質を分泌する器官であるだけでなく、脊椎動物への進化の過程で甲状腺へと変化することから、脊索動物の共有派生形質の変化および脊椎動物の進化という点で興味深い器官である。一方、鰓裂は呼吸および粘液による食物粒子捕獲の器官であり、同様の形態が半索動物の咽頭部に存在し、原始的棘皮動物(?)のコルヌータやミトラータの咽頭部にもみられるという解釈が存在すること、18S rDNAを用いた解析から半索動物と棘皮動物の類縁関係が示唆されていることなどから、脊索動物の進化だけではなく新口動物の分類系統を考える上でも興味深い。さらに脊椎動物への進化の過程で鰓裂は咽頭弓となり、咽頭弓は顎口類を特徴づける顎の進化をもたらしたことを考え合わせると、鰓裂の重要性が明確となる。以下、内柱に関する研究状況、鰓裂に関する研究状況を順にお示ししたい。
２．内柱
内柱は、尾索類・頭索類・円口類の幼生の咽頭腹側正中線上に位置する溝状の構造物で、内胚葉由来の器官である。棘皮動物・半索動物には内柱と相同な器官はみられない。この内柱は大きく二種類の機能、粘液タンパク質を分泌する機能およびヨードを集積する機能をもつ。粘液タンパク質を分泌する機能は水中の食物粒を捉える濾過摂食のためのもので、数種類の分泌顆粒を含む特化した細胞群がこれを担っている。一方、ヨードを集積する機能は内柱背側にあたる領域で行われる。円口類の成体および顎口類は内柱と呼ばれる形態学的特徴を持たないが、ヨードを集積する甲状腺があり、機能的および発生生物学的観点から内柱の相同器官であると考えられている。実際、円口類の甲状腺は成体への変態過程において幼生の内柱の一部から発生する。このように、内柱は脊索動物の共通祖先が獲得した形質であり、脊椎動物への進化の過程で甲状腺へと変化することから、脊索動物の器官の起源と進化を考える上で鍵となる。私は脊索動物を構成する各動物群において、分泌器官および甲状腺の相同器官としての内柱の機能および形態形成に関与する遺伝子メカニズムを明らかにすることによって脊索動物のボディープランの起源と進化の解析を試みてきた。
＜濾過摂食のための分泌器官としての内柱＞
内柱をもつ動物の中で最も初期に分岐した動物群は尾索類、つまりホヤの仲間であると考えられている。このホヤの内柱のみで発現する、すなわち内柱特異的に機能しているであろう遺伝子の解析が最も内柱を理解しやすい方法である。そこで私はまずホヤの内柱特異的遺伝子の単離を行うことにした。最初の解析対象はマボヤである。このホヤはボディーサイズが大きく、食用として東北地方を中心に養殖されていることから入手しやすく、さらに発生生物学的知見も多いことから、実験動物として扱いやすい。このマボヤから二種の内柱特異的遺伝子HrEnds1 とHrEnds2 を単離しその発現を解析したところ、これらの遺伝子はともに成体内柱の分泌機能を担う領域(ゾーン2, 4, 6)の一部であるゾーン6でのみ特異的に発現していた1。残念ながら、これらの遺伝子がコードするアミノ酸配列と既知のアミノ酸配列との類似性は見つからなかった。このことは、HrEnds1 やHrEnds2 がコードするアミノ酸配列に含まれるドメインやモチーフを指標に、直接他の脊索動物から相同遺伝子を単離する事が出来ないということを意味する。しかしもし、これらの遺伝子がホヤの内柱で特異的に発現するということが普遍的な特徴であるのならば、他の種の内柱特異的遺伝子の中にHrEnds1 とHrEnds2 の相同遺伝子が見つかるはずである。そこで次に私はカタユウレイボヤの内柱特異的遺伝子を単離することにした。カタユウレイボヤは世界中の海に生息し、古くから内柱の形態学的・組織化学的研究が行われてきた種である。単離したカタユウレイボヤの内柱特異的遺伝子のうちCiEnds1 とCiEnds2 はマボヤのHrEnds1 やHrEnds2 と同様にゾーン6のみで特異的に発現する遺伝子であった。一方、CiEnds3 は他の分泌領域であるゾーン2で特異的に発現していた。これらの遺伝子がコードするアミノ酸配列と既知のアミノ酸配列との類似性は見られなかったが、CiEnds1 とCiEnds2 はマボヤのHrEnds2と類似性があり、関連遺伝子であることがわかった2。このようにして、二種類のホヤから分泌領域ゾーン6で特異的に発現し互いに関連遺伝子であると考えられる分子を単離する事が出来た。しかし、これらの遺伝子がコードするアミノ酸配列の比較からは高度に保存されたドメインやモチーフを見つけることは出来なかった。結果的に他の脊索動物、とりわけ頭索類や円口類から相同遺伝子を単離し、遺伝子の構造や機能から内柱の進化を考えるという研究計画は暗礁に乗り上げることとなった。
＜甲状腺の相同器官としての内柱＞
内柱のもうひとつの特徴は内柱背側領域でヨードの取り込み活性およびパーオキシデース活性がみられることである。これらの活性は脊椎動物の甲状腺で行われる甲状腺ホルモン合成系の活性と密接にリンクしてると考えられている。ほ乳類の甲状腺ホルモン合成系では、甲状腺ろ胞上皮細胞内の転写因子であるTTF-1, TTF-2, Pax8 などが甲状腺特異的分化マーカーであるTg (サイロログロブリン)やTPO (サイロパーオキシデース)を誘導する。そこで私は、尾索類、頭索類、円口類の内柱でこれらの甲状腺関連遺伝子が機能しているのかを明らかにするため、甲状腺の発生および機能に関与する転写因子TTF-1、甲状腺分化マーカーであるTPO の相同遺伝子をコードするcDNAクローンの単離を行った。尾索類のTTF-1 相同遺伝子の発現をLoberto Di lauro氏の研究グループとの共同研究で解析したところ、成体では内柱特異的に発現していることがわかった3。これは尾索類の内柱が甲状腺と相同であることを示唆する始めての分子的証拠となった。さらに尾索類のTPO 相同遺伝子の発現も内柱特異的であり、内柱と甲状腺の相同性を分子的に再確認することが出来た4。しかし、ほ乳類では同じ細胞で発現しているTTF-1 とTPO がホヤでは同じ領域で発現しておらず、尾索類ではTTF-1 によるTPO の発現誘導メカニズムが獲得されていない可能性が示唆された。そこで次に私は頭索類ナメクジウオのTTF-1 相同遺伝子およびTPO 相同遺伝子の発現を解析することにした。この解析により頭索類ではTTF-1 とTPO の発現が一部オーバーラップしていることわかり、TTF-1 によるTPO の発現誘導メカニズムが頭索類への進化の過程で獲得された可能性が示唆された5。しかし話はそう単純なものではなかった。続いて倉谷滋氏および鈴木眞太郎氏との共同研究でヤツメウナギのTTF-1 の発現解析を行った結果、TTF-1 は尾索類と類似の発現パターンを示し、TPO 活性をもつ領域では基本的に発現しないことがわかった6。これらの研究は、TTF-1 は脊索動物の内柱原基で発現することから内柱の形成には関与するものの、甲状腺ホルモン合成に必要なTPO の発現誘導には直接関与しないこと、TTF-1 によるTPOの発現制御は内柱が甲状腺に進化した際に獲得されたことを示唆するものであった。そこで現在、他の甲状腺関連遺伝子であるTTF-2 、Pax8 、NIS、Tg 相同遺伝子にも着目し、甲状腺機能に関与する遺伝子発現制御メカニズムの起源と進化の研究を進めている。
３．鰓裂
鰓裂は脊索動物の咽頭部の外胚葉および内胚葉が癒合し開裂した裂け目であり、呼吸および濾過摂食機能に関与する器官である。咽頭部の裂け目は半索動物ギボシムシや一部のフサカツギにも存在し、さらに原始的棘皮動物の咽頭部にみられるという報告もある。脊索動物の鰓裂と半索動物や原始的棘皮動物の鰓裂様構造が相同であるかどうかを明らかにすることは、脊索動物の祖先および新口動物の分類系統を考える上で重要である。また鰓裂は脊椎動物への進化の過程で咽頭弓となり、顎口類の顎の進化とも密接に関与するため、脊索動物のボディープランの進化を理解する上で鍵となる。これらの観点から、鰓裂特異的遺伝子の単離および発現の解析を行っている。
＜尾索類ホヤの鰓裂特異的遺伝子＞
尾索類ホヤは咽頭部に多数の鰓孔を持ち、鰓嚢を形成している。このホヤの咽頭部の孔の形態は頭索類や円口類の鰓裂と比べると高度に特殊化しているが、発生生物学的類似性から鰓裂と相同であることに間違いはない。そこで私は共同研究者の田中仁夫氏と共にマボヤから鰓裂特異的遺伝子HrPhG1 およびHrPhG2 のcDNAクローンを単離した7。これらの遺伝子は鰓嚢の形成と共に発現を開始し、成体の鰓嚢特異的に発現を続けることから、鰓裂特異的分化マーカといえる。残念ながら、これらの遺伝子がコードするタンパク質と他のタンパク質の類似性は見つかっておらず、他の脊索動物からの相同遺伝子単離には至っていない。
＜Pax1/Pax9 関連遺伝子＞
鰓裂の形成に関与する遺伝子は、脊索動物の進化の過程における鰓裂の獲得と関連性を持つ可能性がある。鰓裂形成に関与する遺伝子の解析はHeiko Peters氏からの手紙がきっかけであった。彼はマウスPax9 が咽頭弓で顕著に発現し、咽頭弓由来の器官の形成に関与していることを述べ、ホヤのPax9 の発現が知りたいと連絡してきたのであった。これとほぼ同時期に、頭索類ではPax9 と同じグループに属するPax1 が鰓裂で発現することが報告されていた。そこで、当時ホヤのPax遺伝子群を解析していた和田洋氏から遺伝子断片の提供をうけ、尾索類のPax9 相同遺伝子の解析を始めた。この結果、尾索類ホヤにはPax1 とPax9 の祖先型遺伝子であると考えられるPax1/9 が存在し、鰓嚢で特異的に発現していることがわかった。さらに半索動物のPax1/9 を単離し発現を解析したところ、鰓裂でのみ発現することがわかった。これは、脊索動物の鰓裂と半索動物の鰓裂様構造が相同であることを示す初めての分子的証拠であった8。さらに倉谷滋氏のグループとの共同研究を行い、円口類ヤツメウナギにはPax1 およびPax9 が存在し鰓裂で顕著な発現が見られることを示した9。これらの解析の結果、祖先型遺伝子Pax1/9 は半索動物と脊索動物の鰓裂で顕著に発現し、円口類への進化の過程で重複し、これらの動物群の鰓裂の形成に関与する可能性が高いことがわかった。
＜半索動物ギボシムシの鰓裂特異的遺伝子＞
Pax1/9 の解析から半索動物の鰓裂と脊索動物の鰓裂の相同性が示されたことから、ギボシムシの鰓裂特異的遺伝子の解析を行った10。鰓裂特異的遺伝子PfG1-PfG6 の発現はPax1/9 の発現と重ならず、Pax1/9 との相関は不明である。しかし、コードするアミノ酸配列が既知のタンパク質と類似性をもつことから、現在これを手がかりにさらなる解析を進めている。
４．おわりに
内柱および鰓裂の研究を始めたのは、私が京都大学大学院の佐藤矩行教授の研究室に修士として進学した1995年であった。研究を始めた当時、脊索動物の咽頭器官をテーマにした形態学や分類系統学にもとづいた古典的な文献や論議はみられたものの、分子的な研究はほぼ皆無であり、どの様な分子を指標に咽頭器官の進化の問題に取り組めばよいのか悩んだものであった。上述のように、内柱および鰓裂で特異的に発現する遺伝子をホヤから単離したものの、他の遺伝子との類似性を見いだすことができず、なかなか研究を軌道に乗せることが出来なかった。転機が訪れたのは、形態形成に関与する転写因子TTF-1 、Pax1/9 を解析し始めた頃からである。咽頭諸器官の分子発生生物学的解析手法はまだまだ発展途上にあるが、これらの転写因子の解析を通じて咽頭器官の形成メカニズムを明らかにしていかなければならない。ここ数年の動向としては、京都大学の佐藤矩行氏らのグループを中心に尾索類カタユウレイボヤのゲノムプロジェクト、cDNAプロジェクトが開始され、網羅的な遺伝子発現解析から様々な組織・器官特異的遺伝子が単離できる状況が生まれてきたことであろう。私もカタユウレイボヤの幼若体の網羅的遺伝子発現解析に参加させてもらい、内柱や鰓裂特異的な遺伝子候補を数多く得ている11。今回は述べることは出来なかったが、このプロジェクトで得られた内柱特異的遺伝子の中には、これまでに得られなかった発現パターンを持つ遺伝子、幼若体のみで発現する遺伝子、既知の遺伝子と類似性を持つ遺伝子が含まれ、順次解析を行っている。
現在私は千葉大学理学部生物学科に籍を移し、共同研究者の方々の協力のもと研究を展開している。脊索動物のボディープランの起源と進化は未だなお混沌としている感があるが、私は私なりに咽頭器官の解析を通してこれを理解していきたいと考えている。最後に、この研究の多くは京都大学大学院時代に佐藤矩行教授のもとで行われたものであり、共同研究者の協力によるものであることを記しておきたい。
５．文献