研究組織・業績

有胎盤哺乳類はY染色体に存在するSry遺伝子に依存して性が決定される一方で、Y染色体はいつか消失すると考えられています。しかし、日本固有のトゲネズミ属のXO型種では、Y染色体とSryを消失しているにもかかわらずオスが生まれます。代表者の黒岩は、Sox9遺伝子上流の制御配列の重複が性を決定するSryに依存しない新しい機構を見出しました。また、オスの妊性にかかわるY染色体上の6遺伝子が、X染色体に転座していることを確認しました。そこで、染色体工学を用いてトゲネズミの遺伝基盤をマウスで再現することで、性決定因子の獲得と染色体高次構造を保った妊性Y遺伝子の維持が性染色体サイクルの開始条件であることを実証します。

本研究では、C01班、C03班と連携し、制御領域の重複と6つのY遺伝子をX染色体に転座させた染色体改変マウスを作製します。残されたY遺伝子の機能的意義を確認するために、B03班との連携で、マウスXO型・XY型細胞、トゲネズミXO型細胞の遺伝子発現パターンをY遺伝子の制御を中心に比較解析します。また、属内で唯一Y染色体を維持するXY型種の情報をC01班に提供し、Y染色体消失の回避条件の推定に役立てます。

以上により、性染色体サイクルが開始する条件を実証することで、「項目A：誕生した性染色体が性決定を安定に保つしくみ」の解明に貢献します。

性染色体サイクルの起点となる新たな性染色体は、集団内の多型として誕生したと考えられます。性染色体の入れ替わりが頻繁に生じている両生類では、実際にネッタイツメガエルの集団内にY染色体とW染色体が多型として混在しています。一方、ツチガエルでは、集団の分化に伴って性染色体と性決定機構が安定化し、各集団がXY型またはZW型のいずれかに固定されています。本課題では、これら2種のカエルを比較することにより、性染色体サイクルの開始を決定づける性決定遺伝子の誕生と、組換え抑制などを通じて、誕生した性染色体およびそれに基づく新たな性決定機構が安定化する仕組みを明らかにします。

本研究では、両種の各集団・系統が持つ性染色体を網羅的に解読するとともに、C02班のイメージング技術およびscRNA-seq解析を用いて性決定候補遺伝子を選抜し、ゲノム編集技術によって性決定遺伝子を特定します。また、性決定遺伝子の近傍領域に、組換え抑制に関係する変異が蓄積した可能性を比較ゲノム解析によって検証します。さらに、C03班の性染色体改変技術を用いて性染色体を入れ替えた個体を作製し、その生存率や性の安定性を調べます。得られたデータをC01班に提供し、多型状態から性染色体が安定化するための条件を推定します。

以上の研究により、新たな性決定遺伝子の誕生から、新たな性染色体が安定化するまでの仕組みを明らかにし、「研究項目A：誕生した性染色体が性決定を安定に保つしくみ」の解明に貢献します。

性染色体サイクルが進行してY染色体（以下、Y染色体）が退化すると、Y染色体には有害な転移因子が蓄積します。これは個体の適応度を低下させる毒性の要因となり得ますが、Y染色体が消失して転移因子が除かれれば、この毒性も消滅すると考えられます。代表者の野澤はこれまでに、転移因子の蓄積によってY染色体が巨大化したフサクシショウジョウバエや、Y染色体が消失したヒゲジロショウジョウバエなど、特徴的なY染色体をもつショウジョウバエを見いだしてきました。そこで本課題では、これらのショウジョウバエ種を用いて、Y染色体の退化が個体に毒性を及ぼすのか、また、その毒性がY染色体の消失を促進するのかを検証し、Y染色体の退化が性染色体サイクルの駆動に及ぼす影響を明らかにします。

本研究では、B02班の重イオンビーム技術やC03班の染色体工学技術などを用いて、Y染色体をもたないオス、Y染色体上の転移因子量を変化させたオス、Y染色体を他種のY染色体に置換したオスを作製し、寿命、妊性、適応度などを野生型オスと比較します。また、染色体解析および表現型解析を高速化するため、AI画像解析ツールを開発します。さらに、上記2種を中心とした多様なショウジョウバエのオミックスデータと表現型データをC01班に提供し、退化型Y染色体の入れ替わりに関する理論の構築にも貢献します。

以上により、Y染色体の退化が性染色体サイクルに及ぼす影響を明らかにし、「項目B：性染色体消失の原因となる分化・退化のしくみ」の解明に貢献します。

異形性染色体をもつ雌雄異株植物ヒロハノマンテマは、巨大なY染色体上に雌ずいの発達を抑制する性決定遺伝子GSFYを、X染色体上に雌ずいの発達を促進してメス化を引き起こす遺伝子SlWUS1をもっています。これは、X染色体自体が性決定能をもち、性決定を頑健化している可能性を示唆しています。本課題では、SlWUS1のコピー数や発現量を操作して雌ずいの発達を観察することにより、X染色体がもつ性決定能を定量化します。さらに、XY型、すなわちY染色体による性決定から、XO型、すなわちY染色体が消失し、X染色体と常染色体の本数比によって性が決定される型への人為的な転換を試みます。

本研究では、A02班がもつロングリードRNA-seq技術およびC02班がもつscRNA-seq技術を駆使し、GSFYとその常染色体パラログSlCLV3、SlWUS1とその常染色体パラログSlWUS2の計4遺伝子が、それぞれどのように雌ずいの発達制御に関与しているのかを明らかにします。その上で、C01班と連携してXO型への移行に必要な遺伝子変化をシミュレーションし、その結果に基づく実証実験を行います。これにより、XY型からXO型への変化に必要な条件の抽出にも貢献します。

異形性染色体をもつ生物の性染色体サイクルを人為的に駆動させることにより、Y染色体を失った場合でも性を安定的に維持できることを実証し、「項目B：性染色体消失の原因となる分化・退化のしくみ」の解明に貢献します。

男性では、加齢に伴って体細胞からY染色体が失われる「後天的Y染色体喪失（loss of Y chromosome：LOY）」という現象が知られています。LOYは、心不全、がん、認知症などの加齢性疾患のリスク上昇と関連することが示されています。本課題では、ヒトにおけるY染色体の安定性喪失によって生じる臨床的な不利益を明らかにし、それに対する治療戦略を提案します。

本研究では、まず患者検体を用いた臨床研究により、LOYと疾患との疫学的な関連を明らかにします。また、特定の細胞種でY染色体を欠失させることが可能な「コンディショナルLOYマウス」を開発し、LOYが疾患の発症に果たす因果的な役割と、その分子機構を解明します（佐野）。加えて、ゲノムワイドCRISPRスクリーニングおよび化合物スクリーニングにより、LOY細胞に特有の脆弱性を明らかにし、それを標的としたLOY細胞除去法の開発を目指します。さらに、C03班との連携により、合成Y染色体を有するマウスモデルを用いて、LOYに至る分子的・細胞的要因を同定します。

以上により、ヒトにおけるY染色体の安定性喪失によって生じる臨床的な不利益を明らかにし、それに対する治療戦略を提案します。これにより、臨床的な観点から「項目B：性染色体消失の原因となる分化・退化のしくみ」の解明に貢献します。

性染色体の入れ替わりが生じるためには、性染色体が消失して集団が絶滅する前に、環境依存性決定や隠蔽的な性決定遺伝子などのバックアップ機構によって、雌雄、ひいては集団そのものが維持される必要があります。魚類では、温度による性転換が広く観察されています。代表者の北野は、温度刺激によってXX型のみからなるメダカ集団を継代維持したところ、それまで常染色体であった領域に、性と連鎖するプロト性染色体が出現することを見いだしました。本課題では、こうしたバックアップ機構の実態を魚類の野生集団で明らかにし、性染色体の入れ替わりを説明する理論モデルを構築します。

本研究では、性染色体の入れ替わりが生じやすいことが知られているメダカ科やトゲウオ科などの魚類を対象に、野生集団のゲノム解析によって隠蔽的な性決定領域が普遍的に存在するかを検証します。また、半野外生態実験により、プロト性染色体が集団内に広がり、実際に性染色体の入れ替わりが生じるかを検証します。さらに、実際の遺伝子制御ネットワークデータに基づいて、性染色体の入れ替わりに関する理論モデルを構築します。

以上により、環境依存性決定や隠蔽的な性決定遺伝子を介した「項目C：古い性染色体が新しい性染色体と入れ替わるしくみ」の解明に貢献します。さらに、他班で得られた知見に基づいて遺伝子制御ネットワークデータを構築し、分類群間でみられる性染色体の入れ替わりやすさの違いを説明します。

性染色体が入れ替わる過程では、新たな性決定遺伝子が既存の配偶子形成経路を作動させることによって、生殖機能が維持されると考えられます。代表者の菊地は、配偶子形成経路が、減数分裂に関わるrec8a経路や卵胞形成に関わるfbxo47経路など、複数の遺伝経路（モジュール）の組み合わせによって成立することを明らかにしました。本課題では、多様な性決定遺伝子が配偶子形成モジュールを制御する仕組みを解明し、性染色体サイクルの中で生殖機能が維持される柔軟な仕組みに迫ります。

本研究では、配偶子形成モジュールの上流因子に変異が生じたことにより二倍体の卵を形成し、単為生殖を行うようになったカダヤシ科魚類アマゾンモーリーと、その祖先種であるセイルフィンモーリーとの比較解析を通じて、モジュール上流因子が入れ替わる仕組みを明らかにします。そのために、卵巣を用いた単一細胞トランスクリプトーム解析およびゲノム配列の比較解析を実施します。さらに、カダヤシ科魚類とは異なる性決定遺伝子をもつA02班のカエルや、C01班の性決定遺伝子消失メダカも解析対象とし、性染色体サイクルにおける配偶子形成モジュールの普遍性と、その制御機構の多様性を明らかにします。

以上により、性染色体や性決定様式が移行する過程において生殖機能が維持される基盤を明らかにし、「項目C：古い性染色体が新しい性染色体と入れ替わるしくみ」の解明に貢献します。

マウスの退化したY染色体（以下、Y染色体）には、性決定や精子形成に関わる遺伝子が10個程度存在します。本課題では、これらの遺伝子を搭載したY染色体を合成し、本来のY染色体と置換することにより、この遺伝子セットがY染色体として機能するために十分であるかを明らかにします。さらに、搭載する遺伝子セットを段階的に縮小することにより、Y染色体の最小構成要素の解明を目指します。マウス人工染色体（Mouse Artificial Chromosome：MAC）は、天然の染色体腕上に存在する遺伝子をすべて取り除いた人工染色体です。

本課題では、染色体編集技術を用いてMAC上にマウスの性決定遺伝子および精子形成に関わる遺伝子群を搭載し、合成Y染色体を構築します。さらに、染色体操作・導入技術を用いて合成Y染色体と本来のY染色体を入れ替え、合成Y染色体が性染色体として機能するかをマウスの細胞および個体で検証します。これにより、哺乳類などにみられる退化型Y染色体が、新たな性染色体と入れ替わるための条件を明らかにします。加えて、これらの染色体工学技術を他の生物へ応用するための技術開発も推進します。

天然のY染色体と入れ替えることが可能な合成Y染色体を構築することにより、「項目C：古い性染色体が新しい性染色体と入れ替わるしくみ」の解明に貢献します。また、開発した染色体工学技術を他の生物にも展開し、他班が行う実証実験にも貢献します。