個体発生と系統発生（進化）の間に法則性が存在するかどうかは、１９世紀から続く長年の問題でした（例：ヘッケルの反復説）。いくつものモデルが提唱されていましたが、そのどれが正しいかはコンセンサスが得られておらず、中には現代生物学から切り捨てられたおとぎ話だと 考える学者もいました。私たちはこの問題に、分子レベルから挑戦することにし、少なくとも脊椎動物胚の遺伝子の使われ方に関しては、発生砂時計モデル（Denis Duboule 博士により1994に提唱）が支持されることを明らかにしました。

残された問題と新たな謎

- なぜ初期胚は多様化しても、器官形成期は保存されるのか？そのメカニズムは？
- 砂時計のくびれの時期にみられる形態的特徴が動物門を規定する「ボディプラン」の成立期だと予想されているが、本当なのだろうか？

- Related publications -
Development, 141:4649-4655 (2014)
Nature Genetics, 45(6):701-706, (2013)
Nature Communications, 2 : 248, (2011)
BMC Biology, 5:1, 12 January (2007)

カメの背側の甲羅は、背骨とろっ骨が構成要素になっていることをご存知でしたか？（そう、甲羅は脱げません。）これはつまり、彼らの腕（肩甲骨を含む）は胸腔の内側にあることも意味しています。我々ヒトを含むその他の四つ足動物とは正反対の位置関係です。 カメ類は腕や甲羅に限らず頭部なども変わった特徴を持っていて、こうしたことが原因で、カメの進化的系統関係に関しては長らく混乱が続いてきました。例えば、古くに登場したある意味で原始的な爬虫類の一群だと考える学説もありました。 私たちを中心とした国際研究グループがカメのゲノムDNAを解読して解析したところ、カメ類が古くに登場した爬虫類ではなく、ワニ類や鳥類などに次ぐ比較的最近出現した爬虫類の一群であるという説を強く支持ことが明らかになりました。

また、カメほど形態学的に奇抜な進化を遂げた動物であっても、ニワトリとの比較では発生砂時計モデルに従うことを明らかにしました。発生砂時計モデルが発生進化の法則性として非常に頑健であることを意味しています。
これ以外にも、実はカメによっては哺乳類のイヌを凌駕するほどの数の嗅覚受容体を持つことを明らかにしました。脊椎動物で嗅覚と言えば、哺乳類の右に出るものはないとこれまで考えられていただけに、驚き（かつ予想外）の発見でした。 ただ、これはカメ類が高い嗅ぎ分け能力を持ちうるということが遺伝的に示されただけであって、匂いの感度が高いということは意味しません（匂いの感度には嗅上皮の面積等が重要）。

- Related publications -
Nature Genetics, 45(6):701-706, 2013
Nature Genetics, 46, 526, 2014

実は我々はみなキメラであることをご存知でしたか？あなたが何歳であっても、胎児の時に移入してきた母親細胞がいまも我々の体のなかを巡っていることがわかっています。でも何をしているのかはまだ詳しくわかっていません。 一つは、組織損傷の際などに再生を手伝っている可能性が指摘されていて、実際に糖尿病などのいくつかの症例では実験的にこの可能性が裏付けられています。一方で、ある種の先天異常児では、母親細胞の数が多いことが報告されており 先天異常の発症や進行に関わっている可能性が考えられますが、科学的根拠は希薄でした。これに関しては、しっかりとした科学的根拠が得られていませんが、もし本当であれば、これら先天異常児の症状緩和への道が開けるかもしれません。 我々を含む共同研究グループは胆道閉鎖症の患者さんの協力のもと、胆道閉鎖症の患者さんでは母親細胞を受け入れ易い一方向性の免疫学的が母児間でみられること、そして炎症性の傷害がみられる肝組織にみつかる母親細胞に免疫担当細胞が含まれることなどを報告しました。

注意：このプロジェクトは現在進めていません。

- Related publications -
Journal of Pediatric Gastroenterology & Nutrition, Volume 49, Issue 4, 488-492, 2009
Pediatrics, 121 (3), Mar 1, 2008

爬虫類はのなかで一番進化した動物はどれでしょう？実は、現在の生物学にはこうした問いに正確に答えることができません。例えばトカゲ、カメ、ワニ、トリで比べるとします。いずれも共通祖先から枝分かれしてから 同じ時間を過ごしているので、過ごした実時間という観点からは等価です。しかし、化石記録などからすると、祖先から大きく姿を変えたようにみえる鳥類やあまり姿を変えてこなかったかのようにみえるワニ類などもいます。 おそらく世代時間が長いことで、過ごしてきた生物学的な時間が短い（進化を通したDNAへの変更、変異の蓄積が少なかった）からではないか、、とも予想できますが果たして本当なのでしょうか。国際共同研究を通して、 ３種のワニ類のゲノムDNAを解読し、他の動物のゲノムDNAと比較することでこの謎に迫ってみたところ、実際にワニ類は、哺乳類や鳥類といった他のグループと比べてDNAの変化速度が遅いらしいことがわかりました。 哺乳類も鳥類もワニ類も、それらの共通祖先から分岐して過ごしてきた地質学的時間は同じですが、DNAの変異という生物学的な時間尺度では、過ごしてきた時間が違うと言えるかもしれません。


- Related publications / documents -
Science, 346, 6215 (2017)

鳥類は恐竜の一群ですが、どうやって進化してきたのでしょうか？特に、どんな遺伝的変化が起こって、恐竜の一群から鳥類へと進化したんでしょうか？我々を含む国際共同研究グループは、48種の現存の鳥ゲノムとその他の脊椎動物を比べることで、鳥類に特異的なゲノムDNAの 配列のほとんど（> 99%）が、タンパク質をコードしない配列で、遺伝子の制御に関わっている可能性が高いことを明らかにしました。実際、こうした鳥類特異的DNA配列の一部は、Sim1という遺伝子を活性化する働きがあることを実験的に示しました。（Sim1は、鳥の飛翔能力に 　 重要な風切り羽が発生する位置に特異的に発現することも今回明らかにしています)。つまり、鳥類の進化には、新たな遺伝子の獲得や喪失よりも、既存の遺伝子の使い方（制御の方法）を変化させることでほぼ達成できたということを意味しています。
（プレスリリース資料はこちら）

- Related publications -
Nature Communications, 114229, (2017)

進化は無制限に自由ではありません。系統ごとに多様化できる範囲に制限があるようなのです。例えば、動物では動物門という大きな分類群ごとに解剖学的な基本構造（ボディプラン）が決まっていて、 カンブリア爆発以降、基本構造に変化がありません。脊索動物では、海水、淡水、陸上、空と多様な環境に適応放散してきましたが、こうした基本構造はなぜか５億年以上変わっていませんでした。 この原因を説明する仮説として、胚段階のある時期が保存されていることが原因とする仮説（ファイロタイプ仮説）が出されていましたが、依然としてなぜその胚段階が保存されているかは明らかではありませんでした。 私たち国際共同研究グループ（EXPANDEコンソーシアム）は、脊椎動物を含む８種の脊索動物を対象に、体づくりが行われる胚発生の過程ではたらく遺伝子の情報を大規模に同定・比較解析することで この問題に取り組みました。解析結果によると、遺伝子の使い回しから生じる拘束が、脊椎動物の基本構造の限られた多様性に寄与している可能性が高いことが明らかになりました。これまでの知見では、 遺伝子の使い回しが新しい特徴を進化させる役割があることは知られていましたが、今回の結果は、多様化の一方で多様化を制限することになっている可能性をデータから指摘しました。 今後の詳しい研究が必要ですが、遺伝子の使い回しは進化にとって諸刃の剣で、遺伝子を使い回して複雑な形態をもった動物ほど多様化が難しくなっているのかもしれません。
（プレスリリース資料はこちら）


- Related publications / documents -
Nature Ecology & Evolution, (2017)
Behind the paper (Nature EcoEvo blog)


- Related research project -
新学術領域　進化制約方向性

一見、植物かと見紛うようなウミシダ（図左上）など、動物としては極めて変わった姿に進化した棘皮動物。我々と同じく、左右相称動物という基本的には左右対称の体を持ったグループに属しているのですが 棘皮動物は五放射相称の体（ボディプラン）を進化させました。幼生期には左右相称なのですが、成体では放射相称になるというのは、昆虫やイカ、ヒトなどを含む広い左右相称動物群を見渡しても非常に珍しいグループです。 でもどうやって？　1つの可能性として、棘皮動物のゲノム（特に体のつくりを決めるHoxクラスター遺伝子など）が大幅に変異し改変されてきたために、こうした特殊な体が進化してきたのだろうという仮説が ありました。この仮説を検証すべく、我々は国際共同研究グループを立ち上げ、ウミシダ・ミドリウニのゲノムを解読するとともに、マナマコを含めた３種の棘皮動物の発生過程における遺伝子の使われ方を 詳しく調べました。すると意外にも、予想されていたほど棘皮動物のゲノムは変じゃなかった・・ということが判明しました。棘皮動物にだけ特異的な遺伝子というのもそれほど多くなく 特定の種類の遺伝子が極端に多い、少ないといった目立った傾向もみつかりませんでした。また、重要な点としてHoxクラスター遺伝子は姉妹系統であるギボシムシとよく似た構成であることも判明しました。 つまり、棘皮動物は劇的に遺伝情報を変化させずに、ボディプランの大規模な変化を起こしてきたことが示唆されます。他の多くの生物でもそうであるように、広く保存されている既存の遺伝子の使い方を 少し変えるだけで、左右相称から五放射への変化には十分なのかもしれません。 一方で、例外的な知見もみつかりました。他の動物群と同じく、発生の途中段階が最も保存されている（発生砂時計モデル）のですが、その時期がボディプランを構築する（＝五放射が形成される）時期とは 一致しないことがわかりました。砂時計モデルからの予測（ファイロタイプ仮説）を再検証したほうが良いのか、それとも棘皮動物のボディプランが五放射でないことを示しているのかはわかりませんが 興味深い結果となりました。今回の結果は、ゲノムや発生過程における遺伝子発現情報などをなどを包括的に取得したもので、五放射相称進化の謎に迫るための基盤的な情報として今後活用されることが期待されます。
（プレスリリース資料はこちら）


- Related publications / documents -
Communications Biology, (2020)

 注意：このプロジェクトは現在進めていません。 胎盤を持つ動物の子は、母親から細胞を通して受け継いだものがあります。母由来マイクロキメリズム細胞と呼ばれる細胞は、妊娠中のみならず授乳期にも母乳を通して体内に移入し、一生涯残ることが知られています。 でもなんのために？そしてどんな細胞が入り込んでいるのでしょう？１細胞シーケンシング技術をマウス胚に活用することでみえてきたのは、これら母由来細胞の大部分が免疫関連細胞であること、そしてそれ以外にも 幹細胞や終末分化をした細胞まで含まれていることがわかりました。さらには、母親細胞を生後除去することで、新生仔免疫系の活性化が起こることから、新生仔免疫系の過剰な活性化を抑制している可能性もみえてきました。 意外だったのは、母由来細胞は基本的にすべての妊娠で生じるものの、同じ親から生まれた子でも、子によってその頻度や細胞種が大きく異ることです。この個体間差は、母由来細胞が母児間での免疫学的な衝突を回避するのに働く一方で ある種の先天異常に関与しているとされるなど、一見すると相反する現象に関与することを説明するかもしれません。

- Related publications -
Scientific Reports,volume 12, Article number: 18313 (2022)
Biology Open, Biol Open (2022) 11 (11): bio059334.
PLOS ONE (2021) 16(12): e0261357