第４４回基礎生物学研究所コンファレンスThe 44th NIBB Conference発生と進化--動物と植物の共通性と多様性EVOLUTION AND DEVELOPMENT--Generality and Diversity of Development in Animals and Plants-- |
12:45-13:15 Registration and Mixer
13:15-13:20 Opening Address: 長谷部光泰 Mitsuyasu Hasebe (基生研NIBB)
13:20-13:30 Welcome to NIBB: 毛利秀雄 Hideo Mohri (基生研Director General
of NIBB)
Chairperson: 堀寛 Hiroshi Hori (名古屋大 Nagoya Univ.)
13:30-13:55 井上勲 Isao Inoue (筑波大 Tsukuba Univ.)
Algal diversity and character evolution (藻類にみられる多様性と形質進化)
13:55-14:20 高橋直 Tadashi Takahashi, 田畑寿晃 Toshiaki Tabata (生命誌研究館
JT Biohistory Research Hall)
Metazoan origin and cadherin evolution (多細胞動物の起源とカドヘリンの進化)
Chairperson: 町田泰則 Yasunori Machida (名古屋大 Nagoya Univ.)
14:20-14:45 後藤弘爾 Koji Goto (京都大 Kyoto Univ.)
A non-cell-autonomous function of Arabidopsis TERMINAL FLOWER
1 is exerted by developmentally regulated protein trafficking
(植物茎頂のアイデンティティーを決めるTFL1タンパク質の細胞間移動は、メリステムの発生段階にともなって制御されている)
14:45-15:00 Coffee Break
Chairperson: 長濱嘉孝 Yoshitaka Nagahama (基生研NIBB)
15:00-15:25 見上一幸Kazuyuki Mikami (宮教大Miyagi Univ. Education)
Maintenance of germinal micronuclei as "stem nuclei"
in Paramecium
(ゾウリムシにおける“幹細胞核”としての小核とその維持)
15:25-16:05 Heiko Schoof and Thomus Laux (Univ. Tubingen, Germany)
Where no cell is a permanent cell: Regulation of Stem Cell Identity
in the Shoot Meristem of Arabidopsis
Chairperson: 長田敏行 Toshiyuki Nagata (東京大 Univ. Tokyo)
16:05-16:45 Leo Gaelweiler, Jiri Friml, Andreas Muller, Eva Benkova,
Klaus Nettesheim and Klaus Palme
(Max-Delbruck-Laboratorium in der Max-Planck-Gesellschaft, Germany)
PIN-pointing the molecular basis of polar auxin transport
16:45-17:00 Coffee Break
Chairperson: 田坂昌生 Masao Tasaka (奈良先端大 NAIST)
17:00-17:40 Christian S. Hardtke, Jim Mattsson, *Thomas Berleth
(Univ. Toronto, Canada)
Auxin signals in plant cell axis formation and vascular development
17:40-18:05 岡田清孝 Kiyotaka Okada (京都大 Kyoto Univ.)
Axis-dependent development of plant organs (軸方向に依存した植物器官の形成)
Chairperson: 上野直人 Naoto Ueno (基生研 NIBB)
18:05-18:30 武田洋幸 Hiroyuki Takeda (遺伝研 NIG)
Induction and segmentation of the mesoderm in zebrafish embryos
(ゼブラフィッシュにおける中胚葉誘導と体節の分節機構)
18:30-18:55 澁谷浩司 Hiroshi Shibuya (基生研 NIBB)
Interaction between Wnt and TGF-β signalling pathways during formation
of Spemann's organizer
(TGF-βシグナル分子Smad4のWntシグナルへの関与)
18:55-19:20 笹井芳樹 Yoshiki Sasai (京都大 Univ. Kyoto)
Regulatory Genes of CNS Development: Lessons from fly, frog and
mouse studies
(中枢神経系発生を制御する遺伝子群：ハエ、カエル、マウスからのレッスン)
19:30-21:00
Chairperson: 赤坂甲治 Koji Akasaka (広島大Hiroshima Univ.)
9:00-9:40 Brigitte Galliot (Univ. of Geneva, Switzerland)
Evolution of Antp-class genes and differential expression of Hydra
Hox/paraHox genes in anterior patterning
9:40-10:20 Jordi Garcia Fernandez (Univ. of Barcelona, Spain)
Amphioxus Hox and ParaHox clusters: ended or never ending?
10:20-10:35 Coffee Break
Chairperson: 荒木崇 Takashi Araki (京都大 Kyoto Univ.)
10:35-11:00 伊藤純一 Jun-Ichi Itoh (東京大 Univ. Tokyo)
SHOOT ORGANIZATION genes regulate pattern of leaf initiation and
growth of leaf domain in rice
(葉の分化様式と葉の領域の生長を制御するイネSHOOT ORGANIZATION遺伝子の解析)
11:00-11:25 田坂昌生 Masao Tasaka, 相田光宏 Mitsuhiro Aida (奈良先端大 NAIST)
Cotyledons and shoot apical meristem formation during embryogenesis
in Arabidopsis thaliana
(シロイヌナズナの胚発生過程における子葉と頂芽分裂組織の形成)
Chairpersons: 清末知宏 Tomohiro Kiyosue (基生研 NIBB)
11:25-12:05 Tetsu Kinoshita, Tomohiro Kiyosue, Ramin Yadegari,
Nir Ohad, and *Robert L. Fischer (Univ. California Berkeley)
Imprinting of polycomb genes during plant reproduction
12:05-13:00 Lunch
Chairperson: 友常大八郎 Daihachiro Tomotsune (大阪大 Osaka Univ.)
13:00-13:25 古関明彦 Haruhiko Koseki, 古関庸子 Yoko Mizutani-Koseki, 磯野協一
Kyo-ichi Isono, 赤坂武 Takeshi Akasaka, *舛本寛 Hiroshi Masumoto, 木村元子
Motoko Kimura, 中山俊憲Toshinori Nakayama (千葉大 Chiba Univ., *名古屋大
Nagoya Univ.)
The role of mammalian Polycomb group gene products during embryogenesis
(脊椎動物 ポリコーム群タンパクの機能)
Chairperson：黒岩厚 Atsushi Kuroiwa (名古屋大 Nagoya Univ.)
13:25-13:50 志賀靖弘 Yasuhiro Shiga, *林茂生 Shigeo Hayashi, 山形秀夫 Hideo
Yamagata (東京薬科大 Tokyo Univ. of Phramacy and Life Science, *遺伝研
NIG)
Did the genes remain the same? - analysis on homeotic and some
other developmental genes in the water flea, Daphnia
(ミジンコの形態形成遺伝子の解析ーホメオティック遺伝子を中心に)
13:50-14:15 林茂生 Shigeo Hayashi (遺伝研 NIG)
Developmental origin of insect limbs (昆虫の付属肢の起源)
14:15-14:40 小椋利彦 Toshihiko Ogura (奈良先端大 NAIST)
Wing / leg identity, evolution of limbs and Tbx genes (四肢形態の進化と
Tbx 遺伝子)
14:40-15:05 井上淑子 Yoshiko Inoue, 三戸太郎 Taro Mito, 野地澄晴 Sumihare
Noji (徳島大 Tokushima Univ.)
Development of cricket legs (コオロギの脚の発生)
15:05-15:20 Coffee Break
Chairperson：塚谷裕一 Hirokazu Tsukaya (基生研 NIBB)
15:20-16:00 Bruce Veit (Massay U., New Zealand)
Molecular and genetic analyses of the plant phytomer
16:00-16:25 荒木崇 Takashi Araki (京都大 Kyoto Univ.)
A pair of related genes regulating floral transition (花成を制御する一対の相同遺伝子)
16:25-16:50 長谷部光泰 Mitsuyasu Hasebe, *伊藤元己 Motomi Ito (基生研 NIBB,
*Chiba Univ.)
Origin and Evolution of Floral Homeotic Genes in Green Palnts
(陸上植物における花器官形成遺伝子の進化と生殖器官の進化)
Chairperson：岡田清孝 Kiyotaka Okada (京都大 Kyoto Univ.)
16:50-17:30 Utpal Nath and Enrico Coen (John Innes Centre, UK)
Control of floral symmetry
17:30-19:00
19:00-20:30
Chariperson: 仁田坂 英二 Eiji Nitasaka (九州大 Kyushu Univ.)
20:30-21:00 古賀章彦 Akihiko Koga, 堀寛 Hiroshi Hori (名古屋大 Nagoya Univ.)
Survival strategy of transposable elements (トランスポゾンの生き残り戦略)
21:00-21:30 飯田滋 Shigeru Iida (基生研 NIBB)
Transposable elements as a major spontaneous mutagen in the morning
glories
(アサガオの主要自然突然変異源としてのトランスポゾン)
Chairperson: 和田洋 Hiroshi Wada (京都大 Kyoto Univ.)
9:00-9:25 佐藤矩行 Noriyuki Satoh (京都大 Kyoto Univ.)
Differentiation of notochord in Ascidian embryos (ホヤ胚における脊索細胞の分化)
9:25-10:05 Per Ahlberg (Natural History Museum, UK)
Phylogenetic perspectives on the evolution and patterning of vertebrate
morphology
10:05-10:30 倉谷滋 Shigeru Kuratani (岡山大 Okayama Univ.)
Molecular patterning mechanism of the craniofacial ectomesenchyme
and the evolution of the vertebrate jaw
(分子的形態パターニングから見た脊椎動物の顎の進化)
10:30-10:45 Coffee Break
Chairperson: 浅島誠 Makoto Asashima (東京大 Univ. Tokyo)
10:45-11:10 相沢慎一 Shinichi Aizawa (熊本大 Kumamoto Univ.)
Head developmental in mouse (哺乳動物にける頭部形成機構)
11:10-11:35 阿形清和 Kiyokazu Agata, 梅園良彦 Yoshihiko Umesono, 鯉沼聡 Satoshi
Koinuma, *Alejandro Sanchez Alvarado, *Pillip Newmark, 渡辺憲二 Kenji
Watanabe (姫工大 Himeji Institute of Technology, *カーネギー研究所 Carnegie
Institution of Washington)
Evolution of the genetic program for brain development
(プラナリアからみた脳をつくる遺伝子プログラムの進化)
Chairperson: 後藤弘爾 Koji Goto (京都大 Kyoto Univ.)
11:35-12:00 塚谷裕一 Hirokazu Tsukaya (基生研 NIBB)
Genetic regulations for two dimensional expansion of leaves (葉の二次元平面形成の遺伝制御)
12:00-12:10 阿形清和 Kiyokazu Agata (姫工大 Himeji Institute of Technology)
青木誠志郎 Seishiro Aoki, *庄野邦彦 Kunihiko Syono, 伊藤元己 Motomi Ito (千葉大
Chiba Univ., *日本女子大 Japan Women's Univ.)
Horizontal gene transfer and point mutation: Ngrol genes in the
evolution of the genus Nicotiana
(遺伝子水平移行と点突然変異：タバコ属進化におけるNgrol 遺伝子群の歴史)
福田達哉 Tatsuya Fukuda, 横山潤 Jun Yokoyama (東北大 Tohoku Univ.)
Evolutional and genetical aspects of floral symmetry in Leguminosae
(遺伝子からみたマメ科植物の花の相称性の進化)
浜田朗子 Saeko Hamada (千葉大 Chiba Univ.)
Phylogenetic analysis of plant myosin (植物ミオシンの分子系統解析)
長谷部光泰 Mitsuyasu Hasebe, 佐野亮輔 Ryosuke Sano (基生研 NIBB)
金子朋未 Tomomi Kaneko, 赤坂武 Takeshi Akasaka, 古関明彦 Haruhiko Koseki
(千葉大 Chiba Univ.)
Mouse YAF2 protein interacts with RING1B, a Mammalian Polycomb
group gene
(マウスYAF2タンパクは哺乳類ポリコーム群遺伝子のRING1Bと相互作用する)
*菅野明 Akira Kanno, Arend Bohne, Heinz Saedler, Guenter Theissen
(*東北大学 Tohoku Univ., マックスプランク育種研究所 Max Planck Institute for Plant
Breeding)
B-class floral homeotic genes in Liliaceae plant
(ユリ科植物における花のホメオティック遺伝子(クラスB遺伝子)の解析)
河村英子 Ekio Kawamura, 檀はるか Haruka Dan, 風間晴子 Haruko Kazama (国際基督教大
International Christian Univ.)
Cell-specific anthocyanin and flavonoid distribution patterns
in leaf epidermal tissues
(葉の表皮におけるアントシアニンおよびフラボノイド含有細胞の細胞レベルでの分布パターンの解析)
川村光毅 koki Kawamura, 大山恭司 Kyoji Ohyama ,* 木村芝生子 Shioko Kimura (慶應大
Keio Univ., *NIH)
Underdevelopment of cortical neurons with misrouted axonal paths
in T/ebp (Nkx2.1) knock out mice
(NKx2.1 遺伝子欠損マウスにおける軸索走行と大脳皮質の発達障害)
川嵜明 Sayaka Kawasaki, 仁田坂英二, Eiji Nitasaka (九州大 Kyushu Univ.)
Structural analysis of Tpn family, transposable elements of the
Japanese morning glory
(アサガオ（Ipomoea nil）のトランスポゾン、Tpn ファミリーの構造解析)
風間晴子 Haruko Kazama, 檀はるか Haruka Dan, *Geoffrey O. Wasteneys (国際基督教大学
International Christian Univ., *The Australian National Univ.)
Ethylene alters cell division patterns and induces histogenesis
and/or organogensis of developing seedlings of Cucumis sativus
and Arabidopsis thaliana
(Cucumis sativus とArabidopsis thalianaの芽生えの器官・組織分化に及ぼすエチレンの作用)
キムキョンテ Gyung-Tae Kim, 塚谷裕一 Hirokazu Tsukaya (基生研 NIBB)
Genes for two dimentional growth of leaves (葉の極性伸長制御遺伝子群の機能解析)
木下哲 Tetsu Kinoshita, Robert L. Fischer (Univ. of California Berkeley)
Genomic imprinting of the MEDEA polycomb gene in the Arabidopsis
endosperm
(アラビドプシス胚乳におけるMEDEA ポリコーム遺伝子のゲノミックインプリンティング)
木山貴恵 Takae Kiyama, 赤坂甲治 Koji Akasaka, 光永ー中坪敬子 Keiko Mitsunaga-Nakatsubo,
嶋田拓 Hiraku Shimada (広島大 Hiroshima Univ.)
In vivo assay for functional domains of Otx in sea urchin
(ウニOtxの機能を生体内でアッセイする)
小藤累美子 Rumiko Kofuji, 長谷部光泰 Mitsuyasu Hasebe (基生研 NIBB)
The MADS-box gene of the moss Physcomitrella patens, PpMADS1
is expressed in haploid reproductive organs: gametangia.
(コケ植物であるヒメツリガネゴケ（Physcomitrella patens）のMADS-box遺伝子 PpMADS1
は生殖器官で発現する)
鯉沼聡 Satoshi Koinuma, 梅園良彦 Yoshihiko Umesono, 渡辺憲二 Kenji Watanabe,
阿形清和 Kiyokazu Agata (姫工大 Himeji Institute of Technology)
Folkhead genes in planarians (プラナリアのfolkhead遺伝子群）
黒澤仁 Gene Kurosawa (名古屋大, Nagoya Univ.)
Organization of Hox Gene Loci in Medaka Fish (メダカHox遺伝子郡の解析)
日下部岳広 Takehiro Kusakabe (北海道大 Hokkaido Univ.)
Mechanisms of polyphyletic evolution of anural development in
ascidians
(異なる系統で独立に生じたホヤ無尾幼生の進化のメカニズム)
日下部りえ Rie Kusakabe (北海道大 Hokkaido Univ.)
Evolution of chordate actin multigene families: insights from
amphioxus and medaka actin genes
(脊索動物のアクチン遺伝子ファミリーの進化～ナメクジウオおよびメダカを用いた解析より)
桑原明日香 Asuka Kuwabara, *塚谷裕一 Hirokazu Tsukaya, 長田敏行 Toshiyuki Nagata
(東京大 Univ. Tokyo, *基生研 NIBB)
Anatomical and physiological analysis of heterophylly in Ludwigia
arcuata, in relevance to the evolution of aquatic plants
(水生植物Ludwigia arcuataの異形葉に関する形態学、及び生理学的解析)
峯田克彦 Katsuhiko Mineta(1,2), Silvana Gaudieri(1), 中澤真澄 Masumi Nakazawa(1),
池尾一穂 Kazuho Ikeo(1,2), 阿形清和 Kiyokazu Agata(3), 五條堀孝 Takashi Gojobori(1,2)
(1遺伝研 NIG, 2総研大 Graduate Univ. for Advanced Studies, 3姫工大 Himeji
Institute of Technology)
The evolution of neural network from planarian to human - the
approch of gene expression profiling -
(プラナリアから見た神経系の進化 -遺伝子発現プロフィールを用いた解析-)
三輪雅代 Masayo Miwa, 柳沼利信 Toshinobu Yaginuma, 山下興亜 Okitsugu Yamasha,
○新美輝幸 Teruyuki Niimi (名古屋大 Nagoya Univ.)
Cloning and expression patterns of the genes responsible for wing
formation in several insects
(数種昆虫からの翅形成遺伝子のクローニングと発現様式の解析)
向敦史 Atsushi Mukai, 山口正晃 Masaaki Yamaguchi, 遠藤浩 Hiroshi Endoh (金沢大
Kanazawa Univ.)
Homeobox genes in protozoan Tetrahymena thermophila
(原生動物テトラヒメナのホメオボックス遺伝子)
西村泰介 Taisuke Nishimura, 岡田清孝 Kiyotaka Okada (京都大 Kyoto Univ.)
Defects of carpel development in Arabidopsis Fl-82 mutant
result from hypermethylation of the SUPERMAN gene and a mutation
in the FASCIATA2 gene
(シロイヌナズナのFl-82突然変異体における心皮形成の異常はSUP遺伝子のメチル化とfas突然変異により引き起こされる)
西山智明 Tomoaki Nishiyama, 日渡祐二 Yuji Hiwatashi, 榊原恵子 Keiko Sakakibara,
*加藤雅啓 Masahiro Kato, 長谷部光泰 Mitsuyasu Hasebe (基生研 NIBB, *東京大 Univ.
of Tokyo)
Tagged Mutagenesis and Gene-trap in the Moss, Physcomitrella
patens by Shuttle Mutagenesis
(シャトルミュータジェネシスによるヒメツリガネゴケの遺伝子タギング・遺伝子トラップ系の開発)
仁田坂英二 Eiji Nitasaka (九州大 Kyushu Univ.)
Molecular analysis of mutants of the Japanese morning glory exhibit
similar phenotypes to Arabidopsis mutants
(アラビドプシスの突然変異体と相同な表現型を示すアサガオの突然変異体の解析)
信定福明 Yoshiaki Nobusada, 堀米直人 Naoto Horigome, *平野茂樹 Shigeki Hirano,
倉谷滋 Shigeru Kuratani (岡山大 Okayama Univ., *新潟大 Niigata Univ.)
Morphogenesis of the oral region in Lampetra japonica and
evolution of the gnathostome jaw
(無顎類カワヤツメLampetra japonicaにおける口辺形成および顎口類における顎の進化)
小原真司 Shinji Obara, 岩滝 仁範 Y. Iwataki, 見上一幸 Kazuyuki Mikami (宮教大Miyagi
Univ. Education)
Identification of an aubergine/piwi homologue
in the ciliated protozoan Paramecium caudatum
(繊毛虫ゾウリムシにおけるaubergine/piwi相同遺伝子の単離)
岡本圭司 Keiji Okamoto, 洪健智 Kenji Ko, *武内恒成 Kosei Takeuchi, 渡辺憲二 Kenji
Watanabe, 阿形清和 Kiyokazu Agata (姫工大 Himeji Institute of Technology,
*奈良先端大 NAIST)
Structure of planarian brain（プラナリアの脳の構造）
先崎浩次 Kouji Senzaki, *小川正晴 Masaharu Ogawa, 八木健 Takeshi Yagi (生理学研究所
NIPS, *理研 RIKEN)
Proteins of the CNR family are multiple receptors for reelin
(マウス大脳皮質形成過程における新たな分子メカニズムの解明-新規カドヘリン様分子群(CNRs)はReelinの多重受容体である-)
重谷安代 Yasuyo Shigetani, 信定福明 Yoshiaki Nobusada, 倉谷滋 Shigeru Kuratani
(岡山大 Okayama Univ.)
Interactive signaling of BMP4 and FGF8 difines maxillomandibular
and premandibular regions in the early chick embryo: basic regionalization
of the vertebrate craniofacial ectomesenchyme
(顎口類における顎と顎前領域の領域特異化：BMP4 と FGF8 の相互作用)
清水健太郎 Kentaro Shimizu, 岡田清孝 Kiyotaka Okada (京都大 Kyoto Univ.)
Reproductive isolations between Arabidopsis thaliana and
its relatives caused by defects in pollen tube guidance and embryogenesis
(花粉管ガイダンスと胚発生に見るシロイヌナズナと近縁種の生殖隔離)
新里和史 Kazushi Shinzato, *徐東祥 Dong-song Suh, 仁田坂英二 Eiji Nitasaka
(九州大 Kyushu Univ., *韓国・成均館大 Sung Kyun Kwan Univ. Korea)
Functional analysis of mogura involved in DNA repair in Drosophila
(キイロショウジョウバエにおけるDNA修復に関与するmogura遺伝子の機能解析)
鈴木美穂 Miho M. Suzuki, 佐藤矩行 Noriyuki Satoh (京都大 Kyoto Univ.)
Genes expressed in the amphioxus notochord revealed by EST Analysis
(ナメクジウオ脊索で発現する遺伝子群の EST 解析)
高橋文 Aya Takahashi (1,2), Jerry Coyne(1), 呉仲義 Chung-I Wu (1) (1Univ.
of Chicago, 2北海道大 Hokkaido Univ.)
Molecular basis of pheromonal polymorphisms in Drosophila melanogaster
(キイロショウジョウバエにおけるフェロモン多型の遺伝的機構)
高橋淑子 Yoshiko Takahashi, 佐藤有紀 Yuki Satou (奈良先端大 NAIST)
Segmentor: an activity that induces boundary formation during
somite segmentation
(体節の分節化をひきおこす誘導作用)
高島茂雄 Shigeo Takashima, 今岡未佐 Misa Imaoka, 村上柳太郎 Ryutaro Murakami
(山口大 Yamaguchi Univ.)
Growth of the Drosophila hindgut is regulated antagonistically
by dpp and brinker
(ショウジョウバエ後腸の伸長は dpp と brinker が競合的に調節する)
田辺陽一 Yoichi Tanabe(１), 長谷部光泰 Mitsuyasu Hasebe (2)、野崎久義 Hisayoshi
Nozaki (３)、伊藤元己 Motomi Ito(１) (１千葉大 Chiba Univ., ２基生研 NIBB, ３東京大
Tokyo Univ.)
Characterization of MADS-box gene in Charophycean green algae
and origin of Floral homeotic genes
シャジクモ藻類(Charophycean green algae)におけるMADS遺伝子の解析 ～Floral homeotic
遺伝子の起源に関する考察～
塚谷裕一 Hirokazu Tsukaya (基生研 NIBB)
Interpretation of queer morphogenesis of indeterminate leaves
in Monophyllaea spp., from view point of Evo/devo
(モノフィレア属植物(Monophyllaea spp.)における無限葉形成のエボ／デボ的解釈)
堤真紀子 Makiko Tsutsumi, 堀寛 Hiroshi Hori, 古賀章彦 Akihiko Koga
Transposition activity of the medaka transposable element Tol2
(メダカトランスポゾンTol2の転移活性)
渡辺一雄 Kazuo Watanabe, 本多弘明 Hiroaki Honda, 金河大 Dai Kanagawa, *児玉隆治
Ryuji Kodama (広島大 Hiroshima Univ., *基生研 NIBB)
Development of tracheal systems and wing vein during larval and
pupal periods of papilionid butterfly, Papilio polytes
(シロオビアゲハ（Papilio polytes）の幼虫期および蛹期における気管系と翅脈の発生)
** ordered alphabetically
Metazoan Origin and Cadherin Evolution
Tadashi Choku TAKAHASHI and Toshiaki TABATA
JT Biohistory Research Hall
Multicellular organisms are composed of many types of cells
adhered to each other with several kinds of the adhesion molecules.
The multicellular world consists of plantae, animalia and fungi.
All of the three kingdoms are considered to have been evolved
from the unicellular world. At the evolution point of unicellular
to multicellular organisims, there should be the recruitment of
the existing molecules as adhesion molecules to maintain the cell
to cell contacts. Difference in the molecules employed for the
cell to cell adhesion might be separate the multicellular world
into the three kingdoms. In this sense, adhesion molecules characteristic
of each multicellular kingdom might be conserved throughout the
kingdom, and prototypes of such molecules should be present in
the ancestral unicellular organisms. To find such a example, we
focused on the molecules related to the cell adhesion system in
metazoa. Among known adhesion molecules in metazoa, three major
classes have been reported to exist commonly between Protostomia
and Deuterostomia. They are cadherins, integrins, and cell adhesion
molecules belonging to the immunoglobulin superfamily such as
N-CAM in vertebrates and fasciclins in insects. Integrins function
mainly in the cell to substrate interaction, whereas N-CAM, fasciclins
and cadherins work mainly in the cell to cell contact. Adhesion
by N-CAM or fasciclins are calcium ion independent, whereas cadherins
require calcium ion for the adherence. Because the scene of metazoan
origin was certainly in the calcium-containing ocean and the authentic
zootype multicellular system should employ direct cell to cell
adhesion, we considered cadherins as the most important candidates
for the key molecules at the metazoan beginning. If cadherins
were the key molecules for the matazoan origin, and if the Porifera
and eumetazoan animals are monophyletic, Porifera should use cadherins
as the adhesion molecule as in the cases of other metazoa. We
tried to isolate the cDNA encoding the members of cadherin adhesion
systems such as cadherins and catenins from the fresh-water sponge,
Ephydatia fluviatilis using RT-PCR method. We tested plenty
of the degenerated oligo-nucleotide primers designed by referring
the known protein sequences, and some of them worked to amplify
specific products for sponge cadherin and beta-catenin. Full length
cDNA sequences were determined by the application of the RACE
procedures. Deduced amino acid sequence of the sponge beta-catenin
cDNA shows significant similarity to the beta-catenins from vertebrates,
sea urchin, fly and hydra. The number of the armadillo repeats
is conserved from sponge to vertebrates, showing 55% to 59% homology
between sponge and other animals in the overall armadillo repeat
region. Similarity is also observed in the putative alpha-catenin
binding site located just at the amino terminal side of the armadillo
repeat region. These features indicates that the sponge beta-catenin
might interact with the alpha-catenin and with the cytoplasmic
region of the classic cadherins to make up cadherin-catenin cell
adhesion complex. Deduced amino acid sequence of the sponge cadherin
cDNA consists of 1877 residues. This sequence has typical transmembrane
region at amino acid position 1772-1787. In the extracellular
region, there are ten typical cadherin repeats (CR1-10) which
theoretically comprises the eleven cadherin extracellular domain
(EC1-11). The cytoplasmic region is only ninety amino acids long,
which is shorter than those of any known classic cadherins from
the other animals such as vertebrates, fly and sea urchin. Alignment
analysis of the cytoplasmic region between the sponge cadherin
and other metazoan classic cadherins shows that the sponge cadherin
has essential feature for the interaction with the beta-catenin
molecule. This indicates that the isolated sponge cadherin is
the classic type which might be able to work as adhesion molecule.
We next planned to pull out the cadherin prototype from the unicellular
world. First we nominated choanozoa as an organism for searching
the unicellular cadherin family members. Choanoflagellates are
the most probable ancestor of metazoa as suggested by Haeckel.
Many cytological charasteristics are shared between choanoflagellates
and choanocytes of sponge. Some molecular phylogenetic analyses
have also indicated the close relationship between choanozoa and
metazoa. As in the case of sponge, we adopted RT-PCR and RACE
to detect the cDNA encoding cadherin repeat from the choanoflagellata,
Monosiga brevicollis. Successfully obtained cDNA fragment
encoded the the membrane-type cadherin. Although the 5'-RACE still
have not reached to the initiation codon, 3'-RACE provided the
sequence down to the stop codon and poly-A tail. The theoretically
transcribed protein has at least twenty cadherin EC domains and
typical transmembrane region. The putative cytoplasmic region
consists of only forty four amino acids. We could not identify
the motif for beta-catenin binding in this sequence, indicating
that the choanozoan cadherin might not work as the cadherin-catenin
adhesion complex. Through the close examination of the cytoplasmic
regions of the choanozoan and the sponge cadherin to infer if
the choanozoan cadherin is rated as the prototype of metazoan
cadherins, we could find the common characteristics in these two
molecules. Partial homology is observed between the carboxyl half
of the sponge cytoplamic region and the short cytoplasmic region
of the choanozoan protein. At the corresponding position in this
alignment, there are two consensus amino acid stretches such as
YXNX and PXXP known as the binding motifs for SH2 domain and SH3
domain, respectively. SH2 and SH3 domains were originally found
in the Src non-receptor-type tyrosine kinase and were reported
to be widely distributed among the so-called adaptor-proteins
playing roles in the signal transduction pathway of the tyrosine
kinase family within the cell. The tyrosine kinase system is well
known as the metazoan specific cascade for the regulation of cell
proliferation. But, our results implicate the possibility that
unicellular organism such as choanozoa also have the tyrosine
kinase for signal transduction. Moreover, cadherin might have
been already present in the unicellular world as signaling molecule
before the metazoan evolution. The acquisition of the beta-catenin
binding site by such cadherin molecule would enable the direct
cross-link between the cell-cell adhesion and the regulation of
cell proliferation which led to the formation of the ancestral
zootype multicellular system. If these speculations are true,
it can be said that the molecular evolution of cadherin was the
key event for the emergence of metazoa.
多細胞動物の起源とカドヘリンの進化
高橋直、田畑寿晃
JT生命誌研究館
多細胞生物の体制はタイプの異なる細胞同士が接着分子を介して高度に組織化されることにより成り立っている。多細胞の世界は植物、動物そして菌界で構成されている。これら三界はすべて単細胞の世界から進化したとされる。単細胞体制から多細胞体制へ進化する場面では細胞同士の集合を維持するために既存の分子を流用して接着分子とすることがおこなわれたはずである。どのような分子がどのように流用されたかという相違が多細胞の世界が三界に分かたれることになった一因だと考えられる。したがって各多細胞界の起源を演出し現在も各界のなかで共有される保存的な接着分子が存在し、かつそのような分子のプロトタイプは祖系単細胞生物に見出すことができると考えられる。我々は後生動物の接着分子についてこの仮説を検証することを試みた。現在までに後生動物で存在が確認されている接着分子のうち、カドヘリン、インテグリン、そして、脊椎動物のN-CAMや昆虫のファシクリンに代表される免疫グロブリン様構造の接着分子、以上主要三群が前口動物と後口動物とに共通して存在することが知られている。このうちインテグリンは細胞－細胞基質間の接着分子として機能し、一方N-CAM・ファシクリンとカドヘリンは細胞-細胞間接着分子である。また、N-CAM・ファシクリンによる接着がカルシウムイオン非依存性なのに対し、カドヘリンによる接着にはカルシウムイオンが必要である。後生動物はカルシウムイオンを含む海の中で進化出現したはずであり、また動物型多細胞体制の確立は細胞と細胞の直接接着抜きには成し得なかったという推論に基づけば、カドヘリンが後生動物の起源において最も重要な役割を担った分子だったという仮説が成り立つ。もしカドヘリンが後生動物の起源の鍵を握る分子であり、海綿動物と真正後生動物とが単系統であるならば、海綿動物も他の後生動物と同様、カドヘリンを接着分子として使っているはずである。そこで淡水海綿の一種、Ephydatia
fluviatilis を用いてRT-PCR法によりカドヘリン細胞接着系分子、すなわちカドヘリンおよびカテニンのcDNA単離を試みた。すでに公表されている他動物の配列を参考に設計したプライマー（degenerated
primer）を多種化学合成し増幅を試みた結果、カドヘリンおよびβカテニンcDNA断片が得られたので、RACE法によりcDNA全長の塩基配列を決定した。海綿βカテニンcDNAの翻訳アミノ酸配列は、脊椎動物、ウニ、ショウジョウバエ、およびヒドラ等、他の後生動物βカテニンと高い相同性を示す。βカテニンの最大の特徴であるアルマジロリピートの数も海綿から脊椎動物に至るまで12で一定である。このアルマジロリピート領域全体における海綿と他動物との相同性は55％～59％である。アルマジロリピート領域のすぐアミノ末端側に隣接するαカテニン結合領域とされる部分でも海綿と他動物の分子との間には明らかな類似性が認められる。これらの特徴は海綿βカテニンがαカテニンやクラシックカドヘリンと結合してカドヘリン-カテニン複合体を構築し、細胞接着系として機能することを強く示唆する。海綿カドヘリンcDNAを翻訳したタンパクは全体で1877アミノ酸からなり、アミノ末端から1772～1787番目の領域に典型的な膜貫通部位を持つ細胞膜局在型分子である。細胞外領域には10ヶのカドヘリンリピート配列が認められ、立体構造上は細胞外領域が11ヶのカドヘリン特有繰返し構造（ECドメイン）を持つと推定される。細胞内領域は90アミノ酸から構成されているが、これは脊椎動物、ウニ、ハエ等のこれまで報告されているどのカドヘリンのものより著しく短い。しかし、細胞内領域を他の後生動物カドヘリンと比較すると、マウスやハエ等で実験によって示されているβカテニン結合領域と相同な配列が存在することが認められるので、得られた海綿カドヘリンcDNAはβカテニンと複合体を形成し接着分子として機能するクラシックタイプカドヘリンのものだと判断される。次に海綿クラシックカドヘリンのプロトタイプを単細胞の世界に探し求めた。まず、ヘッケルが後生動物に進化した最有力候補だと指摘した立襟鞭毛虫から単細胞生物カドヘリンの単離を試みることにした。海綿の襟細胞と立襟鞭毛虫との細胞学的類似は広く知られているところであり、また分子系統解析によっても立襟鞭毛虫と後生動物の近縁性は支持されつつある。海綿の場合と同様なRT-PCRとRACE解析によりカドヘリンリピートcDNAの検出を行なった結果、海水棲立襟鞭毛虫、Monosiga
brevicollis から細胞膜局在型カドヘリンのcDNAを得ることが出来た。cDNA5'端は開始コドンまで伸びていないが、3'端は終止コドンおよび下流の非翻訳領域全長を含んでいる。その翻訳アミノ酸配列は、少なくとも20ヶのECドメインと典型的膜貫通部位を有している。細胞内領域は44アミノ酸と非がって、この立襟鞭毛虫カドヘリンがカドヘリン-カテニン複合体を構成して細胞接着分子として機能する可能性は低いが、興味深い共通性を海綿カドヘリンの細胞内領域との間に認めることができる。立襟鞭毛虫カドヘリン細胞内領域にはYXNXおよびPXXPという、それぞれSH2ドメイン、およびSH3ドメインの結合コンセンサス配列を見出すことができるが、ホモロジー解析の結果海綿カドヘリンの相同部位にもこれらのモチーフが認められ、立襟鞭毛虫カドヘリンが海綿カドヘリン、ひいては後生動物カドヘリンのプロトタイプである可能性が高い。SH2およびSH3ドメインは、非受容体型チロシンキナーゼであるSrcにおいて最初に見出されたタンパクモジュールで、今日ではチロシンキナーゼ系情報伝達経路においてアダプタータンパクと総称されるタンパク群に広く存在するモジュールであることが分かっている。チロシンキナーゼ系は主として増殖制御等において機能する後生動物特有の分子群だと考えられてきた。しかし、我々の解析結果は立襟鞭毛虫のような単細胞生物にもチロシンキナーゼ系情報伝達経路が存在することや、プロトタイプカドヘリンは情報伝達分子として後生動物の出現以前に単細胞生物にすでに存在していたという可能性を示唆している。そのようなカドヘリンプロトタイプがβカテニン結合能力を獲得することにより、細胞間接着と細胞増殖とを直接連鎖させて制御することを可能にし、動物型多細胞生物の共通祖先を生み出すことになったと考えられる。以上の議論が間違っていないとすれば、カドヘリン分子の進化は後生動物の起源の鍵であったといってよいだろう。
A non-cell-autonomous function of Arabidopsis TERMINAL FLOWER 1 is exerted by developmentally regulated protein trafficking
Koji Goto
Institute for Chemical Research, Kyoto University. Uji, 611-0011, Japan.
The above ground part of plants is produced from the shoot
apical meristem (SAM), which consists of three cellular layers,
called L1, L2, and L3. The coordinate growth and differentiation
of the cells within these layers is essential for organ morphogenesis.
Thus, cell-cell communication plays an important role in plant
cell differentiation, which is dependent on position rather than
lineage. The TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) gene
of Arabidopsis serves a key function in the differentiation of
SAM during development. However, TFL1 is expressed only
in the subapical region (inner region of L3 layer) of the vegetative
and inflorescence meristem. To reveal the molecular mechanism
of the non-cell-autonomous function of TFL1, we observed
the localization of TFL1 protein using fusions of green fluorescent
protein (GFP) and TFL1. In this study, we demonstrate that the
TFL1 protein is transmitted from L3 to the outer layers, and suggest
that this protein trafficking is regulated by the developmental
phase of the meristem. We also indicate that the ectopic L1-specific
expression of TFL1 rescues the tfl1 mutant phenotype.
The developmentally regulated TFL1 protein trafficking gives rise
to the interlayer signaling responsible for the coordinate differentiation
of the meristem.
植物茎頂のアイデンティティーを決めるTFL1タンパク質の細胞間移動は、
メリステムの発生段階にともなって制御されている
後藤 弘爾
京都大学 化学研究所
植物の地上部は茎頂分裂組織が分化することで形成される。その茎頂は、L1、L2、L3と呼ばれる三層の構造から出来ている。これらの層内の細胞は相互に混じることがほとんど無いので、別々の細胞系列である。しかし、各器官の形態形成には、これら三層の細胞が協調的に分裂、分化することが重要である。従って、細胞移動や細胞系譜の殆ど無い植物細胞においては、細胞間コミュニケーションは発生過程において重要な役割を担っているということができる。
アラビドプシスのTFL1遺伝子は茎頂分裂組織の発生分化に重要な働きをしている。しかしその発現領域は、茎頂分裂組織の内側の一部(L3の内部)に限られている。これはTFL1が発現している細胞とは、非自律的に機能していることを示唆する。そこでわれわれは、TFL1タンパク質の細胞非自律的な機能の分子レベルでの解明を目指して、組織内でのTFL1タンパク質の局在をGFP融合タンパク質を利用して調べた。
実験結果からは、TFL1タンパク質はL3からL1へと移動しており、そしてその細胞間移動は茎頂の発生段階によって制御されていることが示された。さらに、TFL1遺伝子をL1細胞特異的に発現させることによって、tfl1突然変異を回復させられることも示された。以上のことから、TFL1タンパク質は、茎頂の発生段階によって細胞間を移動し、そのシグナル移動によって三層間の細胞分化が協調するように制御していると考えられる。
Maintenance of germinal micronuclei as ﾒstem nucleiﾓ in Paramecium
Kazuyuki Mikami
EEC, Miyagi University of Education, Sendai, 980-0845 Japan
Nuclear dimorphism
Paramecium is a unicellular eukaryote. Its features
are the differentiation of nuclei into the somatic macronucleus
and the germinal micronucleus. Each cell of Paramecium caudatum
has both types of nuclei, that is, one micronucleus and one macronucleus.
The macronucleus is polygenomic and transcriptionally very active,
while the micronucleus is diploid and almost inert. The mean length
of micronuclear DNAs would be much longer than that of the macronucleus.
During vegetative phase, cells reproduce by binary fission with
the nuclear division of both types of nuclei. The differentiation
from the macronucleus to the micronucleus or vice versa has never
been known during the vegetative phase.
One-way differentiation of the micronucleus to the macronucleus
during conjugation
Only differentiation from the micronucleus to the macronucleus
occurs after conjugation, whereas that from the macronucleus to
the micronucleus does not take place. The vegetative cells can
become mating-reactive under a certain condition. When mating
reactive cells of complementary mating type are encountered, they
form mating pairs and go into conjugation. The germinal micronucleus
undergoes meiosis and produces four haploid nuclei. One of them
enters into a bulge of the cell (called paroral cone) and survives
there, while the other 3 out of the region degenerate. The phenomenon
seems to be apoptotic. The surviving haploid nucleus divides mitotically
and produces a migratory pronucleus and a stationary pronucleus
(gametogenesis). After reciprocal exchange of the migratory pronuclei
between mating cells, fusion of the stationary and the migratory
nuclei occurs to produce a synkaryon in each of the mating cells
(fertilization).
Mating pairs separate after the first division of the synkaryon.
The postzygotic nuclei undergo the second division and produce
4 diploid nuclei. At the third nuclear division, the cell shortens
in length and the spindles elongate longitudinally so that the
nuclear division products are localized anteroposteriorly at the
both ends of the cell. The postzygotic nuclei localized in the
anterior part of the cell become presumptive micronuclei and the
ones localized in the posterior part become macronuclear anlagen
(new macronuclei). This means that some positional information
determines the direction of nuclear differentiation.
Almost all micronuclear behaviour during conjugation is under
the control of the macronucleus except for micronuclear divisions.
The micronucleus is able to undergo repeated divisions at any
stage of conjugation in the absence of the macronucleus once the
factor (micDIF, micronuclear division inducing factor) has been
produced by the macronucleus (Mikami, 1996). The morphology of
the macronucleus does not change during conjugation but does at
the critical stage of nuclear differentiation. The macronucleus
becomes ribbon-like structure and fragmented into small pieces.
The differentiation potency of the micronucleus during conjugation
The micronuclei do not lose their feature of the micronucleus
as ﾒstem nucleiﾓ during stages of conjugation such as meiosis,
gametogenesis and mitosis after fertilization. When the synkarya
or the nuclei localized posterior part of the cell at the critical
stage of nuclear differentiation were transplanted into vegetative
cells, the transplanted nuclei remain as micronuclei in the cells
and produce new macro- and micronuclei when cells are induced
to conjugate (Mikami, 1985; Harumoto and Hiwatashi, 1982).
At the first and the second postconjugational cell division, the
4 macronuclear anlagen are distributed to each daughter cell.
During the developmental process, the DNA of the micronucleus
reorganized to be macronuclear DNA. As mentioned above, chromosomal
DNAs are different in size between the macronucleus and the micronucleus.
The formation of the macronuclear genome is the result of extensive
DNA processing of the micronuclear genome. The events include
the elimination of specific micronuclear sequences, DNA splicing
and fragmentation of germline chromosome into subchromosomal fragments.
The strategy for remaining ﾒstemﾓ micronuclei
During conjugation, the micronucleus plays an indispensable
role in the postconjugational development of oral apparatus. When
conjugation is induced between amicronucleate cells, none of the
exconjugants form food vacuoles, whereas food vacuole formation
normally occurs in both exconjugants after conjugation between
amicronucleate cells and micronucleate cells (Mikami, 1979). According
to micronuclear transplantation experiments, the micronuclear
functioning is at the stage of gametogenesis and/or fertilization.
It is known that the germinal micronucleus at the stages of gametogenesis
and/or fertilization has an indispensable function for the postconjugational
development of oral apparatus (stomatogenesis). This function
is not due to some specific genes in the micronucleus, postconjugational
stomatogenesis by using hypohaploid clones that have various types
of nullisomic micronuclei. Therefore, cells without the micronuclei
cannot survive after conjugation.
Continuity of the stem micronuclei
New macronuclei and micronuclei are produced always from the
micronucleus during the conjugational process. Thus, the germ-line
is continued by the micronucleus. There are 4 presumptive micronuclei
in an exconjugant cell. To arrive at the uni-micronuclear condition,
the number of nuclei must be reduced. It had been believed that
three of the four presumptive micronuclei degenerate and the fourth
becomes a germ micronucleus. However, recent work revealed that
three micronuclei are still remaining with a dividing micronucleus
at two divisions after conjugation. At least in some strains of
this species, the supernumeral micronuclei remain during some
cell cycles after conjugation but only one of them can divide
at post-conjugational divisions. The micronuclei are also
distributed to the daughters, but only one micronucleus divides.
The micronucleus remains as a ﾒstem nucleusﾓ all thorough the
life cycle.
Identification of an aubergine/piwi homologue
We found a hiwi, aubergine and piwi
homologous gene at the upstream region of histone H4 in P.
caudatum macronuclear DNA. The gene named pap (Paramecium
aubergine/piwi homologue) is transcribed during
vegetative phase. However, the gene must be much required for
developmental process of conjugation, because PAP mRNA was little
detected at stationary phase but increased drastically soon after
induction of conjugation. PAP protein deduced from nucleotide
sequence is composed of 781 aa. When the DNA fragments containing
pap were injected into the macronucleus prior to conjugation (gene
silencing), one of the cells showed an abnormality in macronuclear
differentiation. This shows a possibility of pap gene that
functions on the nuclear differentiation, though we cannot rule
out other possibilities.
The micronucleus has differentiation potency into the macronucleus,
while the differentiation is irreversible. The micronucleus always
gives rise to both types of nuclei, the macronuclei and the micronuclei.
The micronuclei remains always in cells at any time of life cycle.
When the cells lose the micronucleus, the cells cannot survive
after conjugation.
References
Harumoto, T. and Hiwatashi, K. (1982) Exp. Cell Res. 137,
481.
Hiwatashi, K. and Mikami, K. (1989) Int. Rew. Cytol. 114, 1-19.
Mikami, K. (1980) Dev. Biol., 80, 46-55.
Mikami, K. (1985) Develop. Growth and Differ. 27, 21-27.
Mikami, K. (1996) J. Euk. Microbiol. 43, 43-48.
Mikami, K. (2000) In Oocyte fertilization (Tarin and Cano,
Eds.) Springer. (in press)
ゾウリムシにおける“幹細胞核”としての小核とその維持
見上一幸
宮城教育大学環境研究センター
１．二核性
ゾウリムシは単細胞の真核生物である。その特徴は、栄養核としての大核と生殖核としての小核の分化があることである。各細胞は、それぞれ１個の大核と１個の小核を持っている。大核はポリゲノミックで転写活性が高いのに対し、小核は２ｎで、転写活性はほとんどない。小核DNAの長さは、大核のそれよりもはるかに長い。栄養期には、細胞は２分裂によって増えるが、このとき大核と小核も分裂する。分裂によって大核からは大核が、小核からは小核がつくられ、大核から小核が生じることもないし、小核から大核になることもない。
２．接合中の小核から大核への一方向分化
接合後には小核から大核への分化が起こる。しかし、大核から小核への分化は起こらない。栄養期の細胞は、ある条件が調うと接合する能力を得る。接合能を得た相補的な接合型どうしの細胞が出会うと、それらは接合対を形成して接合期に入る。接合が始まると間もなく小核は減数分裂して半数体の４核を生ずる。そのうちの１核は、細胞中央の側面にある囲口錐と呼ばれる場所に移動する。囲口錐に入れなかった３核は退化消失する。これはアポトーシスに似た現象と考えられる。生き残った半数体の１核は、分裂して移動核と静止核を生ずる。接合している２個の細胞の間で、互いに移動核を交換し、それぞれの細胞内では移動核と静止核の融合が起こる（受精）。
接合対は、融合核の第一分裂の後、互いに離れる。融合核は、第二分裂して４核となる。第三分裂で、細胞自身は縮んで丸くなり、同時に核分裂の分裂装置が長軸に沿って長く伸び、その結果細胞の前端に４核が、細胞の後端に４核が位置することになる。細胞の前端に位置した核は仮小核となり、細胞の後端に位置した核は大核の原基となる。すなわち、位置情報が核の分化の方向を決定している。
接合中の小核のほぼすべての行動が、大核の支配のもとにおかれている。減数第一分裂中期に、大核から小核分裂の命令（小核分裂誘導物質）が出され、いったんこの命令が出されると、その後、たとえ大核がなくなっても、繰り返し核分裂を行うことができる（見上、1996）。大核は、接合中、その形態を変えないが、融合核の第三核分裂時に変化が起こる。大核はまずリボン状に崩れ、小さな断片核になる。
３．接合中の小核の分化能
小核は、接合時に減数分裂を行い、配偶子形成を行い、融合核を形成し、新大核を分化するという“幹細胞の核”としての能力を、接合の過程中ずっと失わない。融合核や核分化決定期に後ろに位置した核を小核を持たない栄養期の細胞に移植したとき、移植された核は小核として細胞分裂時に分裂する。さらに、これらの細胞に接合を誘導すると、移植された核は核分化して新しい大核を形成する（見上、1985;
春本、樋渡、1982）。
接合後の第一および第二細胞分裂のときに、４個の大核原基は分配される。この発生過程で、小核のDNAは、大核のDNAに編集される。すでに述べたように、DNAの長さは、大核と小核とで異なる。大核染色体の形成は、小核ゲノムの大規模な編集の結果である。小核特異的な塩基配列の除去や、断片化といった現象を含んでいる。大核の発生がここまで進むと、小核としての分化能を失う。
４．“幹細胞核”としての小核を保持する戦略
小核は接合を完了した細胞の細胞口の形成に不可欠な役割を果たす。小核を持たない細胞の間で接合が誘導されると、接合後の口形成が正常に行われず、すべて細胞は餌を摂ることができずに致死となる（見上、1979）。小核の移植実験で、小核の機能する時期は移動核交換から融合核が形成される時期である。この機能はまだ明らかになっていないが、小核の遺伝子の発現よるものではないと考えられている。いずれにせよ、小核を持たない細胞は接合後に生き残ることはできない。
５．小核の連続性
接合後の新しい大核と小核は、小核からつくられる。したがって、生殖系列は小核によって維持されているといえる。接合を完了した細胞には、４つの仮小核がある。栄養期の細胞は、１個の小核を持っているのであるから、どこかの時期に４仮小核は１核に減らなければならない。これまで４仮小核の３核が消え、１核が、細胞分裂の度に分裂するといわれてきた。しかし、最近の実験結果では、接合後の細胞分裂で分裂できる小核は１核のみであるが、他の３核はすぐに消えるのではなく、接合後、少なくとも数細胞周期の間、残っていることが分かった。
６．aubergine/piwiホモローグ遺伝子の存在確認
我々は、aubergine/piwiホモローグをゾウリムシの大核DNA上に見つけた。この遺伝子は栄養期の細胞で転写されていることがわかり、papと名付けられた。PAPタンパク質は781アミノ酸からできている。この遺伝子は、接合の開始とともに発現量が急激に増大する。このことから、接合の過程で機能していると考えられる。この遺伝子DNAを含む断片を正常な細胞の大核に多量に注射し、接合を誘導すると大核の分化に異常がみられた。この結果は、pap遺伝子が核分化の過程に機能をもつことを支持するが、結論を得るまでには至っていない。
小核は転写活性をほとんど持っていないが、細胞は小核なしでは生きられない。小核は大核に不可逆的に分化できる能力を備え、接合の度に新しい大核と小核に分化する。
参考文献
Harumoto, T. and Hiwatashi, K. (1982) Exp. Cell Res. 137,
481.
Hiwatashi, K. and Mikami, K. (1989) Int. Rew. Cytol. 114, 1-19.
Mikami, K. (1980) Dev. Biol., 80, 46-55.
Mikami, K. (1985) Develop. Growth and Differ. 27, 21-27.
Mikami, K. (1996) J. Euk. Microbiol. 43, 43-48.
Mikami, K. (2000) In Oocyte fertilization (Tarin and Cano,
Eds.) Springer. (in press)
"Where no cell is a permanent cell": Regulation
of Stem Cell Identity in the
Shoot Meristem of Arabidopsis
Heiko Schoof, Michael Lenhard, Rita Gross-Hardt, Achim Haecker
and Thomas Laux
ZMBP Entwicklungsgenetik, Auf der Morgenstelle 1, D-72076 T歟ingen,
Germany. Email: thomas.laux@uni-tuebingen.de
Postembryonic plant development is marked by repetitive organ
formation
from self-perpetuating stem cell systems, the apical meristems.
Within the
shoot meristem, which gives rise to the shoot axis, leaves, flowers
and side
branches, the cells in the center remain pluripotent, whereas
cells at the
periphery enter differentiation. The destiny of each meristem
cell
including the stem cells themselves is determined by its current
position
and not by its clonal origin. Recent genetic and molecular
analyses suggest that stem cells in the shoot meristem are specified
by
signaling from a neighboring cell group and in turn suppress pluripotency
in their peripheral daughters. The specifying cell group is established
early in embryogenesis, most likely before the stem cells. By
a series
of asymmetric divisions it becomes confined to the prospective
shoot meristem.
During postembryonic growth, the changing cellular context of
the shoot
meristem requires permanent reassessment and definition of cell
fate. From
recent data a simple model is proposed in which positional information
within the shoot meristem is provided by interactions of antagonistic
gene
functions promoting either pluripotency or differentiation.
Moussian et al. (1998). EMBO 17, 1799-1809; Mayer et al. (1998).
Cell 95,
805-815.
PIN-pointing the molecular basis of polar auxin transport
Leo Gaeweiler, Jiri Friml, Andreas M殕ler, Eva Benkova, Klaus
Nettesheim and
Klaus Palme
Max-Delbr歡k-Laboratorium in der Max-Planck-Gesellschaft, Carl-von-Linn�-Weg
10,
D-50829 K嗟n, Germany
Auxin is one of the major plant hormones implicated in the
regulation of a variety of developmental processes throughout
a plantﾔs life. Even before the chemical nature of auxins were
known, their polar transport through plant tissue and its importance
was discovered. Polar auxin transport is thought to coordinate
numerous plant processes like phototropic and gravitropic growth,
apical dominance, root formation, and vascular tissue patterning.
We have started a comprehensive molecular-genetic and biochemical
approach to identify molecular components of the polar auxin transport
system and to understand its molecular mechanisms and mode of
regulation. A population of transposon generated Arabidopsis
thaliana mutants was screened for auxin transport deficient
mutants. Several independent, transposon tagged pin1 mutants
were identified and used to isolate the AtPIN1 gene encoding
the putative auxin efflux carrier protein. The AtPIN1 protein
is predicted to be a protein with more than 8 transmembrane domains
sharing similarities with other carrier proteins. The protein
is localised in the plasma membrane at the basal side of vascular
cells in the inflorescence axis. This polar localisation could
be traced back into early stages of embryogenesis. In the embryo
of the gnom mutant the coordinated polar localisation of
the AtPIN1 is defective. Since the GNOM protein is a guanine-nucleotide
exchange factor, GNOM-dependent vesicle trafficking might be involved
in establishing polarity in auxin transport.
Our data suggest that AtPIN1 is a transmembrane component of the
auxin efflux carrier complex. AtPIN1 is a member of a gene
family in Arabidopsis thaliana. Members of this family
differ in their spatio-temporal expression patterns. The AtPIN2
gene is expressed in cortical and epidermal root cells covering
a region from the meristematic to the elongation zone. The AtPIN2
protein was found to be polarly localized to the basal side of
epidermal cells. Atpin2 knock out mutants exhibit agravitropic
root growth. Consequently, we conclude that AtPIN2 is an auxin
efflux carrier protein mediating gravitropic root growth. The
AtPIN3 protein is localised in endodermis cells of the hypocotyl
and inflorescence axis. The predominant lateral membrane localisation
indicates a role in lateral auxin transport. Currently, we are
analysing other members of the PIN gene family in detail.
We have also identified PIN genes in other plant species
like maize, rice and poplar. The high conservation of PIN proteins
from monocot and dicot plant species indicate an important, conserved
function of PIN proteins during plant evolution.
Auxin Signals in Plant Cell Axis Formation and Vascular Development
Christian S. Hardtke, Jim Mattsson, Thomas Berleth1
1 Univ. of Toronto, 25 Willcocks Street, Canada M5S 3B2
Plant cells are capable of responding to orienting cues that
mediate their coordinated differentiation along a common axis.
This capacity is particularly required during vascular differentiation.
The molecular mechanisms directing the differentiation of continuous
vascular cell files are not known, but auxin application as well
as auxin transport inhibition studies indicate an involvement
of IAA in ensuring vascular tissue continuity (1).
Mutations in the Arabidopsis gene MP interfere with
vascular continuity at all stages of development (2). The MP
gene encodes a transcription factor that is highly related to
Auxin Response Factor 1 (ARF1) and both proteins
contain DNA binding domains capable of recognizing functional
control elements in auxin inducible promoters (3, 4). During embryogenesis
as well as post-embryonic organ development, MP is initially
expressed in broad domains that become gradually confined towards
the vascular tissues. Both observations support a role of the
MP gene in relaying auxin dependent signals in control
of vascular development.
While mp mutants and MP overexpressing plants modulate
the responsiveness of plant cells to orienting auxin cues, application
of auxin transport inhibitors can be used to assess the role of
the apical-basal flow of auxin on vascular patterning. In leaves,
auxin transport inhibitor application results in apical (leaf
margin) accumulation versus basal (leaf trace) depletion of vascular
tissue (5). The polarity of this effect, suggests an important
contribution of auxin signals in specifying the Arabidopsis
leaf venation patterns. The deduced auxin distributions are in
agreement with reporter gene expression patterns.
(1) Sachs (1991), Development, Supplement 1,
83-93
(2) Przemeck et al. (1996), Planta 200: 229-237
(3) Hardtke & Berleth (1998), EMBO J. 17, 1405-1411
(4) Ulmasov et al. (1997), Science 276, 1865-1868
(5) Mattsson et al. (1999), 126, 2979-2991
Axis-dependent development of plant organs
Kiyotaka Okada
Department of Botany, Graduate School of Science, Kyoto University
A flower are made from a floral meristem. Arrangement of floral
organs (sepals, petals, stamens, and carpels) in a flower is fixed
in relation to the position of the inflorescence meristem from
which floral meristems are formed. We can imagine two axes crossing
mutually: lateral axis and medial axis in the floral meristem.
In order to understand the mechanism how the axes acts to form
normal pattern of flowers, and further how the axes are formed,
we started investigation of newly-isolated Arabidopsis
mutants.
Flowers of pressed flower (prs) mutant have two
normally-looking sepals at medial position, but have no or underdeveloped
sepals at the lateral position. The other floral organs look to
be normal. In situ hybridization analysis showed the PRS
gene encoding a homeobox is expressed at the lateral ends of young
floral meristem. The result indicates the PRS gene expression
is required for formation and/or growth of lateral sepals. In
addition, the PRS gene is expressed at the lateral ends
of primordia of sepals, petals, and stamens. Although the function
of the PRS gene in the development of these floral organs
is not clear, the expression of the PRS gene is regulated
by the lateral axis in floral meristems and in the floral organ
primordia.
Flowers of another mutant, rabbit ears (rbe), have
lacked or underdeveloped petals at adaxial side, but have normal-looking
petals at the abaxial side. Other floral organs looks to be normal.
We are now getting close behind the gene, but not cloned yet.
However, we are expecting that the RBE gene is expressed
following the medial axis.
In addition, the APETALA1 (AP1) gene and the FILAMENTOUS FLOWER
(FIL) gene are known to express at the adaxial side and at the
abaxial side, respectively, of a floral meristem at very early
stages. The combination of expression of the genes will partition
the lookingly-uniform floral meristem, and will determine the
arrangement and development of floral organ primordia. The mechanism
how to establish the axes should be investigated.
軸方向に依存した植物器官の形成
岡田清孝
京都大学大学院理学研究科植物学教室
若い花は花芽分裂組織とよばれる茎頂分裂組織の一つで、花序分裂組織から形成される。花を構成する花器官（がく片、花弁、雄しべ、心皮）は、花芽分裂組織を上方から眺めた時に花序分裂組織に対してmedial方向およびlateral方向の軸に対称的な位置に形成される。我々は、このような軸方向に従った器官形成の仕組みを解析するために、花の器官の成長が異常になったシロイヌナズナ突然変異体を解析している。シロイヌナズナの花の最も外縁部（第一whorl）には４枚のがく片があるが、その内の２枚のがく片はlateralの位置に、２枚のがく片はmedialの位置にできる。4枚の花弁はlateralとmedialの軸に対して45度ずれた位置にできる。
pressed flower (prs)突然変異体では、lateralの位置にある２枚のがく片が欠失または未発達な状態になるが、medialの位置にある２枚のがく片はほぼ正常に発達する。花器官の種類が変わるホメオティック突然変異体とprs突然変異体との二重突然変異体の花では、器官の種類に因らず第一whorlのlateralの位置にできる器官の発育が遅れることがわかった。したがって、PRS遺伝子は第一whorlの器官の配置と成長に関わると考えられた。染色体歩行法によってクローニングしたPRS遺伝子を用いてin
situハイブリダイゼーションをおこなったところ、PRS遺伝子は若い花芽分裂組織のlateralの位置で発現することがわかった。この結果は、PRS遺伝子のlateralの位置での発現が、この場所にがく片原基を形成するために必要であることを示唆する。一方、PRS遺伝子はすべてのがく片、花弁、雄しべの若い原基のlateralの位置でも発現していることがわかった。この結果は、PRS遺伝子が、側生分裂組織および側生器官原基のlateralの位置で発現する性質を持つことを示している。しかし、prs突然変異体の花は、lateralの位置のがく片以外の花器官の構造には大きな変化がみられないので、PRS遺伝子が器官原基の形成と成長にどのような機能を持っているのかは不明である。
一方、シロイヌナズナのrabbit ear (rbe)突然変異体は、4枚の花弁のうち花茎に近い位置（向軸側）の二枚の花弁が欠失または未発達になるが、背軸側の花弁および他の花器官は正常に発達する。RBE遺伝子はまだ単離されていないが、花芽分裂組織のmedial方向の軸に沿った発現パターンを示すのではないかと想像される。
これらのシロイヌナズナ突然変異体の解析から、花芽分裂組織が作られるとlateralの方向の軸とmedialの方向の軸が形成され、PRS遺伝子の発現はlateralの方向の軸に依存し、RBE遺伝子の発現はmedialの方向の軸に依存すると考えられる。また、花芽分裂組織のごく若い時期では、APETALA1遺伝子は向軸側で、またFILAMENTOUS
FLOWER (FIL)遺伝子は背軸側で発現することが知られている。これらの結果は、一見一様にみえる花芽分裂組織が、同心円状領域（whorl）に加えて、親分裂組織（花序分裂組織）の位置を基準としたlateralとmedialの仮想軸によって領域が分けられていること、を示している。親分裂組織からのシグナルによって、これらの軸形成と部域化が生じるのであろうか。そのシグナルは何か。今後の研究に期待したい。
Induction and segmentation of the mesoderm in fish embryos
Hiroyuki Takeda
National Institute of Genetics, Mishima, Japan
Mesoderm formation and its dorsoventral specification are best
understood in Xenopus while little was known in other vertebrates.
In amphibia the mesoderm differentiates in the equatorial region
through inductive interactions with vegetal blastomeres; the dorsoventral
polarity of the mesoderm also depends on signals from dorsovegetal
blastomeres. Are similar mechanisms involved in teleost development?
We addressed these questions using zebrafish embryos.
Our data demonstrate that zebrafish yolk cell (YC, extra-embryonic
lineage), which is located under the blastoderm, is responsible
for induction and patterning of the mesoderm (Mizuno et al., 1996).
Thus, the teleost YC could be the equivalent of the vegetal endodermal
cell mass in Xenopus. Furthermore, our data suggest that
the vegetal yolk cell mass contains the cytoplamic determinants
responsible for the development of dorsal structures in fish embryos
(Mizuno et al., 1999). Probably the basic mechanisms underlying
the formation of mesoderm are conserved between the teleosts and
the amphibia. However, during early cleavage stages in teleost
development, most cytoplasmic determinants are segregated into
the YC, rather than the blastoderm cells. For this reason, the
teleost exhibits more regulative development than amphibians keeping
pluripotency until later in embryogenesis (mid-gastrula).
Somites are reiterated, epithelial structures within the mesoderm
of the vertebrate embryo that give rise to the vertebrae and muscle
of the trunk and tail. They are derived from the unsegmented,
paraxial mesoderm flanking the notochord and form in an anterior
to posterior sequence as clusters of cells in the mesenchymal,
presomitic mesoderm (PSM) undergo furrow formation and epithelialization.
Precise sequential pattern predicts the existence of an oscillator
within the cells of the PSM which produces a spatial pattern governing
somite formation. her1, a hairy-related gene in
the zebrafish, is expressed in the tailbud and in two or three
stripes in the more anterior PSM. Cell labeling experiments suggested
that the stripes of her1 expression follows a pair-rule
pattern: they correspond to the odd number somites while the intervening
non-expressing stripes correspond to the even number somites (M殕ler,
et al., 1996). However, we recently found that zebrafish her1
expression is not a pair rule but it oscillates in the PSM. The
her1 stripe, which first appears in the tailbud region,
moves in a caudal to rostral direction. A wave leaves the tailbud
region every 30 minutes (one-somite cycle in zebrafish) and takes
1.5 hours to complete one cycle and to disappear (Sawada et al.,
2000). This dynamic expression pattern is highly reminiscent of
that reported for c-hairy1 which provided the first molecular
evidence for an intrinsic clock linked to somite segmentation
(Palmeirim et al., 1997). These findings suggest the presence
of conserved clock mechanism involved in vertebrate segmentation.
Reference
Mizuno et al. Nature 383: 131-132, 1996.
Mizuno et al. Mech. Dev. 81: 51-63, 1999.
M殕ler, et al. Development 122: 2071-2078, 1996.
Palmeirim et al. Cell 91: 639-648, 1997.
Sawada et al. Development, in press.
魚類における中胚葉の誘導と分節機構
武田洋幸
（国立遺伝学研究所）
脊椎動物の初期発生において、中胚葉誘導とその背腹軸の形成は胞胚期から原腸胚期への移行に不可欠の現象である。脊椎動物の背腹軸を形成する機構について、現在最も知見が得られているのは両生類である。両生類胚では、１細胞期の植物極付近に蓄積された細胞質成分の再配置が、将来の背腹軸を予定付けることや中胚葉は植物局側の内胚葉によって誘導されることが明らかになっている。このような機構は両生類に独特の機構なのか、あるいは脊椎動物全般に存在するものなのかは、最近まで議論されることはなかった。本研究では、発生過程の詳細な記載がなされているゼブラフィッシュを材料に用いて、中胚葉誘導因子と背腹軸形成因子の局在を検証した。
最初に卵黄細胞の移植実験で、我々は植物極側に存在する卵黄細胞が魚類における中胚葉誘導とその背腹軸に沿ったパターン形成に重要な役割を担っていることを明らかにした(Mizuno
et al., 1996)。次に我々は、受精直後のゼブラフィッシュ胚の植物極側卵黄半球を除去する手術を行って、その影響を調べた。
卵黄半球の除去を受けた胚では、高率で形態形成の異常が観察された。形態の異常は、まず原腸形成期に胚盾（魚類の形成体）の形成不全として観察されはじめた。覆いかぶせ運動の終了後、形態の異常はさらにいくつかの型に分類できた。それらの型には、背部および頭部構造の形成不全としての連続性が認められた。最も異常の程度が高いものは、まったく背腹の差異がみられず、回転対称形を呈した。これらの形態異常は、紫外線照射によって誘発される両生類の腹側化胚に類似している。異常胚の出現率は、植物半球の卵黄除去を行ったステージが進行するに従って、徐々に減少した。受精後20分までの除去では、すべてが異常胚となったが、８細胞期処理では約１割にとどまった(Mizuno
et al., 1999)。
以上の結果より、ゼブラフィッシュの卵に背腹軸を形成する細胞質因子が存在することが示唆された。また、この因子は、受精後20分までは植物極側の卵黄半球に多く分布するが、８細胞期までに将来背側の胚盤下へ移動するものと思われる。このような受精直後の細胞質因子の移動は、両生類の表層回転に伴う細胞質因子の再配置を連想させる。おそらく、その分子機構は同じであるが、魚は細胞質因子や中胚葉誘導因子の多くは胚体外組織である卵黄細胞に局在する傾向が強い。従って、胚盤は発生の後期まで多分化能を有する調節的発生を示す。
脊椎動物の体幹部は一般に分節的な構造をとる。この分節構造は胚発生の時期に体節形成として初めて明らかとなる。分節構造の形成メカニズムについては、Drosophilaにおいて多くの知見が得られている。しかし、脊椎動物では体節は頭部側から１つずつ形成され、分節の形成過程がDrosophilaとは大きく異なり、そのメカニズムについてはまだよく分かっていない。
脊椎動物の分節形成にはc-hairy1やlunatic fringeが重要な機能を持つと考えられている。これらの遺伝子は、未分節中胚葉でその発現が周期的にON/OFFを繰り返す。その結果として発現領域が波状に移動しているように見える。従って、これらの遺伝子は未分節中胚葉の細胞が体節を形成するタイミングを決めるための分子時計の下流にあると考えられている。
我々は、ゼブラフィッシュにおいて未分節中胚葉に分節的に発現するmesp遺伝子を単離し、その発現パターンを指標にして、未分節中胚葉で発現する他の遺伝子発現を解析した。ゼブラフィッシュにおいては、未分節中胚葉に分節的に発現する遺伝子として、Drosophila
hairy関連遺伝子のゼブラフィッシュher1が知られている。her1は将来の体節の奇数番目（pair-rule）に発現すると報告された（Muller
et al., 1996）。しかし、ゼブラフィッシュmesp-aとher1の発現領域を詳細に比較した結果、her1の発現はpair-ruleではなく、c-hairy1
(Palmeirim et al., 1997)と同様にtailbudから頭部側へ波状に移動することが明らかになった。このことからher1はc-hairy1やlunatic
fringeと同様に、体節形成に関与する分子時計の下流に位置する可能性が高く、魚類を含めた脊椎動物の共通な分子時計の存在が示唆された。
Reference
Mizuno et al. Nature 383: 131-132, 1996.
Mizuno et al. Mech. Dev. 81: 51-63, 1999.
M殕ller, et al. Development 122: 2071-2078, 1996.
Palmeirim et al. Cell 91: 639-648, 1997.
Sawada et al. Development, in press.
Interaction between Wnt and TGF-β signalling pathways during formation of Spemann's organizer
Hiroshi Shibuya
Divisioin of Morphogenesis, Department of Developmental Biology,
National Institute for Basic Biology
Members of the Wnt and TGF-b superfamilies regulate both cell
fate and proliferation during development and tissue maintenance.
In the early amphibian embryo (Xenopus laevis), both Wnt and TGF-b
superfamily signaling cascades are required for establishment
of a dorsal signaling center, Spemann's organizer. Intracellular
proteins of both pathways, upon activation, translocate to the
nucleus to participate in transcriptional complexes. Here we demonstrate
that b-catenin and Lef1/TCF, downstream components of the Wnt
signaling cascade, form a complex with Smad4, an essential mediator
of signals initiated by members of TGF-b growth factor superfamily.
In Xenopus, this interaction directly and synergistically affects
expression of the twin (Xtwn) gene during Spemann's organizer
formation. This is the first demonstration of a physical interaction
between TGF-b and Wnt signaling components in vivo.
TGF-βシグナル分子Smad4のWntシグナルへの関与
澁谷 浩司
岡崎国立共同研究機構 基礎生物学研究所 形態形成研究部門
TGF-bファミリーとWntファミリーは共に種々の生物の初期発生における形態形成や器官形成に関与していることが知られている。これらの増殖因子は細胞膜上の特異的な受容体に結合した後、様々な細胞内伝達因子を介して核内にシグナルが伝えられる。
TGF-bシグナル因子であるSmadファミリーは受容体によりリン酸化され核へ移行、種々の転写因子と複合体を形成し、標的遺伝子の転写を活性化する。一方、Wntシグナルが活性化されるとb-cateninが細胞質内に蓄積し核へ移行、転写因子Lef1/TCFと複合体を形成し、標的遺伝子の転写を活性化する。Xenopus初期胚ではWntシグナルはオーガナイザー因子であるTwinやSiamois遺伝子発現を直接誘導する。我々は不活性型Smad4を用いることにより、WntによるTwin遺伝子の発現誘導にはSmad4が必要であることを示した。培養細胞系を用い分子間相互作用を検討した結果、WntシグナルによってSmad4はb-cateninと共に核移行し、特異的にb-catenin-Lef1と複合体を形成した。次に、Lef1/TCF結合DNA配列を含むレポーターを用いLef1/TCF結合部位依存的な転写活性能を検討した結果、Smad4はレポーター活性を有意に亢進させ、Smad4とb-cateninにより相乗的な活性化を引き起こした。以上の結果から、WntシグナルによってSmad4はb-cateninと共に核移行、Lef1/TCFと複合体を形成し、標的遺伝子の発現を誘導することが示唆された。
Regulatory Genes of CNS Development: Lessons from fly, frog
and
mouse studies
Yoshiki Sasai
Institute for Frontier Medical Sciences
In Amphibia the central nervous system (CNS) arises from ectoderm
by the inductive activity of the Spemann organizer. Recent molecular
studies have shown that the classical neural inducers such as
Chordin, Noggin and Follistatin are BMP antagonists. In fly Chordin
and BMP homologues also play roles in the formation of the CNS.
Thus, it seems that the principle of the CNS formation is conserved
across species. However, there are many things that cannot be
simply explained by BMP antagonism and other signaling pathways
may be equally important. On this basis I would like to discuss
on what is known and what is to be known in the field of early
development of the CNS in Xenopus and mice.
中枢神経系発生を制御する遺伝子群：ハエ、カエル、マウスからのレッスン
笹井 芳樹
京都大学再生医科学研究所
両生類の神経系の発生はオーガナイザーからの神経誘導シグナルによって開始される。最近の分子生物学的研究から古典的な神経誘導因子はBMPシグナルのアンタゴニストとして働く、Chordin,
Noggin, Follistatinなどであることが明らかになった。ChordinやＢＭＰはショウジョウバエ胚のCNSの形成も制御することが判明し、この原理は普遍的なように思える。しかし、これはまだある断面を捉えただけのことでないだろうか。神経上皮の形成の他の制御系についてはまだまだ不明な点が多いが、カエルやマウスの神経分化制御について、これらのことを踏まえ討論したい
Evolution of Antp-class Genes and Differential Expression
of Hydra Hox/paraHox genes in Anterior Patterning
Brigitte Galliot, Fran腔ise Mazet, C仕ric Berney, Jan Pawlowski
and Dominique Gauchat
Department of Zoology and Animal Biology, University of Geneva,
Switzerland
Antp-class genes and animal axis definition during development
The discovery of structural and functional homologies between
regulatory genes used by most bilaterians during their development,
led to the hypothesis that animals would share a common set of
genes for defining the head, trunk and posterior regions at early
developmental stages (1-5). The proposed genes were homeobox genes
belonging to the Antp- and Prd-classes. Phylogenetic analyses
of homeodomain sequences proved the monophyly of the Antp-class
and its position as a sister group to the Prd-class (6). Within
the Antp-class, the Hox gene organisation is enigmatic:
the genes map in clusters and the order of individual genes within
a cluster correlates with their temporo-spatial expression pattern
along the anterior-posterior body axis during development (7).
Recently, it was proposed that the common bilaterian ancestor
of protostomes and deuterostomes had at least seven Hox
genes (8). However, the composition of the ancestral HOX cluster
remains unsolved. It might harbor three ancestral genes, precursors
for the 5ﾕ posterior (PG-9), the central trunk (PG-4/6) and the
3' anterior (PG-1/2) genes respectively (9), similarly to the
paraHOX cluster organisation observed in amphioxus (10). But analysis
of a more complete dataset rather suggested that an original and
ancient split occurred between the anterior and posterior Hox
genes, which later on duplicated separately (11). Because the
Cnidaria can be regarded as the sister group to the Bilateria,
their Antp-related sequences have been extensively analysed (see
ref. in (12). However, the characterization of diploblastic Hox/paraHox
families and their possible relatedness to triplobastic families
is still unclear (13,14). Moreover, although the expression analyses
suggested that several cnidarian Antp-class genes are involved
in patterning (15-19), the developmental role of the cnidarian
Hox-related genes at the time the oral/aboral axis is defined,
remained confuse. We have thus reconsidered the phylogeny of the
whole Antp-class of homeobox genes in light of three Hydra
genes we have recently identified (Dlx Hv, Cnot Hv
and CnHex Hv). In addition, we have investigated the chromosomal
clustering of three Hydra Hox/paraHox genes and
their differential temporo-spatial regulation during budding and
regeneration.
Early evolution of Antp-class HDs
The phylogenetic analysis performed on a representative
set of 200 Antp-class HDs sequences showed that Antp-class genes
belong either to non-Hox or to Hox/paraHox families.
Among the 13 non-Hox families, 9 have diploblastic homologs,
Msx, Emx, Barx, Evx, Tlx, NK-2,
Prh/Hex, Not and Dlx. Among the Hox/paraHox,
poriferan sequences were not found and the cnidarian sequences
formed at least 5 distinct cnox families. Two are significantly
related to the paraHox Gsx (cnox-2) and the
mox (cnox-5) sequences, while three display some
relatedness to the Hox PG-1 (cnox-1), PG-9 (cnox-3)
and the paraHox cdx (cnox-4). Non-Hox genes
are likely the most ancestral ones, whereas Hox/paraHox
genes would be more recent. According to the ambiguous position
of the Evx HD sequence and its chromosomal linkage to the Hox
gene(s) in coral (20) and mammals (21), one might propose that
Hox genes derived from an Evx-like ancestor gene that duplicated
before the cnidarians diverged. As both Hox and paraHox
genes are present in cnidarians, the duplication of an ancestral
minimal cluster of two or three proto-Hox genes predating
the Cnidaria divergence is a plausible scenario. In Hydra,
cnox-1 and cnox-3 were not found chromosomally linked
within a 150 kb range, reflecting possibly the rather phylogenetically
derived position of Hydra within the Cnidaria phylum and
the loss of clustering along evolution. Interestingly, none of
the Hox/paraHox central genes (PG-3 to PG-8 and lox),
were found in cnidarians, which thus probably emerged independently
after the divergence of the Cnidaria phylum or alternatively disappeared
during the Cnidaria evolution.
Apical differentiation and Hox/ParaHox
gene expression
In Hydra, cnox-1, cnox-2 and cnox-3
displayed specific expression patterns in the adult head. During
regeneration, cnox-1 was expressed as an immediate/early
gene whatever the polarity. In contrast, cnox-2 was found
specifically up-regulated in the head-regenerating stump at a
later stage. Finally, cnox-3 expression was reestablished
in the adult head once it is fully formed. These results suggest
that the Hox/paraHox anterior-related genes are involved
at different stages of apical differentiation in Hydra.
In bilaterians, PG-1 and Gsx genes are involved
in the differentiation of anterior embryonic regions (7,10). Thus
this anterior function might have been retained from diploblasts
to triploblastics, similarly to the conserved role of the emx
Antp-class gene (18) and the prdl-a Paired-class gene (22)
during head patterning. In contrast, the cnox-3 gene, which
displays some relatedness with the posterior Hox genes,
was not found involved neither in basal nor in apical differentiation.
These results suggest that the positional information defining
the oral/aboral axis in Hydra cannot strictly be correlated
to that characterizing the anterior-posterior axis in bilaterians:
head formation but not axis differentiation can be traced back
in the cnidarians (23).
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Amphioxus Hox and ParaHox clusters: ended or never ending?
Carolina Minguill溶*, David E.K. Ferrier*,, Peter W.H. Holland and Jordi Garcia-Fern�ndez*
*Departament de Gen春ica, Facultat de Biologia, Universitat
de Barcelona. Barcelona, Spain
Division of Zoology, School of Animal and Microbial Sciences,
University of Reading, Reading, United Kingdom
Amphioxus (Cephalochordata) are thought to be the closest living
relative to the vertebrates: comparative embryology and anatomy
suggest that they are living descendants from a critical stage
in vertebrate evolution. The amphioxus genome appears to reflect
the pre-vertebrate stage, prior to the genome-wide duplications
that may have facilitated the evolution of vertebrate body plan.
The amphioxus single Hox cluster provides a good example to illustrate
this archetypal nature. The initial cloning of the amphioxus cluster
allowed the isolation of 10 genes (AmphiHox-1 to -10) spanning
270 Kb, but the strategy used in this work precluded the isolation
of posterior genes related to vertebrate paralogous groups 11
to 13 due to sequence divergence.
We have now continued the genomic walk upstream the cluster for
about 100 Kb and checked for positive signals with an helix-3
degenerated primer. Surprisingly, we have found 4 new Hox genes
(AmphiHox-11, -12, -13 and -14). Thus, amphioxus is the first
animal in which a Hox 14 gene has been found, and possesses the
most Hox gene-rich cluster to date. It seems apparent that the
posterior end of the amphioxus cluster is not as "archetypal"
as the central and anterior parts, where one-to-one homologies
are evident between lancelet and vertebrate genes (at least up
to group 8). The "posterior" class genes (AmphiHox-9
to 14) can not easily be ascribed to particular vertebrate class,
so they number only reflects position in the cluster. This data
may reflect two evolutionary scenarios with respect to the evolution
of the Hox cluster in Chordates: 1) pro-ortology of amphioxus
genes, where each posterior AmphiHox gene is orthologous to the
ancestor of the whole set of paralogous of that group; 2) semi-pro-ortology
of the amphioxus genes, where independent tandem duplications
occurred in the amphioxus lineage and in the vertebrate lineage
before cluster duplication. In the former, the common ancestor
of vertebrates and cephalochordates may had a cluster of 13 or
more genes. In the latter, it may had only 9 genes (only one posterior
genes). A third scenario, mixture of the two above, is also possible.
In order to investigate the evolutionary relationships between
chordate Posterior Hox genes we performed molecular phylogenetic
analyses with the homeodomain and six amino acid flanking residues.
In our analyses, the amphioxus genes group neither with themselves,
nor with individual vertebrate genes. A similar behaviour is seen
for the rest of pre-vertebrate posterior genes. All posterior
genes collapse in an unresolved politomy. We propose that deuterostome
posterior genes are evolving at a faster rate that the rest of
the cluster and that protostome posterior genes. We call this
distinctive behaviour of the deuterostome posterior genes Posterior
Flexibility, and favour the scenario in which the vertebrate ancestor
had a cluster with at least 13 Hox genes, with pro-ortology of
the amphioxus genes having been obscured by Posterior Flexibility.
The never ending story of the amphioxus cluster may end if Evx
is found linked to the cluster: we have cloned two linked evx
genes and linking(?) is in progress. And the amphioxus Hox super-family
is also growing and in progress with special relevance to the
ParaHox cluster and the ﾒorphanﾓ Hox-like, Mox gene
SHOOT ORGANIZATION genes regulate the pattern of leaf initiation and the growth of leaf domains in rice.
Jun-Ichi Itoh
Graduate School of Agricultural and Life Sciences, University of Tokyo, Tokyo 113-8657, Japan
The mechanisms regulating the pattern of leaf initiation and
the growth of leaf domains were analyzed using shoot organization
(sho) mutants derived from three loci (SHO1, SHO2
and SHO3). In the early vegetative phase, sho mutants
exhibit rapid leaf production with aberrant phyllotaxy. The leaves
are malformed, thread-like or short and narrow. Their shoot apical
meristems (SAM) are flatter than that of wild type, although their
shape is highly variable among plants of the same genotype. In
situ hybridization experiment probed with histone H4 shows
the frequent and disorganized cell divisions in the sho
SAM, reflecting the rapid and aberrant leaf production. Therefore,
it is considered that SHO genes regulate the leaf initiation
pattern by maintaining proper SAM structure and the cell division
activity. We also investigate the expression pattern of a rice
homeobox gene, OSH1, as a marker of indeterminate cells
by in situ hybridization. In the sho SAMs, the expression
domain of OSH1 is reduced and unstable, suggesting that
there exist a small number of indeterminate cells and a large
number of determinate cells distributing unusually in the sho
SAM.
The sho plants recover normal phyllotaxy and shoot architecture
in the late vegetative phase. In the transition stage, however,
the leaf phenotypes are variable; thread-like, bi- or trifurcated,
deletion of the lateral domain, separation of midrib, etc. Scanning
electron microscopy and histological observation strongly suggest
that the sho2 leaf phenotypes are caused by the suppression
of the growth in one or two leaf domains and by the unsynchronous
growth among leaf domains. Therefore, rice leaf will be composed
of three domains (central, lateral and marginal domains) along
the central-marginal axis. Under the sho2 mutation background,
these domains can grow independently.
In conclusion, sho mutations affect the pattern of
leaf initiation (phyllotaxy and plastochron) and the growth of
leaf domains. The sho phenotypes are likely to be caused
by the abnormalities in the SAM structure, cell division activity
and the determination of the cell fate in the SAM. Accordingly,
it is considered that SHO genes are required for the maintenance
of the proper SAM organization.
葉の分化様式と葉の領域の生長を制御する
イネSHOOT ORGANIZATION遺伝子の解析
伊藤 純一
東京大学大学院農学生命科学研究科
葉の分化様式と葉の領域の生長に関与する遺伝的制御機構について、イネshoot organization（sho）変異体を用いて解析を行った。sho変異体は3遺伝子座（SHO1～SHO3）に由来し、発芽初期に多数の糸状の葉を不規則な葉序で分化する。これらの変異体における茎頂分裂組織
(SAM)の形は個体間の変動が大きかったが、野生型に比べ扁平な傾向を示した。sho変異体の発芽後1週間目のSAMにおけるhistone
H4の発現パターンを観察したところ、sho変異体のSAMでは野生型に比べ多数の細胞でhistone
H4の発現が観察された。これらのことからSHO遺伝子は、SAMの構造と細胞分裂活性を制御することによって葉原基の分化様式（葉序、葉間期）を制御していると考えられる。イネホメオボックス遺伝子OSH1は、野生型においてSAMの未分化な細胞で発現するが、葉原基及びその予定領域では発現が抑制される。一方sho変異体のSAMではOSH1の発現パターンは一定ではなく、また多くの場合発現領域が大きく縮小していた。このことからsho変異体のSAMには少数の未分化な細胞が、異常な空間的配置で存在することが明らかとなった。
栄養生長後期になるとsho変異体の異常な葉原基分化は徐々に回復し、葉序も互生へと戻った。しかしその移行期ではsho2変異体の葉の形態は非常に多様であった。これらの葉はすべて糸状の構造と平面的な構造との組み合わせで成り立っており、走査型電子顕微鏡による発生過程の解析からこれらの異常は葉の領域の生長の抑制及び領域間の独立した生長によって引き起こされることが明らかとなった。従ってイネの葉は、中心部-周縁部方向にcentral、lateral、marginalの3つの領域に分けることができ、sho2では、central領域に比べlateral及びmarginal領域の生長が遅れる、または停止することによって、様々な形態の葉が形成されるものと推測された。
これらのことからsho変異体は葉原基の分化様式（葉序、葉間期）と葉の領域の生長が異常となった変異体であり、それはSAMの異常に起因していると考えられる。従って、SHO遺伝子はSAMの構造及びSAM内の細胞分裂活性、細胞運命の決定といったSAMのorganizationの維持に必須な遺伝子であると考えられる。
Cotyledon and shoot apical meristem formation during embryogenesis in Arabidopsis thaliana
Masao Tasaka and Mitsuhiro Aida
Graduate School of Biological Sciences, Nara Institute of Science and Technology
In dicotyledonous plants, two cotyledonary primordia arise
from an apical portion of the globular embryo, and the shoot apical
meristem (SAM) differentiates between these primordia. To investigate
the molecular mechanisms regulating these processes, we analyzed
some mutants which show abnormality in these process in Arabidopsis.
One mutant is cuc (cup-shaped cotyledon), which
has a fused cup-shaped cotyledon and has no SAM. This mutant is
caused by double mutations at two loci, CUC1 and CUC2.
The CUC2 has been cloned, and encodes a plant specific
NAC-domain containing protein. The second mutant is stm
(shoot meristemless), which has weakly fused cotyledons
and has no SAM. The STM also has been cloned, and encodes
homeodomain containing protein. Genetic and expression analyses
of these mutants indicate that CUC1 and CUC2 are
redundantly required for expression of STM to form the
SAM, and that STM is required for spatial expression of
CUC2 to separate cotyledons completely. The third mutant
is pin (pin-formed). Cotyledons of this mutant frequently
show abnormality, such as fusion or alteration in number and position,
but have a SAM. The PIN has been cloned and encodes a putative
auxin efflux carrier. Genetic and expression analyses of pin
and cuc suggest that auxin distribution in early embryo
seems to be important for proper expression of CUC2 and
two symmetrical cotyledon formation.
シロイヌナズナの胚発生過程における子葉と頂芽分裂組織の形成
田坂昌生、相田光宏
奈良先端科学技術大学院大学、バイオサイエンス研究科
双子葉植物の胚発生過程では胚の上部に２つの子葉原基が形成されその境目の中央から茎頂分裂組織ができてくる。これらの器官や組織がどのような分子機構でできてくるかを明らかにするために我々はシロイヌナズナの幾つかの突然変異株を用いた解析を行った。最初の変異株はcuc (cup-shaped cotyledon)である。この変異株は一つのカップ型の子葉を持ち、茎頂分裂組織が形成されない。この変異はCUC1,CUC2の二つの遺伝子の二重変異によってひき起こされており、CUC2は単離されている。この遺伝子産物は植物でのみ良く保存されているNACドメインを持っている。２番目の変異株はstm(shoot meristemless)でこの変異株の芽生えの葉柄が融合した子葉を持ち、頂芽分裂組織ができない。この遺伝子の既に単離されており、遺伝子産物はホメオドメインを持っている。これらの変異株はどちらも芽生えで致死である。遺伝学的、分子組織学的解析からCUC1およびCUC2遺伝子は茎頂分裂組織形成に重要であるSTMの発現誘導に必要であり、子葉が完全に分離するにはSTMによってCUC２が正しい場所で発現する様に調節される事が重要である事が明らかになった。次に、３番目のpin(pin-formed)変異株を用いた研究を行った。この変異株は３枚の子葉、一枚の子葉、カップ型の子葉など子葉の数や形態にいろいろな変異を持っている。しかし、茎頂分裂組織は形成される。PIN遺伝子はオーキシンの細胞外流出担体をコードしている。この変異株とcucとの関係を調べた結果から、オーキシンの分布が、CUC2が正確な場所で発現する事及び二枚の対称性を持った子葉を形成するために重要な働きをする事が示唆された。
Imprinting of Polycomb Genes during Plant Reproduction
Tetsu Kinoshita, Tomohiro Kiyosue, Ramin Yadegari, Nir Ohad,
and
Robert L. Fischer
A fundamental problem in biology is to understand how fertilization
initiates reproductive development. During plant reproduction,
one sperm fuses with the egg to form an embryo, whereas a second
sperm fuses with the adjacent central cell nucleus that replicates
to form an endosperm that supports embryo and/or seedling development.
To understand mechanisms that initiate reproduction, we isolated
mutations in Arabidopsis that allow for replication of the central
cell and subsequent endosperm development without fertilization.
We cloned two genes, FIE and MEA, and showed that
they encode WD and SET domain polycomb proteins, respectively.
In Drosophila and mammals, polycomb proteins function in chromatin
protein complexes that repress homeotic gene transcription. We
propose a model whereby FIE and MEA polycomb proteins function
in a complex to suppress a critical aspect of early plant reproduction,
endosperm development. To test our model, we have shown that FIE
and MEA, like their Drosophila and mammalian orthologs, directly
interact in the yeast two-hybrid system.
In addition to their pre-fertilization phenotype (i.e., fertilization-independent
endosperm), mea and fie mutations have a post-fertilization
phenotype. When a mutant maternal allele is inherited, endosperm
is overproduced, the embryo aborts, and the seed is nonviable,
even when the paternal allele is wild type. Thus, only the maternal
FIE and MEA wild-type alleles are required for proper
seed development. We have found that the molecular mechanism responsible
for the parent-of-origin effects of mea mutations on seed
development involves imprinting.
Imprinting is when there is a difference in the level of expression
of paternal-derived and maternal-derived alleles. The parental
conflict theory attempts to explain the evolution of imprinting,
and why this phenomenon is observed in flowering plants and in
mammals. According to this theory, imprinting arose from a conflict
between the maternal and paternal genomes in relation to the transfer
of nutrients from the mother to the embryo via special acquisitive
tissues, the endosperm in plants and the placenta in mammals.
During evolution, a gene that suppresses endosperm development
(e.g., MEA) and restricts nutrient flow to the embryo would
tend to be preferentially expressed by the maternal allele, whereas
the paternal allele would be silenced. By contrast, a gene that
promotes endosperm development, and therefore increases nutrient
flow to the embryo, would tend to be preferentially expressed
by the paternal allele, and the maternal allele would be silenced.
We have found that the paternal allele of the endosperm repressor
gene, MEA is specifically silenced in the endosperm. Thus,
MEA fits within the conceptual context of the parental
conflict model. In the future, we hope to study how imprinted
polycomb genes control endosperm and seed development at the molecular
level.
The role of mammalian Polycomb group gene products
during embryogenesis
Haruhiko Koseki(1), Yoko Mizutani-Koseki(1), Kyo-ichi Isono(1), Takeshi Akasaka(1), Hiroshi Masumoto(2), Motoko Kimura, and Toshinori Nakayama(1)
(1) Department of Molecular Embryology, Graduate School of
Medicine Chiba University, 1-8-1 Inohana, Chuo-ku, Chiba 260-8670,
Japan
(2) Nagoya University
Polycomb-group (Pc-G) genes were first identified
as a group of genes required for the appropriate expression of
Hox cluster genes through the control of higher-order chromatin
structures in Drosophila melanogaster. Biochemical and
immunohistochemical analyses indicated that Drosophila
Pc-G gene products functioned as a huge multimeric protein complex.
Recently, increasing number of mammalian genes structurally related
to Drosophila Pc-G genes were identified including
mel-18, bmi-1, M33, HPc2, rae-28/Mph1,
Mph2, eed, enx-1 and enx-2 and functional
conservation of Pc-G gene products between vertebrates and invertebrates
were suggested. Genetic analyses using mel-18 and bmi-1deficient
mice revealed essential requirement of mammalian Pc-G gene products
for maintenance of spatially restricted expression of Hox
cluster genes and protection against apoptosis during embryogenesis.
Subcellular localization of Pc-G gene products were investigated
by using monoclonal antibodies against Ring1B, an interactor of
Mel-18 gene product. Strong localization of Ring1B was observed
in the close vicinity of centromeric heterochromatin in interphase
nuclei. Ring1B protein clearly dissociated from the chromatin
and translocated into the cytoplasm in metaphase nuclei. After
metaphase, Pc-G gene products re-entered nuclei and comprised
huge multimeric complex. Thus, re-tethering of Pc-G complex upon
target loci after the metaphase could be affected in lack or overexpression
of certain component of mammalian Pc-G gene products during cell
cycle progression. Involvement of Pc-G gene products in monoallelic
gene expression will also be discussed.
脊椎動物 ポリコーム群タンパクの機能
古関明彦(1)、赤坂武(1)、磯野協一(1)、古関庸子(1)、木村元子(1)、中山俊憲(1)、舛本寛(2)
(1)千葉大学大学院医学研究科 (2)名古屋大学大学院
ポリコーム群は、ショウジョウバエにおいてホメオボックス遺伝子群の発現をコントロールする遺伝子群として同定され、遺伝学的な検索から約20個の独立した遺伝子座にコードされることが明らかにされている。これらのポリコーム群遺伝子産物は、巨大なタンパク複合体を核内で構成して染色体DNAに結合し、染色体のペアリングに基づく転写制御メカニズムであるTransvection
や Cosuppression などに寄与していることの他、ホメオボックス複合体の転写コントロールやw遺伝子座で見られる
position effect of variegation のようなヘテロクロマチン化を介する転写制御メカニズムに寄与する。ポリコーム遺伝子群の構造的なホモログは哺乳類にも存在し、機能的にも強く保存されていることが示されている。
ほ乳類ポリコーム群のひとつであるMel-18とBmi1を欠損したマウスを用いた解析から、Mel-18とBmi1は初期リンパ球や胎児期の細胞増殖に必須であることとそれが細胞死の抑制を介する機序であることとHox遺伝子群の発現ドメインの維持に必須であることを明らかにした。このようなポリコーム群タンパクは、セントロメア領域に隣接して巨大なタンパク複合体を形成して機能することをMel-18結合タンパクであるRing1Bに対する抗体を用いて示唆した。さらに、この複合体は細胞周期依存的にクロマチンから解離して細胞質に移行し、M期から間期に戻る時に再び核へ戻ることを明らかにした。このことは、ポリコーム群タンパクの過剰発現または逆に発現量の低下は、Hox複合体へのポリコーム群タンパク複合体が再び結合する過程に影響を与えることを示唆している。
Did the genes remain the same? - analysis of homeotic and some other developmental genes in the water flea, Daphnia.
○Yasuhiro Shiga1, Shigeo Hayashi2, and Hideo Yamagata1.
(1Tokyo University of Phramacy and Life Science,
2National Institute of Genetics)
Organisms that belong to Class Crustacea are known to have
highly diverse morphology each other. This diversity is mainly
because of different number of segments and appendages with or
without different morphology that they have. On the other hands,
insects have rather conserved morphology, when compared to crustacans,
and uniformly have three pairs of unbranched thoracic legs. So
what makes this morphological difference; among crusaceans and
between crustaceans and insects, has been of interest for long
years. Surprisingly, recent studies at the molecular levels have
revealed that not only insects but also crustaceans, that have
been analyzed so far, share a almost the same "set"
of developmental genes that have been conserved evolutionally.
So here a new question arose: How could these organisms establish
different body plans by using almost the same set of developmental
genes?
It is well known that Homeotic (Hox) genes play important roles
in the determination of segmental identity along the A/P axis
in many developing organisms. Hox genes encode nuclear proteins
(HOM proteins) that share highly conserved 60 amino acids DNA
binding domain called Homeodomain and are believed either to activate
or repress series of specific downstream target genes so that
the each segmental identity is specifically determined. Then appendages
(or thier primodia) are accuarately formed in certain segments
by the functions of these target genes. It is likely that Hox
genes, in association with other developmental genes, take the
main responsibility for making specific morphology of a organism.
Daphnia magna is a zoo plankton that also belongs to Class Crustacea.
Although this organism had not been analyzed at the molecular
level extensively as yet, it has many advantages as a model organism
for molecular biological study, such as, 1) it is easy to maintain,
2) its life cycle is as short as one week, 3) it normally grows
asexually thus the vast amount of genetically identical clones
can be easily obtained, 4) both of embryos and adult animals have
clear bodies which make it easy to observe internal tissues directly,
and 5) embryos dissected from the brood chamber develop normally
in vitro. Furthermore, this organism has five pairs of highly
branched thoracic legs that have different morphology each other,
with an exception of the third and the fourth ones that look almost
the same. We think, by comparing to the results in Drosophila,
these thoracic legs of Daphnia magna should be a good model to
know what makes morphological difference between crustaceans and
insects at a molecular level and have been studying on this organism.
Here in the first half of this presentation, we would like to
report expression patterns of several Hox genes such as Dapnia
homologues to Sex Combs Reduced (DapScr), Antennapedia (DapAntp),
Ultrabithorax (DapUbx) and Abdominal-A (DapAbd-A) and some other
developmental genes such as those to distal-less (Dapdll), wingless
(Dapwnt-1), and hedgehog (Daphh) that are expressed in thoracic
segments where thoracic legs are formed.
In the second half, we would like to discuss if these developmental
genes had evolved functionally the same or not. As a example,
we have expressed DapAntp as well as Drosophila Antp (DmAntp)
genes in Drosophila embryos at the same condition; by using the
Gal4/UAS system, to see whether DapAntp protein retains the same
functions as those of DmAntp protein. Our data shows that DapAntp
certainly retains the same functions as DmAntp; both can express
teashirt and decapentaplegic genes ectopically and cause head-to-thorax
transformation, but had been evolved to have some different functions
also; only DapAntp can repress distal-less and rhomboid
repression in developing Drosophila embryos.
These analyses demonstrated that contrary to the current idea
that the molecular functions of HOM proteins are conserved, it
can change during evolution. We propose that in addition to changes
in expression pattern and regulatory relationships to downstream
target genes, HOM protein havediverged its molecular functions
and this may have contributed to the diversification of morphology
in arthrododes.
ミジンコの形態形成遺伝子の解析ーホメオティック遺伝子を中心に
○ 志賀靖弘１、林茂生２、山形秀夫１
（１東京薬科大学・生命科学、２国立遺伝学研究所）
甲殻類は、様々な形態を持つ生物群から構成されていることが知られているが、これは体節の数や付属肢の数および形態が、それぞれの種によって大きく異なっていることによる。このような形態の多様性の成立と形態形成遺伝子の分子進化との関係は、以前から興味が持たれており、すでに国内外の幾つかのグループによって、甲殻類および昆虫類の様々な生物から形態形成遺伝子群が単離され分子レベルでの解析がなされているが、驚くべきことにこれまで解析されたこれらの生物には、ほぼ同じような形態形成遺伝子の「セット」が進化的に保存されていることが明らかになった。これらの生物は同じような形態形成遺伝子のセットを使いながら、どのようにして形態の多様性を成立させてきたのだろうか。
ミジンコは、甲殻類に属する動物性プランクトンであり、１）飼育が容易である、２）世代時間が約１週間と短い、３）通常は単為生殖を行うため純系の大量の個体を扱うことができる、4）胚・親個体とも体が透明であり、組織の直接観察が容易である、5）育房から摘出した胚を、試験管中で容易に発生させることができる等、分子発生生物学研究の新しい研究材料として有利な特長を数多く有している。またミジンコは高度に分枝した５対の胸脚を持つが、第３および第４胸脚の形態がほぼ同じことを除けば、それぞれ形態的には全く異なっていることから、先に述べたような形態の多様性を成立させてきた要因を明らかにするための良いモデル系になるのではないかと思われる。
我々のグループでは、現在までにショウジョウバエの Scr, Antp, Ubx, abd-A の相同遺伝子と考えられる４種類のHomeotic
(Hox) 遺伝子、および胸脚の形態形成過程に関与していることが強く予想される dll, dpp, hh, wg の相同遺伝子と考えられる４種類の遺伝子の
cDNA をミジンコ cDNA ライブラリーからクローン化し、それぞれ全塩基配列を決定した。また dpp を除いた各遺伝子に関しては、これらの遺伝子産物に対する特異抗体を用いた免疫染色、あるいは
in situ hybridization を全胚に対して行い、それぞれの遺伝子の発現領域を明らかにした。ミジンコ Scr
(DapScr) は、主に第１・第２小顎の形成される体節で、Antp (DmAntp) は、第２小顎および第１胸脚の形成される体節で、Ubx/Abd-A
(DmUbx/DmAbd-A) は、主に第２から第４胸脚の形成される体節でそれぞれ発現していることを明らかにした。
またミジンコ Antp (DapAntp) とショウジョウバエ Antp (DmAntp) の機能が進化上保存されているか否かを明らかにするために、
ショウジョウバエの Gal4/UAS system を利用して解析した。UAS-DapAntp あるいは UAS-DmAntpを持つ形質転換系統を、distal-less
(dll)-Gal4 を持つ系統と掛け合わせたところ、どちらの組み合わせでもAntpの標的遺伝子である teashirts
(tsh) 遺伝子の頭部における異所的発現が誘導された。また decapentaplegic (dpp)-Gal4 を持つ系統と掛け合わせたところ、どちらの組み合わせでも頭部体節の胸部体節への形質転換が観察された。ショウジョウバエの
Antpの P1 プロモーター領域の下流に Gal4 遺伝子を結合した融合遺伝子である AntpP1-Gal4 を持つ系統と
UAS-DmAntp を掛け合わせた場合、 AntpP1-Gal4の発現領域に応じてDmAntp の標的遺伝子である tsh
遺伝子の発現増強と dpp 遺伝子の異所的発現が観察された。しかしながら、AntpP1-Gal4 と UAS-DapAntp
との掛け合わせでは、tsh 遺伝子の発現増強や dpp 遺伝子の異所的発現は同様に観察されたものの、 胚発生の中～後期から
DmAntp の本来の発現領域である胸腹部の細胞が壊死を起こし始め、最終的には腹部のクチクラが大きく欠損した異常な形態になってしまうことが明らかになった。またこの掛け合わせにおいては、DmAntp
の異所発現では全く影響の見られなかったdll および rhomboid (rho) 遺伝子の発現が、DapAntp の発現領域に応じて消失した。これらの結果から、ミジンコの
Antp とショウジョウバエの Antp は、そのホメオボックス付近での高い相同性と胸部のidentityの決定という同様の機能を保持しているにも拘わらず、少なくともショウジョウバエの中では、互いに異なった新規な機能を持つように進化してきたことが明らかになった。
これらの結果は、これまで考えられてきたように Hox 遺伝子産物の機能は進化上完全に保存されているのではなく、進化の過程で変化している可能性があることを示しており、これまで考えられてきたような
Hox 遺伝子の発現パターンや下流の標的遺伝子の制御機構の変化のみならず、Hox 遺伝子産物の機能そのものの変化も、節足動物の形態の多様性の成立に関係してきたのではないかという仮説を提唱したい。
Developmental origin of insect limbs.
Shigeo Hayashi
National Institute of Gentics, Mishima, Shizuoka-ken Japan.
Embryological analyses of organogenesis often provide a hint to understand evolutional origins of animal organs. We are studying the early phase of insect limb development using Drosophila as a model system. Wings and legs are specified in the form of imaginal discs during embryogenesis. Imaginal discs are sacs of epithelial cells that proliferate during larval stages and upon pupariation evert to form adult structures. We and others have shown that wing and leg discs are specified as a common precursor cells by the combination of signaling activities involving Wingless, Decapentaplegic, and EGF receptor. I will describe how those signals are used to specify the two distinct types of appendages and to determine the earliest "prepattern" in the leg disc. From these results, I will discuss the origin of insect wings.
昆虫の付属肢の起源
林 茂生
国立遺伝学研究所
動物進化において種に固有の構造を持った器官が出現してきた経緯を理解するためには、個体発生においてその器官がどのようにして形成されるかを調べることが有効な手段である。昆虫は多様な形態の脚と翅を進化させてきた。Snodgrassをはじめとする比較形態学者たちによれば分節化した昆虫の脚はたった二つの節のみからなる先祖型から遠位部の節が分節化することで作られた。一方で高等な昆虫を特徴づける器官である翅の進化については議論が分かれている。Wigglessworthを代表とする人々は翅を脚の分岐したものと見なした。多数の分岐を持った先祖型の脚の一部が離れて背側に移動したと考えたのである。Snodgrassはしかし翅を脚とは関係のない新奇なものとしてとらえた。背甲部が両側に翼のように飛び出してやがて翅となったと考えた。こういった議論は比較形態学のみで決着がつくものではない。発生学的な観察、そして形態形成に関わる遺伝子の機能の理解に基づいた議論が今必要とされている。
我々はショウジョウバエの脚と翅の前駆体である成虫原基の形成に着目して、胚発生期にどのようにして脚と翅が作られ、固有の体軸形成システムを獲得するかを研究している。脚原基は形成された当初、将来の遠位部の細胞を近位部の細胞が取り囲む二重円のパターンをとる。これはSnodgrassが想像した先祖型の脚そのものである。これら近位部と遠位部の細胞がどのようにして決定され、二重円のパターンをとるかが脚形成理解の鍵である。我々はこのプロセスが分泌性のシグナル伝達系であるDpp,
Wingless, EGF Receptorによって制御されていることを見いだした。これらのシグナルが刻々と発現パターンと強度を変えることで脚原基が作られる様子を解説する。
翅原基は脚原基と共通の前駆細胞群に由来することが細胞のマーキング実験によって示されている。我々はDppが翅の誘導に強い作用をもち、EGF
Receptorは脚の誘導特異的に働くことをみいだした。二つのシグナルは互いに拮抗することでこの前駆細胞群を翅と脚に分配する働きを持つと考えられる。脚特異的な作用を持つEGF
ReceptorとWinglessは翅形成に対しては抑制的に働く。この結果は翅原基が脚形成シグナルの影響から細胞移動によって逃れることで初めて翅としてのアイデンティティー獲得することを意味している。この事実をもとに翅形成の進化的シナリオを再考してみたい。
Wing / leg identity, evolution of limbs and Tbx genes
Toshihiko Ogura, M.D., Ph.D
Nara Institute of Science and Technology Graduate School of Biological Sciences
Vertebrate limbs provide an excellent model system to analyze
morphologies from two different view points; developmental biology
and evolutionism. Vast amount of recent discoveries in developmental
biology have revealed that the common sets of genes have been
highly conserved during evolution and play key roles during morphogenesis
of vertebrate embryos. This also implies that these common genes
could be good cues to solve the precise mechanisms that drive
the flexible morphological adaptation of tetrapodﾕs limbs. Typical
example of this morphological transformation can be seen in birds.
During evolution, birds acquired specialized forms of forelimb
and hindlimb (wing and leg respectively). This type of specialized
adaptation seems to originate from the distinct and independent
identities of wing and leg.
We have been studying molecular mechanism of determination of
the wing / leg identity in chicken embryos. In this study, we
found that Tbx5 and Tbx4 genes are expressed in wing and leg buds
respectively. When Tbx5 was misexpressed in leg buds by the novel
electroporation technique, wing-like legs arose. Conversely, when
Tbx4 was misexpressed in developing wing buds, leg-like wings
were formed. Dramatic conversion of morphology was accompanied
by altered expression patterns of several Hox9 genes. Interestingly,
when Tbx5 was misexpressed in leg buds, endogenous Tbx4 expression
was suppressed. In contrast, endogenous Tbx5 expression was not
affected even after Tbx4 was misexpressed strongly in wing buds.
These lines of evidence provide important suggestions; 1) Tbx5
acts as a dominant determinant of wing / leg identity. 2) This
dominant action of Tbx5 ensures the independence of wing and leg
morphogenesis. 3) Tbx4 (leg identity) could be the default state
of limb morphology.
Recently we found that Tbx5 plays a key role in both morphogenesis
of eye and the retinotectum projection along its dorsal-ventral
axis. We also found that Tbx5 is expressed exclusively in left
ventricle of heart, implying that Tbx5 regulates asymmetric patterning
of heart. Taken together, our findings suggest that Tbx genes
have been playing central roles in both pattern formation and
evolution of various vertebrate organs.
四肢形態の進化と Tbx 遺伝子
小椋利彦
奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科
脊椎動物の四肢の形態は、発生生物学と進化論の良いモデルシステムとなってきた。これまでの発生生物学の詳細な解析は、肢芽の形態形成に関わる主要な遺伝子群の機能を解明してきたが、同時に、四足動物が出現してからの4
- 5 億年の歴史の中で営まれてきた四肢形態の柔軟な適応と進化を解き明かす糸口をも提供することになった。鳥類は、とくに上肢の形態を特化させ飛行という独特の機能を獲得し、また、人類は微細な動作をおこなえる手の構造を得た。このような四肢の形態の進化は、上肢下肢が別々の
identity を備えることに起因し、独立した形態形成のメカニズムの存在によって可能となる。
これまで我々は、脊椎動物の四肢の形態が、どのような分子メカニズムで制御されているかを研究してきた。このなかで、T-box
型の転写因子である Tbx5、Tbx4 が、それぞれ上肢、下肢の identity の決定に直接関与することを見出した。 ニワトリでTbx5、Tbx4
遺伝子を電気穿孔法によって強制的に発現させると、 wing と leg の形態が逆転した。この形態の転換に伴って、Hox 遺伝子の発現パターンが逆転することも明らかとなった。また、Tbx5
遺伝子を leg に強制発現させたとき、内在性の Tbx4 遺伝子の発現はつよく抑制されたのに対し、Tbx4 遺伝子を wing
に強制発現させたときには本来の Tbx5 遺伝子の発現には変化が見られなかった。このことは、Tbx5 遺伝子が優性に働いていること、Tbx5
の Tbx4 への抑制効果が wing と leg の独立性を確保すること、進化の過程で Tbx4 (leg ) が default
state であることを示唆している。
Tbx5 遺伝子は、肢芽以外にも眼の背腹軸にそった形態や心臓の左右非対称性にも関与していることが、我々の研究からわかってきた。脊椎動物の形態の長い進化の歴史の中で、Tbx
遺伝子は多様な組織、器官形態の適応と変化に中心的な役割を担ってきたと思われる。本シンポジウムでは、Tbx 遺伝子が進化の過程で果たした役割について詳細に議論する。
Development of cricket leg
Yoshiko Inoue, Taro Mito, Sumihare Noji
(Tokushima Univ.)
To understand mechanisms that create a variety of morphologies
of insects, it is important to investigate morphogenesis of evolutionarily
and developmentally different insects at the molecular level.
The mechanism for the holometabolous long-germ insect has been
extensively studied with Drosophila melanogaster. However,
little is known for hemimetabolous insects. The holometabolous
insect makes legs through their imaginal discs, while the hemimetabolous
legs develop from leg buds. Thus, it is an intriguing question
whether molecular mechanism of leg development differs from each
other. As a phylogenetically primitive hemimetabolous insect,
we have focused on the cricket, Gryllus bimaculatus. We
studied expression patterns of the three key signaling molecules,
hedgehog (hh), wingless (wg), and
decapentaplegic (dpp) of Gryllus during leg
development, which are essential during leg development in Drosophila.
In Gryllus embryos, the hh and wg expression
patterns are essentially comparable to those in Drosophila
leg imaginal discs, suggesting the existence of a common mechanism
for leg pattern formation. On the other hand, significant changes
in their expression domains between the two were observed only
for dpp. Since the leg size and shape differ between the
fly and cricket, the changes in the dpp expression pattern
may reflect differences in the leg morphology, implying that dpp
may play a key role to create diverse leg morphology during evolution.
However, due to the lack of functional genetic tests, direct evidence
for the role of developmental genes in the cricket has not been
obtained so far. We attempted to use double-stranded RNA interference
(RNAi), for direct functional analysis of the developmental gene
in the cricket. We chose a leg-specific homeobox gene, aristaless
of the cricket (Gbal), as a target gene for RNAi, which
is orthologous to the Drosophila al. During embryogenesis,
expression of Gbal is detected in each leg segment, and
the distal-most region. The principal features of al expression
patterns in the Gryllus leg bud resemble those in the Drosophila
leg disc. We injected 1 nl of 5 mM dsRNA corresponding to a cDNA
fragment of Gbal into the syncytial blastoderm embryos
at the posterior region where the embryo will develop. As a result,
leg-specific phenotypes could be observed and screened easily
at hatching (13 days after incubation). Various types of leg defects,
including lack of the distal-most structure and various defects
of leg segments, were observed in one or more legs of injected
nymphs. The frequency of the leg-specific defects is 10.2%, N=117.
From the statistically analysis for the frequency of the leg defects
(chi-squared = 87.4, p < 0.005), it is reasonable to conclude
that RNAi works in Gryllus. The relatively low frequency
may be due to lowering of the concentration of dsRNA, as cellular
division proceeds or as developmental time advances, as postulated
in Drosophila as well as in C.elegans. Further analyses
of functions of other genes are now in progress. The RNAi method
will provide a powerful method for understanding mechanisms on
creation of a variety of insect morphology.
コオロギの脚の発生
井上 淑子, 三戸 太郎, 野地 澄晴
（徳島大学 工学部 生物工学科）
昆虫の多様な形態はいかにして生み出されるのか？ この問題を理解するには、発生あるいは進化的に異なる昆虫の形態形成を分子レベルで明らかにすることが必要である。分子レベルでの発生メカニズムの理解は完全変態類であるショウジョウバエにおいて非常に進んでいるが、不完全変態類の昆虫ではこれまで少数の知見が得られているのみである。完全変態類と不完全変態類では脚の形態形成の過程が大きく異なり、完全変態類では成虫原基によって、一方不完全変態類では肢芽の成長によって脚が形成される。一見異なった脚形成過程が共通の分子メカニズムによってなされるのかどうか？ この興味深い問題に取り組むべく、我々は進化的に見て完全変態類より原始的である不完全変態類の昆虫としてコオロギに着目し、まずショウジョウバエの脚形成に必須と考えられている３つのシグナル分子hh,
wg, dppについてコオロギ脚における遺伝子発現パターンを解析した。
コオロギの脚原基におけるhhとwgの発現パターンはそれぞれハエの脚成虫原基における発現パターンと共通の特徴をもち、脚のパターン形成において相互に共通のメカニズムが存在することが示唆された。一方、dppの発現に関しては２種の昆虫の間に差異が認められた。ハエとコオロギでは脚の形態やサイズが異なるが、dppはそのような形態的差異を生み出すための一つの重要な遺伝子として機能していること、すなわちdppが進化の過程で昆虫肢の多様性を生み出す役割をも果たしている可能性が示唆された。
こうした遺伝子発現パターンの解析に基づく推論をより直接的に確かめるための遺伝子機能解析法として、近年多様な生物種で遺伝子機能の新たな解析法として注目されている二本鎖RNAによる遺伝子機能阻害（double
stranded RNA interference; RNAi）をコオロギに応用する試みを行った。RNAiの標的遺伝子として、脚特異的に発現するホメオボックス遺伝子であるコオロギのaristalessを用いた。コオロギaristalessの肢形成初期の発現パターンはハエとよく類似しており、脚の先端に発現が見られ、後に脚の各セグメントに対応して発現する。受精後12時間の多核期に相当するコオロギ卵に対し、胚帯の予定形成領域である卵の後部（卵長の90％位置）にaristaless遺伝子に対応する二重鎖RNA
5 mM、1 nlをインジェクションした所、約13日後に孵化した幼虫には１本ないし２本以上の脚に形態異常を持つものが見られた。脚の形態異常には、主なタイプとして脚の先端の構造の欠失、さらに節の短縮・節間の融合を伴う表現型が見いだされた。一方、脚特異的な変異をもつ幼虫の出現率は10.2％（N
= 117）であった。コントロール群との比較で統計的に明らかな差異が得られたことから (c2 = 87.4, p <
0.005)、脚特異的な変異はRNAiの効果によるものと結論されたが、この比較的低出現率はハエ成虫における変異率（3％以下）や線虫で後期発生～幼虫期に発現する遺伝子に対するRNAiの結果から推測されているように、発生の時間経過や胚の成長に伴う細胞分裂の繰り返しによって細胞内の二本鎖RNA濃度が減少した結果であると考えられる。
コオロギのaristalessの機能についてはさらに詳しい解析が必要であろうが、少なくともコオロギにおけるRNAiの効果が確かめられたことから、ハエで形態形成過程に関わるとされている遺伝子群がコオロギで同様の役割を果たしているか否かが今後比較的容易に理解できるようになると考えられる。これは昆虫の形態形成の多様性が生ずるメカニズムを解明する上での強力な一手法になるであろう。
Molecular And Genetic Analyses Of The Plant Phytomer
Bruce Veit
Institute of Molecular BioSciences, Massey University
Palmerston North, New Zealand
Although higher plants exhibit a variety of complex shoot architectures,
each form can be viewed in terms of the elaboration of a simple
metameric body plan. The phytomer, the basic repeat unit in this
scheme, consists of the stem, leaf, and axillary bud. Through
modifications to each of these elements, characteristic shoot
architectures may be obtained. While the phytomer has been well
described from anatomical and developmental perspectives, only
recently has progress been made towards understanding its molecular
basis. We are using a combination of genetic and molecular approaches
in maize and Arabidopsis to elucidate how the phytomer
is organised and elaborated.
The formation of successive phytomer units at the tips of growing
shoots has been described in the literature from a number of perspectives.
From an anatomical view, leaf primordia emerge at predictable
positions on the flanks of the shoot apex, provididng the first
visible sign the emerging phytomer. Surgical analyses suggest
that the sites at which successive leaves form is determined by
positional cues, possibly in relation to older nearby leaf primordia.
Together with classic lineage analysis experiments, these studies
suggest that each leaf primordium becomes organised from a hundred
or so clonally unrelated cells. These studies also suggest each
leaf primordium has a clonally defined position within the phytomer.
Interestingly, for maize, a model monocot, the leaf tends to be
clonally related to the stem below, while in the model dicot Arabidopsis,
the leaf is most often clonally related to the stem above.
Certain early events in the leaf determination process are beginning
to be understood at a molecular level. For example, in maize,
the down regulation of the homeodomain gene Knotted1, provides
an early marker for leaf founder cell identity. In combination
with other related homeodomain genes, this regulated expression
appears to play an important role in the axial patterning of the
leaf.
To understand earlier events in the elaboration of the phytomer,
we have begun to analyse a unusual class of RNA binding protein
which in maize appears to influence the position and timing of
leaf initiation (Veit et al., 1998). First described in
genetic terms, loss of function mutations to the maize gene terminal
ear 1 (te1) increase the frequency of leaf initiation
and interfere with their normal positioning and patterning. Stem
elements adjacent to these extra leaves are typically shorter
than normal, establishing a genetic relationship between these
two elements of the phytomer. Histological sudies indicate that
leaf emergence occurs earlier and at a higher position on the
apex than normal. Clonal analyses suggest the process of leaf
determination itself is similarly affected.
Cloning of the te1 gene by transposon tagging reveals similarity
with the mei2 gene of Schizosaccharomyces pombe, especially
in three domains thought mediate sequence specific RNA binding.
The highest degree of similarity is seen in the third domain,
which in yeast triggers the nuclear localisation of the MEI2 protein
upon its binding to a non-coding poly A RNA, meiRNA. While the
intracellular behaviour of the TE1 protein remains to be determined,
expression of the gene at the mRNA level in patterns that bracket
leaf initiation sites is consistent with its genetically deduced
function.
To refine our understanding of how MEI2-like proteins might function
in plants, we have begun to characterise this family in Arabidopsis.
Of the half dozen genes sequenced so far, two, TEL1 and
TEL2 (TE-like) show significantly higher similarity
to te1 than to mei2. In situ hybridisation analysis
reveals a banded expression of TEL2 in shoot apices comparable
to that observed for te1 in maize compared to more widespread
expression observed for genes more similar to mei2. The potential
roles of this class of RNA binding proteins in pattern formation
processes in plants and ongoing experiments to address them will
be discussed.
References
Veit, B., Briggs, S., Schmidt, R., Yanofsky, M., Hake, S. (1998).
Regulation of leaf initiation by the terminal ear1 gene
of maize. Nature 393:166-168.
Yamashita, A., Watanabe, Y., Nukina, N. and Yamamoto, M. (1998)
RNA-assisted nuclear transport of the meiotic regulator Mei2p
in fission yeast. Cell 95, 115-123.
A pair of related genes regulating floral transition
Takashi Araki
Department of Botany, Graduate School of Science, Kyoto University
Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japan
1. INTRODUCTION
Post-embryonic development of higher plants depends on the
activity of apical meristems. The shoot apical meristem is responsible
for the aerial structure of the plant body by continuous differentiation
of lateral structures along the body axis, giving rise to its
elaboration and diversity. During post-embryonic development,
lateral structures formed by the shoot apical meristem change
their structure and, eventually, their nature, a phenomenon known
as growth phase transition. In herbaceous plants, the transition
from the vegetative growth phase to the reproductive growth phase,
the floral transition, represents the most important event after
germination.
Genetic and physiological studies using flowering-time mutants
of Arabidopsis thaliana have led to models for genetic
control of floral transition (1). These models suggested that
several interacting pathways promote floral transition. The photoperiod-dependent
pathway is responsible for promotion of flowering in response
to inductive long-day (LD) photoperiods, and involves the FHA
gene for a blue-light photoreceptor cryptochrome 2,
CONSTANS (CO) for a transcriptional activator of
floral meristem identity genes. Mutations in genes in this pathway
abolish the response to the inductive LD photoperiod. The autonomous
pathway, which involves genes such as FCA is believed to
monitor endogenous developmental state of plants and promotes
floral transition independently of photoperiods and other environmental
conditions. Defect in this pathway does not affect the photoperiodic
response, and can be compensated for by vernalization.
ft mutants were originally described as late-flowering
mutants which have reduced response to photoperiods and cannot
be compensated for by vernalization, and the respective wild-type
gene, FT, was placed in the photoperiod-dependent pathway
(2). However, recent genetic studies suggested that FT
is under the control of both photoperiod-dependent and autonomous
pathways and acts in part redundantly with the LEAFY (LFY)
gene in controlling downstream genes such as APETALA1 (AP1)
(1, 3).
Our analysis and others (4, 5) demonstrates that FT is
a strong promoter of floral transition and acts in part downstream
of CO and mediates the signals for floral transition in
an antagonistic manner with its homologous gene, TERMINAL FLOWER1
(TFL1).
2. RESULTS AND DISCUSSION
2.1 The FT gene is a member of a small gene family which
includes TFL1
We identified the FT gene using a T-DNA-insertion-associated
deletion line which failed to complement ft-1. The predicted
ORF of the FT gene has homology with the product of the
TFL1 gene. FT and TFL1 genes are members
of a small gene family in Arabidopsis. Database searches
revealed possible FT orthologs in other plant species.
FT, TFL1, and other related proteins from plants belong to the
phosphatidylethanolamine-binding protein (PEBP) family, a recently
emerging family of proteins of largely unknown biochemical function,
which includes members from mammals, Drosophila , nematodes,
and yeast. PEBP may be a multi-functional protein, since it was
reported that mammalian PEBP is a precursor of hippocampal cholinergic
neurostimulating peptide (6) and is the Raf-1 kinase inhibitor
protein (7).
2.2 Expression of FT and floral transition
Based on the phenotype of loss-of-function mutants, the
FT gene was implicated a role in the promotion of floral
transition. FT was expressed in all tissues in seedlings
and mature plants. The timing of FT expression seems to
be regulated by photoperiods and correlate with floral commitment.
2.3 CO regulates FT expression
It was shown that CO is up-regulated by the LD photoperiod
and plays a key role in activation of downstream floral meristem
identity genes (8, 9). We investigated whether CO is involved
in the up-regulation of FT expression. Expression analysis
using co loss-of-function mutants and an inducible system
of CO activity (9) suggested that the FT expression is
in part regulated by CO.
2.4 Photoperiod- and CO-independent precocious
flowering caused by ectopic over-expression of FT
If FT promotes floral transition, and its expression itself
is in part under the control of photoperiods through CO
function, then constitutive over-expression of FT should
result in precocious-flowering phenotype independent of photoperiods
and CO function. Experiments with transgenic plants expressing
FT under the control of CaMV 35S promoter confirmed the
prediction.
2.5 FT and TFL1 act in an antagonistic
manner
Loss-of-function mutants and over-expression transgenic plants
of FT and TFL1 showed nearly opposite phenotype
(4, 5, 10). This, together with genetic interaction between FT
and TFL1, suggests antagonistic roles of these two genes
in floral transition.
2.6 Combined activity of FT and LFY
promotes floral transition
Simultaneous over-expression of FT and LFY in
a transgenic plant resulted in the conversion of what would be
a complex shoot system in a wild type plant to a single flower
with one or two bracts. This strongly supports the view that the
combined activity of FT and LFY promotes the floral
transition (1).
3. ACKNOWLEDGMENT
Our work on flowering was mainly supported by Grants-in-Aid
for Special Research on Priority Areas (Nos. 08273210 and 09262208)
from the Ministry of Education, Science, Culture and Sports, Japan
and a grant through the ﾒResearch for the Futureﾓ Program (JSPS-RFTF96L00403)
from the Japan Society for the Promotion of Science.
4. REFERENCES
1. G. G. Simpson, A. R. Gendall, C. Dean, Annu. Rev. Cell
Dev. Biol. 15, 519-550 (1999).
2. M. Koornneef, C. J. Hanhart, J. H. van der Veen, Mol. Gen.
Genet. 229, 57-66 (1991).
3. L. Ruiz-Garc誕, et al., Plant Cell 9, 1921-1934
(1997).
4. Y. Kobayashi, H. Kaya, K. Goto, M. Iwabuchi, T. Araki, Science
286, 1960-1962 (1999).
5. I. Kardailsky, et al., Science 286, 1962-1965
(1999).
6. N. Tohdoh, S. Tojo, H. Agui, K. Ojika, Brain Res. Mol. Brain
Res. 30, 381-384 (1995).
7. K. Yeung, et al., Nature 401, 173-177
(1999).
8. J. Putterill, F. Robson, K. Lee, R. Simon, G. Coupland, Cell
80, 847-857 (1995).
9. R. Simon, M. I. Ige撲, G. Coupland, Nature 384,
59-62 (1996).
(3) O. J. Ratcliffe, et al., Development 125,
1609-1615 (1998).
荒木 崇
京都大学大学院理学研究科生物科学専攻（植物学系）
高等植物の茎頂分裂組織は、後胚発生の過程で、胚分裂組織⇒幼若期栄養分裂組織⇒成熟栄養分裂組織⇒生殖分裂組織という一連の相変換をおこないながら、植物体地上部のほぼすべてを形成する。相変換に関与する遺伝子群を明らかにすることは、植物の発生を理解する鍵となる。われわれは、相変換のうちで、栄養分裂組織⇒生殖分裂組織の変換過程（花成）を制御する遺伝学的枠組みの解明に特に関心を持ち、シロイヌナズナを用いて解析を進めている。
FT遺伝子は、LEAFY (LFY)遺伝子ともに、花成を促進する主要な２つの経路の下流で機能し、花成を実現する遺伝子であると考えられる。このことは、この２つの遺伝子の強制発現にさせた植物が、胚発生後直ちに花成し、本来は植物体地上部全体を形成するはずの茎頂分裂組織を単一の花に変換することからも支持される。一方、FT遺伝子と高い相同性を示すTERMINAL
FLOWER1 (TFL1)遺伝子は、FT遺伝子と相反する機能を持ち、LFY遺伝子とも拮抗的に働く。
FT遺伝子、TFL1遺伝子を中心に、発現解析、機能喪失突然変異体・過剰発現形質転換体を用いた解析、等の結果を報告するとともに、相変換における２つの遺伝子の位置づけを考察する。
Origin and Evolution of Floral Homeotic Genes in Green Palnts
Mitsuyasu Hasebe1 and Motomi Ito2
1National Institute for Basic Biology, PRESTO, Okazaki 444-8585,
Japan: mhasebe@nibb.ac.jp
2Department of Biology, Faculty of Science, Chiba University,
Chiba 263-8522, Japan: mito@lycoris.chiba-u.ac.jp
Land plants have reproductive organs in both sporophyte and
gametophyte generations. A flower is a sporophytic reproductive
organ of angiosperms, composed of sepals, petals, stamens, and
gynoecium (s). Haploid cells, mega and microspores are formed
by meiosis in a stamen and a gynoecium. Microspores are enclosed
in a multicellular male sporangium. Megaspores develop in a nucellus
covered with inner and outer integuments. Both male and female
gametophytic reproductive organs are reduced to few cells. Gymnosperms
have simpler reproductive organs than angiosperms, and lack petals
and sepals. A nucellus of a gymnosperm is covered with only one
integument, and archegonia, gametophytic female reproductive organs
enclosing egg cells are formed in the nucellus. Microspores are
similar to angiosperms. In homosporous ferns, a sporophytic reproductive
organ, a sporangium does not differentiate into males and female.
Haploid spores formed in sporangia are dispersed and free-living
gametophytes develop on which gametophytic reproductive organs,
archegonia and antheridia are formed. Bryophytes have similar
reproductive organs as ferns, but their sporophytes are more reduced
than other land plants, and grow on gametophytes. The closest
relative of land plants is Charophytes, freshwater green algae.
In Charophytes, gametophytes with archegonia and antheridia are
dominant, and they lack a sporophytic generation except the fertilized
egg, whose first cell division is meiosis. In addition to the
evolution of reproductive organs in each generation, evolution
of morphological differences in sporophytic and gametophytic generations
has not been well studied (3).
The development of floral organs is mainly regulated by the members
of the MADS-box gene family whose members are transcription factors
containing conserved MADS and K domains. MADS-box genes of angiosperms
are divided into more than 10 groups based on the gene tree, and
three of them are homeotic selector genes of floral organ development,
named A-, B-, and C-function genes (reviewed in 1,2). A-function
genes regulate sepal development. In combination, the A- and B-function
genes form petals, while the B- and C-function genes form stamens.
C-function genes regulate gynoecium development. Based on the
MADS-box gene tree, it was revealed that extant gymnosperms presumably
lack the ortholog of A-function gene, which is likely the reason
why extant gymnosperms do not have petals and sepals (1, 2, 4).
MADS-box genes of the fern Ceratopteris richardii have
been cloned, and are classified into 3 groups whose relationships
to angiosperm MADS-box genes are ambiguous with low bootstrap
values (5). The fern MADS-box genes are expressed in both sporophytic
reproductive organs including sporophylls and sporangia, and vegetative
organs including stems and roots. In angiosperms, some MADS-box
genes are expressed in specific floral organ primordia as homeotic
selector genes, while other MADS-box genes are expressed in both
reproductive and vegetative organs. In gymnosperms, reproductive-organ-specific
expression of MADS-box genes have been reported. Like the latter
type of angiosperm MADS-box genes, most of the fern MADS-box genes
are expressed in both the reproductive and vegetative organs.
The generally-expressed MADS-box genes may be more primitive than
the reproductive organ-specific MADS-box genes. If so, it is likely
that some of the MADS-box genes were co-opted as homeotic selector
genes of specialized reproductive organs and their expression
restricted to specific floral organ primordia, events that occurred
after the divergence of ferns and seed plants. The restriction
of MADS-box gene expression may have been caused by the evolution
of other genes that regulate the MADS genes.
In summary, comparisons of MADS-box genes in vascular plants suggest
that the following sequential changes occurred in the evolution
of reproductive organs. (1) Plant-type MADS-box genes with both
MADS and K domains were established. (2) The number of MADS-box
genes increased, and the three ancestral MADS-box genes that later
generate A-, B-, C-functions genes were likely originated before
the divergence of ferns and seed plants. (3) Specifically expressed
MADS-box genes in reproductive organs evolved from generally expressed
ones in the seed plant lineage. (4) The ancestral gene of the
AG group acquired the C-function before the divergence of extant
gymnosperms and angiosperms. (5) The gene duplication that formed
the AP3 and PI groups occurred before the diversification of extant
gymnosperms and angiosperms. (6) The ancestral gene of angiosperm
A-function gene was lost in extant gymnosperm lineage. (7) Spatial
and temporal patterns of A-, B-, C-function gene expression were
established in the angiosperm lineage (1).
Homeobox genes play indispensable roles for development in metazoa,
instead of MADS-box genes. This difference is likely caused by
the fact that metazoa and land plants established multicellular
organs independently after their last common ancestor, which was
presumably a unicellular organism or a multicellular organism
without multicellular organs. It is noteworthy that in both land
plants and metazoa, an increase in the number of specific transcription
factors (MADS genes in land plants and homeobox genes in metazoa)
and the subsequent diversification of their expression patterns
and regulation of downstream genes are the principal mechanisms
for the evolution of body plans.
References
1) Hasebe, M. 1999. Evolution of reproductive organs in land
plants. J. Plant Res. 112: in press.
2) Hasebe, M. and Ito, M. Evolution of reproductive organs in
vascular plants. In M. Kato ed, The Biology of Biodiversity, Springer-Verlag,
Tokyo, 1999. pp.243-255.
3) Aso, K., Kato, M., Banks, J.A. and Hasebe, M. 1999. Characterization
of homeodomain-leucine zipper genes in the fern, Ceratopteris
richardii and the evolution of the homeodomain-leucine zipper
gene family in vascular plants. Molec. Biol. Evol. 16: 544-552
4) Shindo, S., Ito, M., Ueda, K., Kato, M. and Hasebe, M. 1999.
Characterization of MADS genes in the gymnosperm Gnetum parvifolium
and its implication on the evolution of reproductive organs
in seed plants. Evolution and Development 1 (3): 1-11.
5) Hasebe, M., Wen, C.-K., Kato, M. and Banks, J.A. 1998. Characterization
of MADS homeotic genes in the fern Ceratopteris richardii.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 6222-6227.
陸上植物における花器官形成遺伝子の進化と生殖器官の進化
長谷部光泰1, 伊藤元己2
（1基生研・種分化２, PRESTO, 2千葉大・理・生物）
被子植物の花は、生殖器官であり、中心から外側に向かって、雌蕊、雄蕊、花弁、ガク片で構成され、雌蕊、雄蕊の中に生殖細胞が形成される。一方、より原始的な裸子植物、シダ植物、コケ植物は、より単純な生殖器官を持っている。被子植物の花器官は、ABC機能遺伝子（MADS-box遺伝子）と呼ばれるホメオティックセレクター遺伝子の制御下で形成される。裸子、シダ、コケ植物、シャジクモ藻類におけるこれらの遺伝子の発現、機能比較から、（１）陸上植物の初期段階でABC機能遺伝子は、１つで、半数体世代の生殖細胞の特異化に関わっていたらしい、（２）植物の陸上化、胞子体世代の大型化と時期を同じくして、遺伝子数が増加し、その機能を多様化させていった、（３）ABC機能遺伝子は、花が形成されるよりも前に遺伝子重複により形成されていた、（４）A機能遺伝子の祖先は、裸子植物で欠失した、（５）B、Ｃ機能遺伝子、これらを制御するLEAFY遺伝子は、花が進化する前から現在の機能を持っていた、（６）各系統での平行的な遺伝子重複、機能分化が植物の生殖器官の多様化に寄与したということがわかってきた。
Control of Floral Symmetry
U. Nath and E. S. Coen
Department of Genetics,
John Innes Centre,
Norwich, UK
Much progress has been made in the past few years in elucidating the molecular basis of floral asymmetry using Antirrhinum majus as a model system. Dorsoventral asymmetry in Antirrhinum flowers is most pronounced in the petals, which can be divided into three groups of distinct identities: dorsal, lateral and ventral. Radially symmetrical mutants have been isolated in this species in which all the petals acquire ventral identity (Carpenter & Coen, 1990), indicating that these mutants lack the gene functions which confer dorsal fate. Two such genes, cycloidea (cyc) and dichotoma (dich), have been isolated which share high degree of sequence homology. These genes are expressed from a very early stage of development in the dorsal region of the floral meristem (Luo et al., 1996), influencing the growth rate and primordium initiation. Expression continues through to the later stages in petals and stamens. These expression patterns, in combination with the mutant phenotypes, indicate that cyc and dich together give the dorsal fate to the flower. Mutant of a third dorsal acting gene, rad, also has a phenotype similar to that of cyc and genetic interaction studies have indicated that it functions in the cyc/dich pathway. The present working hypothesis is that the regional activities of cyc and dich establish the dorsal fate of the flower very early on in the development. How this early action is further elaborated to give rise to the final organ asymmetry remains to be elucidated.
Survival strategy of transposable elements
Akihiko Koga and Hiroshi Hori
(Nagoya Univ.)
Transposable elements are repetitive sequences capable of moving
from one chromosomal location to another, being one of major causes
of mutations. The majority of mutations caused by transposable
elements, except for ones without any effects, are considered
to be deleterious to their host organisms. If this is true, transposable
elements are always under selective pressure against them and
ultimate extinction from the genomes is their fate. However, an
actual situation is that transposable elements are present in
virtually all the organisms. One possible factor that works for
survival of transposable elements against this pressure may be
that they occasionally induce beneficial mutations. However, this
would be possible only on a long time scale. Another possibility
is that they are selfish replicons that are concerted only with
their propagation. This is still not sufficient because the copy
number may reach zero during its fluctuation around the equilibrium
point. An additional important factor may be horizontal transfer
by which they acquire new fields for expansion.
Clear evidence for horizontal transfer has been obtained only
in Drosophila. One major reason for this is that Drosophila has
many closely related species for which phylogenetic relationships
are known. The medaka fish is in a similar situation. We examined
the distribution of a transposable element in this organism and
obtained results strongly suggesting its horizontal transfer.
Horizontal transfer may be an event that occurs frequently in
a wide range of organisms, so playing a certain role in the evolution
of transposable elements as well as the evolution of their host
genomes.
トランスポゾンの生き残り戦略
古賀 章彦・堀 寛
（名古屋大）
トランスポゾンは、染色体上の別の場所へ転移する能力をもつ反復配列であり、自然突然変異の主要な原因のひとつとみなされている。生じる突然変異は、表現型に影響のないものを除くと、ほとんどがホストにとって有害であると考えられる。このために、トランスポゾンにはそれを集団あるいは種から排除する方向での自然選択圧がかかり、これだけでは消滅する運命にあることになる。しかし、トランスポゾンは、知られている限りほとんどの生物種のゲノムに存在する。したがって、上記の自然選択圧に対抗する方向の、トランスポゾンをふやすための要因がそなわっているはずである。これのひとつの可能性として「ホストにとって有利となる突然変異をときには起こす」がある。しかし、これは長時間のスケールでのみ成り立つものであろう。もうひとつの可能性は「自己の増殖にひたすら励む」である。しかし、これだけでは十分ではない。コピー数が平衡点の付近をさまよっているうちにたまたまゼロになると、復活しないからである。ここで、「他の種に侵入して活路を広げる」、すなわち水平伝播が、注目される。
トランスポゾンの水平伝播を証明あるいは示唆する報告は多いが、決定的な例はショウジョウバエに限られている。系統関係がわかつている多数の近縁種があるという状況が、理由のひとつである。我々は、似たような状況をもつメダカでトランスポゾンの分布を調べ、水平伝播を強く支持する結果を得た。水平伝播は、トランスポゾンの進化に、またそれに伴うホスト自身の進化に関与する、生物に普遍的な現象であるかもしれない。
TRANSPOSABLE ELEMENTS AS A MAJOR SPONTANEOUS MUTAGEN IN
THE MORNING GLORIES.
Shigeru IIDA
(Natl. Inst. Basic Biol., Okazaki, JAPAN)
The Japanese morning glory is a traditional horticultural plant in Japan and has an extensive history of genetic and physiological studies. A number of spontaneous mutants related to the colors and shapes of its flowers and leaves have been isolated since the 17th century in Japan, and more than 200 genetic loci have been assigned. We have found that several of these spontaneous mutations are caused by insertion of En/Spm-related transposable elements belonging to the Tpn1 family. For example, the mutable flecked and speckled lines for flower variegation are caused by integration of the transposable elements Tpn1 and Tpn2 into the DFR-B and CHI genes for flower pigmentation, respectively. An apparent stable mutant r-1 bearing white flowers is also found to be caused by insertion of another Tpn1-related element Tpn3 into the CHS-D gene for flower pigmentation. Presumably, epigenetic gene silencing stabilizes the r-1 allele. There are other spontaneous mutants which appear to be caused by insertion of Tpn1-related elements. We have also identified that the two spontaneous mutations for flower pigmentation in the common morning glory are caused by integration of two different groups of the transposable elements, Tip100 and Tip201, both of which belong to the Ac/Ds family. These results are discussed with regard to transposon promoted spontaneous mutagenesis and generation of １Pfloriculturally important traits.
REFERENCE
S. Iida, A. Hoshino, Y. Johzuka-Hisatomi, Y. Habu and Y. Inagaki
(1999) Floricultural traits and transposable elements in the Japanese
and common morning glories. Annal. New York Acad. Sci. , 870,
265-274.
アサガオの主要自然突然変異原としてのトランスポゾン
飯田 滋
（基礎生物学研究所）
東アジア原産で江戸時代に園芸化されて“変わり咲き朝顔”の流行により花の色模様や形が変わった変異体が多数分離され、大正から昭和初期にかけ古典遺伝学的研究も精力的に行われたアサガオや、中央アメリカ原産でダーウィンも実験材料として用いたマルバアサガオにおいて、花卉園芸上興味ある変異体として分離作出され、育種された自然突然変異体は、その大部分がＤＮＡ型トランスポゾンの挿入した変異によるものであることが明らかになってきた。
アサガオは古典遺伝学的解析により、２００以上の自然突然変異が記載され、その内の約１割が不安定な易変性（mutable）変異であることが知られている。我々は先ずアサガオの花に絞り模様を賦与する易変性変異の「雀斑」と「吹掛け絞り」を解析したところ、各々アントシアニン色素生合成系のDFR-B
とCHI 遺伝子内にTpn1 とTpn2 と名付けたTpn1 ファミリーに属するEn/Spm
系のトランスポゾンが 挿入されていた。また、安定な白色花を咲かせるr-1 変異もTpn1 ファミリーに属するTpn3
が色素生合成系遺伝子CHS-D 内に挿入された変異であった。おそらく、挿入されたTpn3 はエピジェネティックは遺伝子発現制御機構により安定化されたものと思われる。さらに、これらの変異以外にもTpn1
ファミリーのトランスポゾンが関与すると思われるアサガオの自然突然変異も幾つか存在する。
マルバアサガオの自然突然変異においてもTip100 および Tip201 と名付けた、何れもAc/Ds
系のトランスポゾンではあるが、各々異なるファミリーに属するトランスポゾンの挿入による変異を同定することができた。
花卉園芸上興味ある形質を有する自然突然変異と変異原としてのトランスポゾンの関係について論ずる予定である。
参考文献：
S. Iida, A. Hoshino, Y. Johzuka-Hisatomi, Y. Habu and Y. Inagaki
(1999) Floricultural traits and transposable elements in the Japanese
and common morning glories. Annal. New York Acad. Sci. , 870,
265-274.
Nori Satoh
Dept of Zool., Graduate Sch. of Sci., Kyoto Univ., Kyoto 606-8502, Japan
The fertilized egg of ascidians develops quickly into a tadpole
larva (about 2,600 component cells) consisting of a small number
of tissues including epidermis, central nervous system with two
sensory organs, nerve cord, endoderm, mesenchyme, notochord and
muscle. This architecture of the ascidian larva represents the
most simplified chordate body plan. The lineage of these embryonic
cells is described almost completely, and the expression of developmental
genes is analyzed at single-cell level.
In ascidian tadpole larva, notochord is composed of exactly 40
cells, and specification of the notochord cells is induced during
the 32-cell stage by signals emanating from adjacent endoderm
cells. Immediately after the induction, an ascidian Brachyury
gene is expressed solely in the notochord cells, the gene exerts
a master control over the notochord formation. We show here that
specification of notochord cells does not take place without endoderm
differentiation. Both overexpression of b-catenin in presumptive
notochord cells and down regulation of b-catenin in presumptive
endoderm cells lead to the suppression of Brachyury gene expression,
which results in the disturbance of notochord specification.
The Brachyury expression seems to activate about 40 downstream
genes that are associated with the notochord formation. Here we
characterize twenty of them by determining the complete nucleotide
sequences of the cDNAs. These genes encode a broad spectrum of
divergent proteins associated with notochord formation and function,
but very few genes encoding transcription factors. Two genes encode
ascidian homologs of Drosophila Prickle LIM domain proteins and
another encodes ERM protein, all three of which appear to be involved
in the control of cytoskeletal architecture. The present characterization
should be used to identify non-chordate deuterostome tissues homologous
to the notochord as well as genes which are expressed in the notochord
cells of vertebrate embryos.
ホヤ胚における脊索細胞の分化
佐藤 矩行
京都大学大学院理学研究科動物学教室
ホヤの受精卵は、短時間で、細胞数2600個ほどからなるオタマジャクシ型幼生へと発生する。この幼生の体幹部背側には目や耳の相同器官を備えた中枢神経系が、また腹側には内胚葉が、そして尾部の中央には脊索、その両側には筋肉が位置するなど、その体制は脊索動物のボディープランの原型を表していると考えられている。胚細胞の系譜がほぼ明らかにされており、発生遺伝子の発現を系譜にそってシングル・セルのレベルで解析することができる。
ホヤ幼生の尾部には正確に40個の細胞からなる脊索が分化する。脊椎動物と同様に、ホヤ脊索細胞の分化も内胚葉からの誘導シグナルに依存し、この細胞間相互作用は32細胞期の後期で起こる。シグナルを受けた脊索細胞ではBrachyury遺伝子が発現する。ホヤではBrachyury遺伝子は脊索細胞以外では発現せず、この遺伝子を予定内胚葉細胞で異所的に発現させると脊索の分化を誘導するので、Brachyury遺伝子は脊索形成に関するマスターコントロール遺伝子と考えられる。ここでは内胚葉の分化なしでは脊索細胞の分化が起こらないことを示す実験結果を紹介する。β-カテニンは内胚葉細胞の分化に必須であり、β-カテニンの機能を阻害することによって内胚葉細胞の分化、ひいては脊索細胞の分化を抑制することができる。
Brachyury遺伝子の発現によって脊索で働きだす下流遺伝子を探索した結果、40近い遺伝子が活性化されることがわかった。これらの遺伝子のcDNAの全長の塩基配列を決めることにより、それらがコードするタンパク質の特徴付けを行ったところ、ほぼすべてのBrachyury下流遺伝子は、脊索細胞の形の変化（これが尾の伸長の力となるものと思われている）や脊索を取り囲む脊索鞘の形成に関わるタンパク質をコードすることがわかった。このようにホヤ胚の脊索細胞分化は、内胚葉細胞との相互作用をとおした分化誘導、マスターコントロール遺伝子としてのBrachyuryの活性化、Brachyuryによる下流遺伝子の発現、下流遺伝子の働きによる細胞型の変化など、受精卵から最終分化に至るまでの遺伝子サーキュートリーを解析する上での格好な実験系を提供する。
PHYLOGENETIC PERSPECTIVES ON THE EVOLUTION AND PATTERNING OF VERTEBRATE MORPHOLOGY
PER ERIK AHLBERG
Department of Palaeontology, The Natural History Museum, Cromwell Road, London SW7 5BD, UK.
Recent discoveries in palaeontology and molecular genetics
have greatly enhanced our understanding of early vertebrate evolution.
Palaeontology has revealed new examples of early vertebrate morphologies,
including soft-bodied Cambrian forms from China which are some
530 million years old, and thus much older than the earliest previously
known complete vertebrates from the Ordovician. Molecular genetics
has provided a wealth of new phylogenetic data for primitive living
vertebrates (lampreys, hagfishes) and non-vertebrate deuterostomes
(amphioxus, tunicates, pterobranchs, enteropneusts and echinoderms),
comprising both gene sequences and non-sequence characters such
as genome architecture and codon assignments. Together, these
new data give a much clearer picture of the interrelationships
of different chordate groups, and morphological change during
early chordate evolution. This has great potential for illuminating
the evolution of developmental patterning in chordates; conversely,
evidence from developmental genetics is already helping to solve
problems of morphological homology in primitive chordates. However,
areas of persistent phylogenetic uncertainty make it impossible
to chose between competing hypotheses of morphological change
in certain important parts of the vertebrate tree. Resolving these
uncertainties should be a research priority for the immediate
future.
Here, I present an overview of deep vertebrate phylogeny and evolution,
up to the origin of gnathostomes, with particular emphasis on
the sequence of morphological character acquisition. Among non-vertebrate
deuterostomes, perhaps the most interesting recent phylogenetic
discovery is the enteropneust-echinoderm sister group relationship,
demonstrated by 18S rDNA sequence analysis and by the reassignment
of the codon AUA to give isoleucine (rather than methionine as
in other metazoans) in these groups. This relationship implies
that pharyngeal slits are primitive for the deuterostomes as a
whole, and suggests a basis for reexamining both the developmental
patterning of primitive deuterostomes and the relationships of
calcichordates, Palaeozoic forms which combine an echinoderm calcite
skeleton with pharyngeal slits and other seemingly chordate-like
characters. Before this can be done in detail, however, we will
need phylogenetic and developmental data for pterobranchs.
As is now well established, the origin of vertebrates is associated
at the genetic level with the paralogous duplication of the Hox
cluster (and perhaps the whole nuclear genome). Jawed vertebrates
primitively have four Hox clusters, suggesting two duplication
events; the exact number in lampreys and hagfishes remain uncertain,
but they certainly have more than the single cluster of amphioxus.
Morphologically, the origin of vertebrates is associated above
all with the elaboration of the brain and paired sense organs.
True neuromast cells also originate at this point, though they
may be homologous with the cupular organs in the atria of tunicates.
The most challenging phylogenetic problem in the study of lower
vertebrate evolution is the unresolved relationship between hagfishes
(myxinoids), lampreys (petromyzontids) and jawed vertebrates (gnathostomes).
Here, the molecular and morphological data sets seem incompatible:
molecular sequence analyses provide consistent support for a lamprey-hagfish
sister group relationship, while comparative morphology strongly
supports a lamprey-gnathostome relationship. The evolutionary
sequences implied by the two phylogenies are extremely different;
it is at present impossible to present a secure account of the
origin of lamprey + gnathostome features such as extrinsic eye
muscles, cardiac innervation and hypotonic blood salinity, because
we cannot be sure whether these are synapomorphies or convergencies.
Genome architecture data may prove useful for breaking this phylogenetic
deadlock. The recent discovery of soft-bodied Cambrian (about
530 million years old) jawless vertebrates from Yunnan, China,
provides valuable information but also raises new questions about
early vertebrate evolution. Haikouella (possibly synonymous with
Yunannozoon) has a heart, brain and lateral eyes, but also has
a strongly developed dorsal crest supported by myosepta which
differs from anything known in modern chordates. It lacks paired
fins and braincase, and may be the sister group of the hagfish-lamprey-gnathostome
clade. Myllokunmingia and Haikouichthys are obvious vertebrates
with W-shaped myotomes and
traces of neurocrania. Surprisingly, they also have paired fins,
which creates a character conflict with the evidence from bony
jawless fishes (see below). At present, they are best viewed as
occupying an unresolved position near the base of (but definitely
within) the hagfish-lamprey-gnathostome clade. The fossil vertebrates
known as ostracoderms (Late Cambrian to Late Devonian, about 510-370
million years old), which have bone and dentine but lack jaws,
are now universally accepted as members of the gnathostome stem
group, that is, closer to jawed vertebrates than lampreys or hagfish.
Conodont animals (Late Cambrian to Triassic) are also widely accepted
as stem gnathostomes, but some researchers regard them as non-vertebrates.
Conodont animals have large eyes with probable extrinsic eye muscles,
and mineralised pharyngeal teeth (conodont elements) composed
of dentine and enamel, but lack external mineralised tissues and
paired fins. Ostracoderms have external bone and/or dentine, either
as scales or large plates, and sometimes possess pharyngeal denticles
as well. These pharyngeal denticles (and the essentially similar
teeth of gnathostomes) differ substantially from conodont elements
and are probably only homologous with them in the very broadest
sense. Nevertheless, it seems likely that biomineralisation in
vertebrates is primitively pharyngeal rather than dermal. Pharyngeal
denticles in gnathostomes do not seem to be
derived from dermal denticles which have migrated into the mouth.
Ostracoderms include certain primitive groups (heterostracans,
astraspids, arandaspids) which lack paired fins, and others which
are closer to gnathostomes (osteostracans, anaspids) which have
a single set of paired fins. Separate pectoral and pelvic fins
are only found in gnathostomes. Paired fins have been viewed as
arising within the ostracoderms, but this conflicts with the evidence
from the soft-bodied Chinese forms. However, it is clear that
the median fin fringe is phylogenetically older than the paired
fins, and that a single set of paired fins (pectorals) is primitive
for the vertebrates. This may suggest that the ultimate origin
of paired appendages in vertebrates may be as homeotic copies
of median structures, and suggests that study of median fin patterning
in primitive living vertebrates should be a research priority.
The ostracoderm evidence also suggests that a median nasal sinus
like that in lampreys and hagfish (homologous with Rathkes pouch)
is
primitive to the separate nasal openings and buccohypophysial
openings of gnathostomes.
Molecular patterning mechanism of the craniofacial ectomesenchyme and the evolution of the vertebrate jaw
Shigeru Kuratani
Evolutionary Developmental Biology, Dept. Biol., Fac. Sci.,
Okayama University
Lampreys do not possess the biting jaw and are classified in the group Agnatha. The mandibular arch of the ammocoete larva differentiates instead into three distinct elements, upper and lower lips, and the velum, in the oral region. Of those, the upper and lower lips apparently resemble upper and lower jaws of gnathostomes, respectively, though their developmental process has not so far been described in detail. Embryos of the Japanese marine lamprey, Lampetra japonica was observed by scanning electron microscope and both the lips were revealed to develop from an embryonic structure called the cheek process. During postpharyngula development, premandibular segment arises secondarily within the rostral portion of the cheek process that differentiates into the upper lip. The upper lip, therefore, is a premandibular structure. By comparison with gnathostome embryos, it was implied that early distribution pattern of the crest cells are comparable between gnathostomes and lampreys, but later mesenchymal development diverged into profoundly different patterns of growth. Such the difference was assumed to be due to the early epithelial patterning including those of nasal placode and hypophysis. We concluded that the jaw of gnathostomes has been obtained through heterotopic changes in topographical relationships between epithelium and mesenchyme that caused new interactions of tissues that had never existed. These evolutionary changes become apparent in the late phase of development. Until the pharyngula or vertebrate phylotypic stage, there is no substantial difference in embryonic patterns including some homeobox gene expressions. However, other the homeobox genes, Dlx and Emx, were expressed in non-homologous patterns in the lamprey. The lamprey cognate of the common ancestor of gnathostome Dlx1 and Dlx6 groups (LjDlx1/6) was expressed mainly in the pharyngeal mesenchyme and including that of the upper lip, and in the forebrain. LjEmx was expressed in the forebrain, nasohypophysial plate and also in the craniofacial mesenchyme. Expression domains of LjDlx1/6 in the upper lip and LjEmx in the craniofacial mesenchyme were peculiar features that have not been known in gnathostome embryos. The non-homologous expression patterns like these were assumed to be linked with unique morphogenetic pathway of the mandibular arch of the lamprey that never forms the jaw.
分子的形態パターニングから見た脊椎動物の顎の進化
倉谷 滋
岡山大学理学部進化発生
顎口類の姉妹群であるヤツメウナギの仲間は顎の代わりに吸盤を持ち、脊椎動物の進化の理解にとって重要な位置を占めている。とりわけ、顎口類の祖先の状態と比較されるアンモシーテス幼生には上下の顎はなく、ポンプの役割をする縁膜に加え、上下の唇がある。ところが、咽頭胚期には顎口類も無顎類も共通した形態パターン（ファイロタイプ）を経過し、同じ形態的基盤を利用したエピジェネティックな形態形成がなされていることがわかる。したがって、無顎類独自の形態パターニングは、まず発生過程の後期に明瞭にあらわれると考えられる。このような予想のもとに、ヤツメウナギの一種、カワヤツメ（Lampetra japonica）の胚を走査電子顕微鏡で観察したところ、アンモシーテスの上下唇の両者が、胚の頬突起と呼ばれる構造から由来することが分かった。これは一見、両者の唇が第１咽頭弓に由来するように見える。しかし、この突起の中には二次的に顎前中胚葉が発し、それは上唇の発生位置に相当するのである。つまり、アンモシーテスの上唇は、上顎のように見えて、実は全く異なったものである。この現象は、上皮構造の構成の相違によってもたらされる間葉の分布の違いに起因する、一種のヘテロトピー（細胞群の関係のあり方のちょっとしたズレが、のちの形態発生の大きな違いとなる）ではないかと考えられた。このような過激な変化は、どのような遺伝子レベルのでのプランの変化を背景にしているのだろうか。たとえば、咽頭胚初期において保守的な発現パターンを示すホメオボックス遺伝子であっても、後期発生では明らかに非相同的な構造に発現するものがある。とりわけ、頭部の形態進化については、頭部間葉に発現するホメオボックス遺伝子の挙動の違いを通じて、形態進化の手がかりが得られるはずである。カワヤツメ胚cDNAライブラリーより、頭部特異的ホメオボックス遺伝子である、DlxならびにEmxの相同物を単離し、特に咽頭胚以降でのそれらの発現パターンを観察した。得られたDlx相同遺伝子は、顎口類におけるDlx1、Dlx6グループの共通祖先である可能性があり、LjDlx1/6（Lampetra japonica Dlx1/6）と名付けた。同様にEmx相同遺伝子はLjEmxとした。興味深いことにLjEmxの発現は、顎口類において知られているものとかなり異なり、咽頭胚以前においてはもっぱら鼻下垂体板を中心とした表皮外胚葉に発現し、咽頭胚期から幼生期にかけては終脳のみならず、頭部間葉の前方にも見られた。さらにLjDlx1/6はアンモシーテス幼生の上唇に強く発現した。これらはともに顎口類における相同遺伝子が発現しないはずの部分である。相同遺伝子が非相同的形態に発現するこの現象には、遺伝子の制御のあり方が、顎口類と無顎類において異なっているからである。ここに、先に述べた上皮間葉の相互関係の違いがどのように関わってくるのか、そしてそれが顎の発明という大進化的現象とどのように関わるのか、形と遺伝子の両面から考察する。
Head Development in Mouse
Shinichi Aizawa,
Department of Morphogenesis, Institute of Molecular Embryology
and
Genetics, Kumamoto University School of Medicine
All metazoan animals develop from head. In vertebrates it starts
at gastrulation, and the gastrula embryo is head in adult. Initially
mammalian embryos only have distal-proximal (DP) axis, and anterior-posterior
(AP) axis develop upon gastrulation. This AP axis formation takes
place by anterior movement of distal visceral endoderm cells,
thus generating anterior visceral endoderm (AVE). Concomitantly
proximal embryonic ectodermal cells move to future posterior side
yielding primitive streak. Otx2 plays an essential role in this
anterior movement of DVE cells. AVE cannot induce anterior neuroectoderm
positively, but suppresses posteriorizing signals from primitive
streak for development of anterior neuroectoderm. Otx2 also plays
an essential role in this suppression of posteriorizing signals
in AVE. Anterior mesendoderm (AME) generated by gastrulation then
induces anterior neuroectoderm positively; thus development of
anterior neuroectoderm takes place in two steps by AVE and AME.
Otx2 is also expressed in the anterior neuroectoderm (archencephalon)
and functions for its maintenance. Then expressions of Otx1, Emx2
and Emx1 occurs in this order with a nested pattern. Along with
the boundary formation to isthmus, archencephalon develops into
primary procencephalon and mesencephalon, then primary procencephalon
into secondary procencephalon and diencephalon. Telencepalon expands
from alar plates of secondary procencephalon; it is consisted
of archicortex, neocortex, paleocortex and basal nuclei.
哺乳動物における頭部形成機構
相沢慎一
熊本大学医学部付属遺伝発生医学研究施設形態発生部門
全ての後生動物は頭より形成される。脊椎動物で頭部の形成は嚢胚期に遡るが、嚢胚とは成体の頭に他ならない。哺乳動物胚は最初子宮への着床部位に対し遠近（DP）軸しか持たないが、嚢胚形成に際して吻尾（AP）軸が形成される。DP 軸から AP 軸の創出は、原条形成に先立ち最遠位部の原始内胚葉 (DVE) 細胞が将来の吻側部 (AVE) に異動し、これと対応してエピブラストの近位部細胞が将来の原条部位（尾部）に移動することにより達成される。この DVE 細胞の移動、AVE の形成に Otx2 は必須の働きをする。AVE は胚体外胚葉を積極的に吻側化する能力は持たないが、原条からの後方化シグナルを遮断し吻側となる領域を確保することに働く。この AVE による後方化シグナルの遮断にも Otx2 は必須の役割を果たす。ついでこの領域は原条より形成される吻側内中胚葉によって積極的に吻側神経外胚葉へと誘導される。誘導された吻側神経外胚葉（原脳）でも Otx2 は発現し、この領域の維持に働く。ついで Otx1, Emx2, Emx1 がこの順番でより限られた領域に発現し、全体として入れ子式の発現を示す。この時期（３～５体節期）、峡との境界画定とともに、原脳は前脳と中脳へ、前脳は第２次前脳と間脳へ領域化し、更に、第２次前脳翼板が膨らんで終脳が形成され、終脳は原皮質、新皮質、古皮質、基底核を生む。
Evolution of the genetic program for brain development
○Kiyokazu Agata, Yoshihiko Umesono, Satoshi Koinuma,
Alejandro Sanchez Alvarado*, Phill Newmark* and Kenji Watanabe
Depatment of Life Science, Faculty of Science, Himeji Institute
of Technology
Hyogo 678-1297, Japan
*Carnegie Institution of Washington, Department of Embryology,
Baltimore,
MD21210, USA
To understand brain evolution as evolution of the genetic program, we have planed to analyze the genetic program of the most fundamental brain in the existing organisms and then to investigate which genes were newly acquired or recruited during brain evolution by comparing genetic programs between the most primitive and higher animals. Here we focused on the planarian brain as the most fundamental brain, since they are considered to be the most primitive animals which acquired the central nervous system (CNS) during evolution. Planarian CNS is composed of a mass of cephalic neural cells in the head region and a pair of ventral nerve cords (VNC). Cephalic neural cells cluster in the anterior portion and form the inverted U-shaped brain. The segmental structure of the brain (nine branches) is observed on the outside of the cluster. The dorsal-inside region of the inverted U-shaped brain forms the visual center and optic chiasma. Interestingly, we found that three homeobox containing genes, DjotxA, DjotxB and Djotp, are specifically expressed in the restricted region of the brain, suggesting that these genes may be involved in the pattern formation of the planarian brain. Expression pattern of these genes during brain regeneration and RNAi experiments confirmed that homeobox containing genes belong to the Otx/otd family have been acquired as essential genes for brain development at an early stage of brain evolution. On the other hand, a planarian BF-1 homologue is not restricted to be expressed in the anterior brain, suggesting that the BF-1 gene may be recruited in the process of chordate evolution.
1)Molecular and cellular aspects of planarian regeneration
K. Agata and K. Watanabe
Seminars in Cell & Developmental Biology, 10, 77-83 (1999)
2)Neural network in planarian revealed by an antibody against
planarian synaptotagmin homologue
A. Tazaki, S. Gaudieri, K. Ikeo, T. Gojobori, K. Watanabe and
K. Agata
Biochem. Biophys. Res. Commun., 260, 426-432 (1999)
3)Distinct structure domains in the planarian brain defined
by the expression of evolutionarily conserved homeobox genes
Y. Umesono, K. Watanabe, and K. Agata
Dev. Genes Evol., 209, 18-30 (1999)
4)Structure of the planarian central nervous system (CNS) revealed
by neuronal cell markers
K. Agata, Y. Soejima, K. Kato, C. Kobayashi, Y. Umesono and K.
Watanabe
Zool. Sci., 15, 433-440 (1998)
5)A planarian orthopedia homolog is specifically expressed
in the branch region of both the mature and regenerating brain
Y. Umesono, K. Watanabe, and K. Agata
Develop. Growth Differ., 39, 723-727 (1997)
プラナリアからみた脳をつくる遺伝子プログラムの進化
○阿形清和、梅園良彦、鯉沼 聡、Alejandro Sanchez Alvarado*、
Pillip Newmark*、 渡辺憲二
姫工大・理・生命、*カーネギー研究所
脳の進化を<脳をつくる遺伝子プログラムの進化>としてとらえ、ここでは、現存する生物の中で最も原始的な脳をもつと考えられるプラナリアの<脳をつくる遺伝子プログラム>を解読し、脳を獲得した段階でどのような遺伝子がすでに<脳をつくる遺伝子>として使われており、また、その後の進化の段階でどのような遺伝子が新たに獲得されたのかを理解することを行った。これまでの解析の中で、プラナリアから3つのOtx/otd遺伝子群が単離され、それらがプラナリアの脳のパターン形成に不可欠であることをRNAiによって証明した。これらの遺伝子群は、脳を獲得した段階で脳形成に不可欠の遺伝子群として進化の初期段階で<脳をつくる遺伝子プログラム>に使われていたことを示唆している。一方、プラナリアBF-1/2遺伝子群については、脳に限局した発現は見られず、これらは、脊索動物の進化過程で<脳をつくる遺伝子プログラム>に組み込まれたことによって前脳の進化に寄与したことが予測された。
Genetic regulations for two dimensional expansion of leaves
Hirokazu Tsukaya
(National Institute for Basic Biology;
PRESTO 'Form and Function', JST, JAPAN)
Diversity of plant form is mostly attributable to variation in morphology of leaves and floral organs (modified leaves). Thus, the leaf is the key organ for a full understanding of plant morphogenesis. Recently, developmental genetics and molecular genetics revealed many aspects of molecular regulation of leaf morphogenesis, using model plants such as Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. In this conference, we will focus on the polarities that seem to be involved in two-dimensional leaf morphogenesis.
Genes regulating polarities of leaf blade in Arabidopsis
There are three kinds of polarity around a given leaf (Tsukaya
1998): the longitudinal polarity in each leaf primordium; the
dorsiventrality of the leaf primordium; and right left polarity
of the leaf. The establishment of two-dimensional growth or flatness
of leaves is dependent on complex patterns of cell cycling and
cell enlargement (Donnelly et al. 1999) and seems to require
establishment of dorsiventrality of leaf primordia (Tsukaya 1998).
Molecular mechanisms for establishment of dorsiventrality have
been recently well characterized. The leaves of the pinhead/zwille
and argonaute1 mutants of A. thaliana (Lynn et
al. 1999, Moussian et al. 1998, Bohmert et al.
1998) have reduced dorsiventrality and tend to lack adaxial features.
Leaves of PHABULOSA-1d mutant of A. thaliana have
no abaxial features and have axial form (McConnell and Barton
1998). These mutants were found to have defect in encoding MYB
or elF2C. In addition, FIL/YABBY gene family was found
to be required for specification of abaxiality in A. thaliana
(Sawa et al 1999, Siegfried et al 1999). After establishment
of dorsiventrality, two-dimensional expansion occurs in leaf blade.
Longitudinal growth is affected by activity of many genes involved
in the perception of phytohormones or light conditions (Tsukaya
and Kim submitted). Different from such genes, the ROTUNDIFOLIA3
(ROT3) gene of A. thaliana is unique since the ROT3
gene affects leaf length without any alterations to leaf width
(Tsuge et al. 1996, Kim et al. 1998, 1999). The
ROT3 gene, a member of cytochrome P450 family, is speculated
to be involved in biosynthesis of steroid(s) for regulation of
longitudinal growth of leaves. For polarity of leaf-width direction
(transverse plane), the angustifolia (an) mutant of Arabidopsis
has a specific defect in growth in the leaf-width direction (Tsukaya
et al. 1994, Tsuge et al. 1996). The AN gene
acts independently of the ROT3 gene in leaf morphogenesis,
suggesting that the polarity in the leaf-width and that to leaf
length are independent of each other. Molecular cloning of the
AN gene suggested that the gene product of the AN
might have function of protein-protein interactions (Tsukaya et
al. in prep.). On the other hand, symmetric growth of leaf
blade is dependent on polarities of right left direction. In A.
thaliana, asymmetric leaves mutants show defect in such symmetry
(Tsukaya and Uchimiya 1997). One of the AS genes, AS2
gene was recently cloned by Prof. Machidaﾕs group in Nagoya University.
Evo/devo studies of leaf form
A wealth of information on leaf morphogenesis, in particular
from view point of comparative morphology, is embedded in the
botanical literatures of the past. Our knowledge of the control
of leaf morphogenesis is still fragmentary, however, we have recently
accumulated knowledge on molecular mechanisms on leaf morphogenesis
through studies of leaves of A. thaliana. Now combined
approach among different fields of studies is expected to result
fruitful breakthrough. Application of Evo/devo studies to morphological
evolution of leaf form would be one of such timely research theme.
Literature Cited
Bohmert K, I Vamus, C Bellini, D Bouchez, M Caboche, C Benning
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Tsukaya H, T Tsuge, H Uchimiya 1994 Planta 195:
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Tsukaya H, H Uchimiya 1997 Mol Gen Genet 256: 231-238
葉の二次元平面形成を司る遺伝制御
塚谷 裕一
基礎生物学研究所／さきがけ研究21「形とはたらき」
植物の形態の多様性は、その多くを葉ないし葉の変型した器官である花器官の形態の多様性に帰することができる。その意味でも葉は植物形態を理解する上で鍵となる器官である。近年、アラビドプシス（シロイヌナズナ）に対する発生遺伝学と分子遺伝学の適用により、葉の形態形成を司る分子レベルのメカニズムがしだいに明らかになってきた。ここではそのうち、葉の二次元平面形成を司るメカニズムについて焦点をあてて概観してみたい。
アラビドプシスの葉身における極性制御の遺伝子群
一枚の葉には、３種類の極性を想定することができる（Tsukaya 1998）。すなわち長軸方向の極性、背腹性、それに左右軸である。葉の二次元平面性をもたらす細胞分裂と細胞伸長は、アラビドプシスにおいてcyc::GUSをマーカーとした私たちの解析からも、非常に複雑なパターンをとることが確認されている（Donnelly
et al. 1999）。この葉の平面性の確立には、変異体の表現型で見る限り、背腹性の確立が先立つことが必要らしい（Tsukaya
1998）。最近、この背腹性をきめる分子レベルの制御は、アラビドプシスでも明らかになり始めた。すなわち、pinhead/zwille
および argonaute1 変異体は背腹性の乏しい葉を形成し、その葉は軸状構造をとる傾向を示す (Lynn
et al. 1999, Moussian et al. 1998, Bohmert et
al. 1998)。PHABULOSA-1d 変異体の場合は、優性変異であって、全面が表の特性を持つ軸状構造の葉を形成する(McConnell
and Barton 1998)。これらの原因遺伝子は、 MYB ないしelF2Cをコードしていることが判明している。またFIL/YABBY
遺伝子族も、側生器官の背腹性決定に重要な役割を果たしていることが判明している(Sawa et al 1999,
Siegfried et al 1999)。これら遺伝子群の働きによって背腹性が決定されたのち、二次元平面をもたらす極性依存型の葉の展開が起こる。
いっぽう、葉の長軸方向への発達を司る遺伝子には光受容体をコードするPHYB 遺伝子など数多くの因子の関与が知られている（Tsukaya
and Kim submitted）。その中でも私たちの同定／単離したROT3遺伝子は、葉及び葉の変型した花器官においてのみ、その長軸方向への伸長を特異的に制御する点で、ユニークな遺伝子である(Tsuge
et al. 1996, Kim et al. 1998, 1999)。ROT3遺伝子はチトクロムP450遺伝子族の一員で、ステロイド合成系に関与している可能性が高い。いっぽうAN
遺伝子は、葉の横幅を特異的に制御する遺伝子で(Tsukaya et al. 1994, Tsuge et
al. 1996)、ROT3遺伝子とは独立に働く。このAN 遺伝子についてもクローニングした結果、タンパクータンパク相互作用をする遺伝子であることが示唆された(Tsukaya
et al. in prep.)。表現型その他から、微小管制御に関わっている可能性も考えられる。なお、上記の左右軸に沿って葉の左右対称性を司る遺伝子として、AS遺伝子があげられる（Tsukaya
and Uchimiya 1997）。うちAS2 遺伝子は、名大／町田研究室により最近クローニングされた。今後の進展が期待される。
葉形態のエボ／デボ研究
葉の形態形成に関する情報の多くは、特に比較形態に関するものは、文献の山の中、過去のものとして埋もれがちである。また最近のモデル植物における知見の蓄積は目覚ましいものがあるが、いぜん断片的なものに留まっている。しかしこれら二つのアプローチをあわせて現象を見直すことで、温故知新のようにして葉形態形成に関する研究のブレイクスルーを得られる可能性は高い。葉形の進化に関するエボデボ研究は、そのような時宜を得た応用例の１つであろう。
Horizontal gene transfer and point mutation: Ngrol genes
in the evolution of the genus Nicotiana
Seishiro Aoki (1), Kunihiko Syono (2) and Motomi Ito (1)
(1) Department of Biology, Faculty of Science, Chiba University (2) Department of Chemical and Biological Sciences, Faculty of Science, Japan Women's University
Ngrol genes (NgrolB, NgrolC, NgORF13, and NgORF14) that are similar in sequence to genes in Ri plasmid of Agrobacterium rhizogenes have been found in the genome of untransformed plants of Nicotiana glauca. It has been suggested that an infection of a progenitor of several species of Nicotiana by an A. rhizogenes-like ancestor resulted in the horizontal transfer of genes of Ri plasmid to their genomes. Since plants transformed with the genes of Ri plasmid induces a characteristic phenotype known as 'hairy root syndrome', It has been proposed that Ngrol genes have had relation to development and evolution of some Nicotiana species. We investigated the function and phylogeny of Ngrol genes. Although the corresponding four Rirol genes (RirolB, RirolC, RiORF13, and RiORF14) of A. rhizogenes provoked hairy root syndrome in plants, present-day N. glauca and plants transformed with Ngrol genes did not exhibit this phenotype. Comparison of the function between Ngrol and Rirol genes by inoculation experiment with A.tumefaciens harboring various combinations of these genes revealed that RirolB contains the genetic information for induction of hairy root syndrome but NgrolB does not. Molecular evolutionary analysis revealed that the NgrolB gene did not induce hairy roots because it contained two point mutations. Single-base site-directed mutagenesis at these two positions restored the capacity for induction of hairy root syndrome to the NgrolB gene. When the NgrolB with these two base substitutions were positioned under the control of CaMV 35S promoter, transgenic tobacco plants exhibited novel morphological abnormalities that were not observed in plants overexpressing RirolB gene of pRiHRI. In contrast, the activity of NgrolC, NgORF13 and NgORF14 may have been conserved after the ancient infection by bacteria. In order to understand the origin of Ngrol genes, intrageneric relationships in the genus Nicotiana were investigated by comparison of DNA sequences of the matK gene of the chloroplast genome. Molecular phylogenetic analysis revealed that horizontal gene transfer of bacterial genes to Nicotiana species might have occurred several times during the evolution of this genus. Discussed is the effect of the horizontal gene transfer of the Ngrol genes and mutations in the NgrolB gene on the phenotype of ancient plants during the evolution of the genus Nicotiana.
遺伝子水平移行と点突然変異：タバコ属進化におけるNgrol 遺伝子群の歴史
青木誠志郎 (1)、庄野邦彦 (2)、伊藤元己 (1)
(1) 千葉大学理学部生物学科 (2) 日本女子大学理学部物質生物学科
Ngrol遺伝子群（NgrolB, NgrolC, NgORF13, NgORF14）は土壌細菌Agrobacterium
rhizogenesのもつRi plasmidの配列に類似した遺伝子群として菌に未感染のNicotiana glaucaゲノム内に見つかった。過去、タバコ属のうち一部の植物の祖先に菌からの感染導入が起こり結果としてRi
plasmidの遺伝子の植物ゲノムへの水平移行が起きたと考えられている。Ri plasmidの遺伝子導入は植物に毛状根病徴として知られる特徴的な形態変化を引き起こす。このためNgrol遺伝子群はタバコ属のいくつかの種の植物の発生と進化に関与してきた可能性が示唆されている。我々はNgrol遺伝子群の機能とその系統関係について研究してきた。始めにNgrolに対応するA.
rhizogenesの４つのRirol遺伝子（RirolB, RirolC, RiORF13, RiORF14）をタバコ（N.
tabacum）に導入したところ植物は毛状根病徴をしめした。ところが現生のN. glaucaおよびNgrol遺伝子群を導入した植物には本病徴が観察されなかった。Ngrol、Rirol遺伝子群のさまざまな組み合わせによる導入実験により機能の比較を行ったところRirolBは毛状根誘導のための機能をもつがNgrolBはこれをもたないことがわかった。分子進化遺伝学的解析によりNgrolBが毛状根を誘導しないのはORFにおける２つの点突然変異が原因であることが示唆された。これら２つの部位に部位特異的塩基置換を施したところ毛状根病徴の誘導能の回復に成功した。この２塩基置換を施したNgrolBをカリフラワーモザイクウィルス35Sプロモーター支配下で発現させたところ、導入植物に新規な形態変化が引き起こされた。この形態はRirolBの強制発現では観察されないものであった。これに対してNgrolC、NgORF13そしてNgORF14の活性は過去におきた菌からの感染導入以来、保持され続けてきたであろうことがわかった。次にNgrol遺伝子群の起源を把握するため、タバコ属の属内関係を葉緑体のmatKの配列を比較することにより検討した。分子系統解析により菌からタバコ属植物への遺伝子水平移行が独立に複数回起きたであろうことが明らかになった。タバコ属進化の過程における、Ngrol遺伝子群の水平移行とNgrolBへの突然変異の祖先植物の形質への影響を考察する。
Evolutional and genetical aspects of floral symmetry in Leguminosae
*Tatsuya Fukuda, Jun Yokoyama
Tohoku Univ.
Zygomorphic flower is one of the common forms in animal-pollinating
plants, and evolved independently on various linages of angiosperms.
Recent studies of mutant plants has revealed that the cycloidea
gene or its homologue affects floral zygomorphy in Antirrhinum
majus (Luo et al., 1996) and Linaria vulgalis (Cubas et al., 1999).
Since there is a possibility that its homologues participate in
zygomorphic flower forms of on various linages of angiosperms.
It is suggested that the cycloidea gene or its homologue had played
an important role of floral symmetry in some plant groups. We
use the legume family as a model case to investgate the genetical
background of the evolution of floral symmetry.
The result of the molecular phylogeny revealed that the evolutional
process of floral symmetry in Leguminosae has two trends; one
is from caesalpinioid flowers, which show from actinomorphy to
slight zygomorphy, to mimosoids which are complete actinomorphy,
the other is from caesalpinioids to papilionoids which exhibit
extream zygomorphy. This study aims to explain the evolution of
floral morphology, especially floral symmetry in Leguminosae by
comparing the result of molecular phylogeny and the function of
the homologues. We, therefore, first try to isolate of those cycloidea
homologues from legume species. Some candidates of cycloidea-like
cDNA in Leguminosae obtained by PCR using cycloidea-specific degenerate
primer. The similalities between cycloidea and its homologues
in Leguminosae are more than 60% identity at the amino-acid level,
especially more than 80% in two conserved regions. We have further
plans to investigate and compare the functions of these homologues
including out-groups to explore these ones functioned in floral
development.
遺伝子から見たマメ科植物の花の相称性の進化
福田達哉 Tatsuya Fukuda, 横山潤 Jun Yokoyama
（東北大 Tohoku Univ.）
左右相称花は動物媒花の一般的な形態と考えられており、被子植物の様々な分類群で平行的に進化してきたと考えられる。左右相称花の形成に関与する遺伝子として、近年cycloidea
がキンギョソウ (Antirrhinum majus ) から単離された (Luo et al., 1996)。これと相同な遺伝子がホソバウンラン
(Linaria vulgalis ) をはじめ、他の植物群の花の相称性にも関与している可能性も示唆されており(Cubas
et al., 1999)、花の左右相称性を司る普遍的な遺伝子である可能性が高い。そのために本研究では花の相称性の進化の遺伝的背景を考えるモデル系としてマメ科植物を用いた。
近年の分子系統解析の結果から、マメ科植物は放射相称花から弱い左右相称花をもつジャケツイバラ亜科から放射相称花をもつネムノキ亜科へと、ジャケツイバラ亜科から特徴的な左右相称花である蝶形花をつけるマメ亜科へという2つの進化の方向性が明らかになった。そこで本研究では、まずマメ科植物の花の形態の進化、特に花の相称性の進化の遺伝的背景を明らかにする目的で、cycloidea
と相同な遺伝子の単離を試みた。これまでに、マメ科植物からいくつかのcycloidea 遺伝子と相同な遺伝子を単離することができた。この単離した遺伝子は、アミノ酸レベルで60％近い相同性を示し、特にこの遺伝子中にある2つの保存領域の配列では80％以上の高い相同性を示した。この遺伝子がマメ科植物の花の形成過程でどのように作用しているか探るべく、今後はさらに単離された遺伝子の機能を推定し、外群を含めて比較検討することで、マメ科植物の花の相称性の進化の遺伝的背景を明らかにしようと考えている。
Phylogenetic analysis of plant myosin
Saeko Hamada
Department of Biology, Faculty of Science, Chiba University
The dynamism of cytoskeleton in cytokinesis of plant changed
in the process of evolution? Detailed comparative researches of
cytoskeleton such as localization of microtubule and actin filament
in cytokinesis, were carried out along "Green lineage".
In embryophyte cells, cytoplasm is partitioned by the construction
of a new cell wall, the cell plate, inside the cells. The new
cross-wall, or cell plate, starts to assemble ina plane between
the two daughter nuclei and in association with the residual polar
spindle microtubules, which form a cylindrical structure called
the phragmoplast. This system of cytokinesis is thought to be
based on the mechanism of Charophyceae algae. In algal cells belong
to Klebsormidiales and Zygnematales, cleavage furrow of actin
forms during cytokinesis separating the two daughter cells. These
algae is thought to be diverged in Charophyceae in the early days.
And in animal cells, the contractile ring of actin and myosin
filament forms during cytokinesis separating two daughter cells.
The cytokinesis with the contractile ring is observed in animal,
protozoa, fungi, and algae cells, that is this system is thought
that it is the most primitive and evolved the cytokinesis forming
cell plate with phragmoplast or phycoplast. To know the system
forming and controlling cell division, I focused on myosin. Myosins
are a large superfamily of motor proteins which, in association
with actin, are involved in intracellular motile processes. In
plant cells, three class (VIII, XI, XIII) of myosin is identified
and cytoplasmic streaming, chloroplast movement and membrane dynamics
depend on these myosins. I tried to identify myosin gene from
algae and bryophytes using RT-PCR. As materials, I used Charophyceae
Zygnematales Closterium p-s-l complex and Bryopsida Brydae Funariales
Physcomitrella patens, and two genes is cloned and sequenced from
them. They were placed by phylogenetic analysis of its motor domain
sequence into class VIII and XI plant myosin. I will try to research
about the evolution of myosin genes along green lineage using
gene targeting in the future.
植物ミオシンの分子系統解析
浜田朗子
千葉大学自然科学研究科
植物の細胞質分裂に関わる細胞骨格系のダイナミズムは、進化的にどのように変遷してきたのか。
現在までに、植物細胞の分裂時における微小管、アクチンフィラメントといった細胞骨格タンパクの局在などに関しては、緑色植物進化系列を通して比較研究が詳しくなされている。陸上植物などでは、
分裂面に垂直に出現する中間紡錘体の微小管からなるフラグモプラストによって細胞板がつくられて娘細胞間の境界線ができる。
この細胞分裂のシステムはシャジクモ藻綱にみられる細胞質分裂の機構がもとになっていたと考えられている。ただし、シャジク藻鋼の中でも初期に分岐したと考えられるクレブソルミディウム属、ホシミドロ属などでは、細胞膜が環状に収縮することにより、細胞質が分裂することが観察されている。そして、動物細胞においては、細胞質分裂時にアクチンとミオシンを成分とする収縮環が形成され、細胞膜がくびれることにより、母細胞は二つの娘細胞に分かれることが知られている。
このように、細胞膜環状収縮による細胞質分裂は、動物細胞をはじめ、原生生物、菌類など、生物界に広く分布することから、この形式が最も原始的な機構であり、藻類、及び植物ではそこからファイコプラスト、フラグモプラストといった、細胞板形成型の細胞質分裂に進化していったものと考えられるものである。
細胞分裂機構を形作り、実際に動かしているシステムの進化過程について知るために、本研究ではアクチン細胞骨格と相互作用して細胞内に運動性をもたらすミオシンに着目した。ミオシンは植物細胞では原形質流動、葉緑体運動など、膜構造輸送に関わっているものの存在が知られており、Myosin
VIII、XI、XIIIの３クラスの遺伝子が単離されている。
今回、私はRT-PCR法により、藻類及びコケ植物からのミオシン遺伝子の単離を試みた。実験材料には、シャジク藻綱接合藻目ミカヅキモ、コケ植物では蘚類でモデル植物として使用されているヒメツリガネゴケを用いた。
その結果、それぞれの植物から二種類のクローンが単離され、系統解析の結果、それらは既知のMyosin VIII、XIのクラスに属する遺伝子であることがわかった。今後、遺伝子系を用いてノックアウト株を作出するなど、緑色植物進化系列におけるミオシン遺伝子の分子進化について、研究をすすめる予定である。
Mouse YAF2 protein interacts with RING1B, a Mammalian Polycomb group gene
○Tomomi KANEKO, Takeshi AKASAKA , Haruhiko KOSEKI
Department of Molecular Embryology, Graduate School of Medicine,
Chiba University
Mammalian Polycomb group (PcG) proteins are known to function
during the maintenance of spatially restricted expression of Hox
cluster genes, and the protection against apoptosis in normal
and tumor cells as revealed by analyses of several PcG mutant
mice. To understand the molecular basis of PcG functions, we intended
to clarify the components of mammalian PcG
complex. We tried to identify interactors of Mel-18, a mammalian
homologue of Posterior sex combs, using the yeast two-hybrid system.
As a result, several genes homologous to Drosophila PcG genes
including Mph2 (Mouse pleiohomeotic 2) and Ring1B were obtained.
Second round screening was performed by using Ring1B protein as
bait. We got several proteins including YAF2 (YY1-associated factor
2). Ring1B associates with YAF2 via its C-terminal domain while
with Mel-18 via N-terminal Ring finger domain. Since human YAF2
is known to associate with YY1, which is an only DNA-binding protein
among PcG gene product so far we know, YAF2 might be involved
to tether mammalian PcG complex on chromatin. Isolation of mouse
YAF2 (mYAF2) cDNA from brain cDNA library revealed several isoforms
of mYAF2 protein, presumably, due to alternative splicing. The
biological function of mYAF2 is now under investigation.
マウスYAF2タンパクは哺乳類ポリコーム群遺伝子のRING1Bと
相互作用する
○金子朋未，赤坂武，古関明彦
千葉大学大学院医学研究科高次機能系専攻発生生物学講座
哺乳類ポリコーム群（PcG）遺伝子産物は、形態形成においてホメオボックス遺伝子群の空間的な発現コントロールと様々な細胞における細胞死の抑制に必須であることが，いくつかのPcG欠損マウスの解析によって明らかとなってきた．我々の研究
室ではPcGタンパクの機能の作用発現機序を分子レベルで理解することを目標として いる．始めにPcG複合体の構成を解明するために，ショウジョウバエのPosterior
sex combsの哺乳類ホモローグであるMel-18と相互作用する分子をyeast two-hybrid screening法を用いて解析を行った．その結果、Mph2
(Mouse pleiohomeotic 2) やRing1Bを含むショウジョウバエPcGに属するマウスホモローグ等，複数のクローンが得られた．第２段階のスクリーニングとして，Ring1Bタンパクと相互作用する分子を検索したところ，ヒトYAF2
(YY1-associated factor 2)のマウスホモローグを含むいくつかのクローンを得た．YAF2とRing1Bとの結合ドメインを明らかにするために，Ring1Bのdeletion
mutantを作製しYeastの系で相互作用を解析した．その結果，YAF2はRing1BとMel-18が相互作用するN末端（Ring
finger domain）を介して結合しているのではなく，C末端を介して結合していることが分か った．PcG遺伝子産物の中で唯一DNAと結合することが知られているYY1とヒトYAF2
は相互作用することが報告されていることから，YAF2はPcG遺伝子複合体が染色体上 に結合する際に関与している可能性がある．マウス脳由来のcDNAライブラリーから
mouse YAF2 を単離したところalternative splicingと考えられる３つのアイソフォ ームの存在が明らかになった．生物学的な機能を現在解析中である．
B-class floral homeotic genes in Liliaceae plant
Akira Kanno*, Arend Bohne, Heinz Saedler, Guenter Theissen
*Institute of Genetic Ecology, Tohoku University, Japan; Max Planck Institute for Plant Breeding, Germany
Studies on higher eudicots have led to the development of the
ABC model of floral organ identity determination. Expression of
an A-function gene specifies sepal formation in whorl 1. The combination
of A- and B-function genes specifies the formation of petals in
whorl 2, B- and C-function genes specify stamen formation in whorl
3, and expression of C-function alone determines the formation
of carpels in whorl 4. A-, B-, and C-function genes have been
isolated from several plant species and many of them are MADS-box
genes.
The flowers of many angiosperms, however, have an architecture
which is different from that of the typical higher eudicot flower.
Lily species, for example, have petaloid tepals rather than distinct
sepals and petals in their first two floral whorls. To find out
how the ABC model has to be modified for the Liliaceae, we have
cloned and characterized orthologs of A, B and C function genes
from Liliaceae plant, lily, tulip, and asparagus. Our result of
Northern hybridization suggest that the petaloid character of
the outer floral organs in lily is due to the "ectopic"
expression of B class floral homeotic genes in the organs of the
1st whorl of the flower. Thus with respect to the spatial aspect
of homeotic gene expression, lily spells the floral ABC a bit
different from
the higher eudicots.
ユリ科植物における花のホメオティック遺伝子（クラスB遺伝子）の解析
菅野 明*、Arend Bohne, Heinz Saedler, Guenter Theissen
*東北大学遺伝生態研究センター、マックスプランク育種研究所
双子葉植物の花は外側からがく、花弁、雄蕊、雌蕊の４つの器官から成り、これらの器官の identity の決定は花のホメオティック遺伝子によって決まる。クラスA遺伝子のみが働くとがくが、クラスA遺伝子とクラスB遺伝子がともに働くと花弁が、クラスB遺伝子とクラスC遺伝子がともに働くと雄蕊が、クラスC遺伝子のみが働くと雌蕊が形成される（ABC
モデル）。
しかしながら多くの被子植物の花は双子葉植物の花とは異なる形態をしている。例えばユリは同花被花であり、がくと花弁の区別はなく２層の花弁様の器官（tepal）を持つ。ユリ科植物において前述のABC
モデルがどのようにあてはまるのかを明らかにするために、我々は３つのユリ科植物、ユリ、チューリップ、アスパラガスからABC モデルに関与する遺伝子群を単離した。さらにユリのクラスB遺伝子の発現をノーザンハイブリダイゼーションで解析した結果、外側２層の
tepal と雄蕊において発現が見られたことから、ユリにおいては双子葉植物とは少し異なる「改変ABCモデル」が成り立つことが示唆された。
Cell-specific Anthocyanin and Flavonoid Distribution Patterns in Leaf Epidermal Tissues
｡Ekio KAWAMURA, Haruka DAN and Haruko KAZAMA
Department of Biology, International Christian University
Anthocyanins, well known coloured flavonoids, are common in
many higher plants. Chemical and biochemical aspects of anthocyanins
including their biosynthetic pathways have been extensively studied.
Recently, more attention has been paid to anthocyanins in relation
to plant development because regulatory genes of anthocyanin biosynthesis
such as TTG and GL identified in Arabidopsis thaliana are
also involved in trichome development. Distribution patterns
of anthocyanins at the organ and/or tissue level have been well
investigated, especially in petals.
It is well known that leaves of many plants can become red-coloured
under various stress conditions such as cold temperature, high
light intensity, water shortage and wounding. Under these conditions,
anthocyanins have been described mainly in the subepidermal and/or
the epidermal cells. However, very few investigations have been
carried out on cell-specific anthocyanin distribution patterns
in leaf epidermal tissues.
In this study we have demonstrated previously unknown distribution
patterns of the anthocyanin-containing cells (red cells) in leaves
of various angiosperm species. Using more than 30 different plant
species from various families, we confirmed the occurrence of
red cells in epidermal tissue and in tissues along veins. Further
microscopic observations of epidermal peels of plants displaying
different degrees of red-colouration showed an uneven distribution
of red cells in the epidermis. In all plants studied, red cells
form remarkable radial patterns that originated at stomatal complexes.
To further analyze and to quantify the phenomena, we chose two
species, Kalanchoe blossfeldiana and Solenostemon scutellarioies.
The degree of red-colouration of the leaf epidermis was measured
as a percentage of the number of the red cells per unit leaf area
to the number of the all epidermal cells per unit area. We introduced
the term "Adjacent Index (AI)" into our analysis, which
relates to the degree of each epidermal cell's distance from the
guard cell. The results of the quantitative and statistical analyses
of distribution patterns of anthocyanin-containing cells suggests
that existing stomata under various kinds of stress might play
an important role in anthocyanin production in the leaf epidermal
cells. More interestingly, studies on red cell formation in relation
to stomatogenesis, revealed that red cells and guard cells are
derived from the same stomata initial cell. The present study
is the first description of the close relationship between anthocyanin
production and stomatogenesis in plant leaves.
"Adjacent Index (AI)" indicates the degree of each
epidermal cell's distance from the guard cell.
AI of the guard cell = 0
AI of cell X =(Mininmum AI in AIs of adjacent cells to cell X)
+ 1
葉の表皮におけるアントシアニンおよびフラボノイド含有細胞の細胞レベルでの
分布パターンの解析
○河村英子・檀はるか・風間晴子
国際基督教大学・生物学教室
植物色素の一つであるアントシアニンは，その生合成系と組織・器官レベルでの分布について多くの研究がなされてきた．また最近は，アントシアニン合成制御遺伝子の一つであるttgが，トライコームの発生に関与していることが明らかにされ，アントシアニン合成が形態形成との関連においても注目されている．しかし，これらの研究において，アントシアニンの形成を実際に細胞レベルで観察し，解析した例はほとんどない．
本研究では，数十種の植物(Crassula portulacea, Kalanchoe blossfeldiana,
Lactuca sativa, Solenostemon scutellarioiesなど)の葉におけるアントシアニンの分布を細胞レベルで観察し，そのパターンを明らかにしようと試みた．
これまでのいくつかの報告にあるように，アントシアニンが表皮細胞，及び，維管束・葉脈周辺の細胞に分布していることが，いずれの植物の葉の横断面においても観察された．表皮細胞における分布についてはより詳細な解析を行い，アントシアニン含有細胞（赤色細胞）が気孔を中心とした分布パターンを示していることを見い出した．
葉の表皮の一定領域について，赤色細胞の割合（赤色化率）を顕微鏡写真により計測した．すべての細胞を，その細胞に最も近い孔辺細胞からの位置を表す，“隣接度”によって類別し，各群における赤色化率を比較した. その結果，孔辺細胞に近い群ほど赤色化率が高かった．また，領域全体の赤色化率が低い場合は，孔辺細胞から遠い群には紅色細胞は存在せず，孔辺細胞に近い群にのみ赤色細胞が分布していた．これらのことから，表皮組織における赤色細胞の分布パターンは気孔を中心とし周囲へ向かう方向性を持つことが示唆された．また，アントシアニン前駆物質であるフラボノイドを含む細胞についても，赤色細胞と同様に分布パターンの解析を行った．フラボノイドの検出はアンモニアによる黄色呈色反応を利用した．その結果，フラボノイド含有細胞についても，孔辺細胞に近い細胞群ほど常にフラボノイド含有細胞の割合が高いという結果が得られた．これらのことから，アントシアニン，およびその前駆物質であるフラボノイド含有細胞の特徴的な分布パターンの形成に，気孔装置が密接に関与していることが示唆された．また，赤色細胞は成熟した気孔を中心に観察されるだけではなく，気孔分化の過程（stomatogenesis)においても観察された．Stomatogenesisに伴って赤色化する細胞は，stomatogenesisの過程でinitial
cellより形成された細胞と推測された．このことからstomatogenesisと細胞の赤色化に何らかの関係がある可能性が示唆された．さらに，Arabidopsis
thalianaにおいてエチレン処理によるアントシアニンの誘導が可能になったので，この系を用いて赤色化パターンを経時的に検討し，赤色化のメカニズムを明らかにすることを試みている．
【隣接度の定義】
孔辺細胞の隣接度＝0
細胞Xの隣接度＝（細胞Xに隣接している最も小さい隣接度）＋１
Underdevelopment of cortical neurons with misrouted axonal paths in T/ebp (Nkx2.1) knock out mice
Kawamura K (1), Ohyama K (1), and Kimura S (2)
(1) Department of Anatomy, Keio University. School of Medicine. Tokyo, Japan (2) Laboratory of Metabolism, National Cancer Institute, NIH, Maryland. USA
The T/ebp (Nkx2.1) gene is expressed primarily in the medial
ganglionic eminence (MGE) that is the paleocortical anlage. When
examined immunohistochemically, T/ebp was also expressed in the
neocortical anlage at embryonic day (E) 12-18. In the present
study, we found defects of the neocortical development in T/ebp
knockout mice. In T/ebp mutants, calbindin D 28K (CB) positive
neocortical neurons were almost missing in the cortical plate
and intermediate zone, while calretinin immunoreactive neurons
in the marginal zone, presumably Cajal-Retius neurons, were seen
as in wild type mice. BrdU-labeling for monitoring the cell migration
in the neocortex indicated that migration of cortical neurons
generated early, but not late, was impaired in the mutants. At
E12.5, tangential migratory stream of presumptive interneurons,
immunoreactive for CB could not be observed in the mutants. TuJ1,
a marker for immature neurons, was also immunonegative. These
results suggest that T/ebp is involved in the development of neocortical
neurons, migrating from the ventricular zone and tangentially
from the MGE. In the mutants, axons traveled aberrantly from the
temporal cerebral cortex to the ventromedial part of the amygdala.
Tips of the growing axons appeared to be arrested in the amygdaloid
region. The present study indicates that the T/ebp gene is involved
in the development of both neocortex and paleocortex.
NKx2.1 遺伝子欠損マウスにおける軸索走行と大脳皮質の発達障害
川村光毅 (1)、大山恭二 (1)、木村芝生子 (2)
(1) 慶應義塾大学、医学部、解剖 (2) Laboratory of Metabolism, National Cancer Institute, NIH, Maryland. USA
T/ebp (NKx2.1) 遺伝子は旧皮質の原基を形成する内側基底核隆起に発現する。免疫組織化学的に調べてみると、T/ebp
(NKx2.1) は胎生12日?18日に新皮質の原基にも発現している。われわれは、T/ebp 遺伝子欠損マウス（KOマウス）の脳を発生学的に解析した。KOマウスでは、カルビンジン陽性の新皮質神経細胞は皮質板や中間帯でほとんど認められなかったが、辺縁帯におけるカルレチニン陽性の新皮質神経細胞は正常型のマウスと同様に認められた。BrdUで標識して、新皮質への細胞移動をみてみると、胎生の前期に（後期は然らず）誕生した神経細胞の移動がKOマウスで障害されていた。胎生12.5日でみると、カルレチニン陽性の接線方向に移動する介在性の神経細胞と思われるニューロンの流れは正常動物と違って認められなかった。これらの所見は、T/ebp
遺伝子が新皮質ニューロンの発生に関与していることを示唆している。また、T/ebp 遺伝子欠損マウスにおいて、旧皮質を含む側頭葉皮質から起こる神経軸索の走行異常が認められ、これらの軸索は扁桃核の腹内側部に向かい、核内で伸長が停止しているようにみえた。本研究はT/ebp
遺伝子が新旧両皮質ともに、その発生に関与していることを示した。
Structural analysis of Tpn family, transposable elements
of
the Japanese morning glory
Sayaka Kawasaki (1), Eiji Nitasaka (1,2)
(1) Department of Biological Science, Graduate School of Science, Kyushu University (2) Presto, JST
In the Japanese morning glory, Ipomoea nil (or Pharbitis
nil), many mutants in the colors and shapes of its flowers
and leaves have been isolated. Some mutants were known to be unstable
somatically and germinally as caused by insertions of transposable
elements. Until now, several mutant genes have been isolated in
the Japanese morning glory. For example, duplicated (dp),
a C-function MADS-box gene controlling flower development and
some genes involved in the anthocyanine synthesis had insertions
of transposable elements, termed Tpn family. These entire
elements carried common 28 bp terminal inverted repeats (TIRs)
and subterminal regions. But their internal sequences were quite
different and all of them thought to be nonautonomous elements.
These nonautonomous elements in mutable alleles should be mobilized
by autonomous elements.
To characterize structures of Tpn transposable elements,
more than 200 Tpn clones were isolated and classified into
31 groups by their restriction maps. We determined complete sequences
of 12 Tpns. Moreover, we isolated Tpn cDNAs and
analyzed their partial intron-exon structures of a few groups.
It was shown that the internal sequences had high homology to
plant genes by the BLAST search. Therefore, internal sequences
of Tpns were derived from host gene sequences. For example,
Tpn104 had high homology to a homeotic gene, APETALA2
(AP2), and Tpn106 had high homology to CARPEL
FACTORY (CAF) controlling cell division in floral meristems.
We have isolated original host copies of these two genes, and
now analyzing their structures. Comparison of Tpn copies
with original host gene may elucidate that how and when Tpns
have captured the host gene sequences. Some groups can be combined
to the same group by their internal homology rather than their
restriction maps. For example, Tpn123, Tpn128 and
Tpn1 (Inagaki et al., 1994) had high homology to HMG protein
and belong to the same group. Tpn123 had substitutional
changes and Tpn128 had internal deletion(s).
Another interesting feature of the Tpn family is that recombination
events were observed in their subterminal regions between different
groups, because the phylogenetic tree of each 5' and 3' sequences
did not make parallel relationships.
アサガオ（Ipomoea nil）のトランスポゾン、Tpn ファミリーの構造解析
川嵜明 (1)、仁田坂英二 (1,2)
(1) 九州大学大学院理学研究科生物科学専攻 (2) 科技団さきがけ
アサガオでは様々な色や形の突然変異が多く知られている。それらの中には易変性を示すものもあることや、江戸時代の一時期にほとんどの突然変異が起こっていることから、多くの突然変異がトランスポゾンによって誘発されていると考えられる。実際に、これまでに単離された牡丹（duplicated）・雀斑（a-3-flecked）・吹掛絞（speckled）などの突然変異遺伝子にはトランスポゾンの挿入があった。それらに挿入していたトランスポゾンは全て共通の
terminal inverted repeats (TIRs) と subterminal regionsを持ち、Tpnファミリーと呼んでいる。しかし、これらのTpnの内部配列はそれぞれ異なっており、宿主であるアサガオのゲノムに由来する。本研究ではTpn内部へのゲノムの取り込み機構やトランスポゾンの進化機構の解明および転移を支配している自律性因子を単離することを目的として、多数のTpnを単離し塩基配列を解析した。
Tpnはゲノム中500－1000コピー存在すると考えられ、約200クローンを内部配列の制限酵素地図から分類した結果、31のグループに分類された。これまでに12の各グループを代表するTpnについて全塩基配列を決定した。塩基配列の比較から、いくつかのグループは制限酵素地図からは欠失や塩基置換によって別グループに分けられたが本来は同じタイプであることがわかった。また内部配列のBLAST検索の結果、ほとんどのTpnはアラビドプシスなどの植物遺伝子と高い相同性があった。そのため内部の配列は宿主であるアサガオのゲノムDNAに由来すると思われる。例えばTpn104
は花の形態形成に関与するホメオティック遺伝子である APETALA2 (AP2) の配列と、Tpn106では花の分裂組織の細胞分裂を制御する遺伝子であるCARPEL
FACTORY (CAF) の配列と高い相同性があった。このような重要な遺伝子を内部に取り込み、コピー数を増やしていることは驚くべきことである。現在この２つの遺伝子についてアサガオのゲノムのオリジナルの遺伝子を単離し、構造を解析している。Tpnの内部配列とその配列が由来すると思われる宿主の配列を比較することで、Tpnが進化の過程において宿主の遺伝子を取り込んできた機構を明らかにできると考えている。予想される機構として、excision
の際の不完全な gap repair により別の似た配列を鋳型にしてDNAを合成し、内部に取り込んだと考えている。また、内部配列をプローブとしてcDNAライブラリをスクリーニングしたが、ほとんどのTpnは転写活性があり、一部についてはイントロン・エクソン構造も決定した。
進化学的解析を行うため、共通の subterminal regions の５’側と３’側それぞれについて系統樹を作成したところ、形の異なる系統樹が得られた。本来トランスポゾンは一つのユニットとして転移するため、同じ形の系統樹が得られるはずであり、このことはTpnのグループ間の
subterminal regions 間で組み換えが起こっていることを示唆している。以上のようなことからTpnの進化や、アサガオの進化や遺伝子発現に及ぼす影響についても考察したい。
Ethylene Alters Cell Division Patterns and Induces Histogenesis and/or Organogensis of Developing Seedlings of Cucumis sativus and Arabidopsis thaliana.
｡Haruko KAZAMA1, Haruka DAN1 and Geoffrey O. WASTENEYS2
1 Department of Biology, International Christian University 2 Research School of Biological Sciences, The AustralianNational University
Ethylene, well known as the fruit-ripening hormone, also regulates
a variety of developmental processes including senescence, leaf
abscission, sexdetermination, root initiation and cell elongation.
Although ethylene has not been considered a requirement for normal
vegetative growth, it has been suggested that ethylene plays an
important role in regulating the size and stature of plants in
response to various environmental cues and numerous effects of
ethylene on developing seedlings have been reported. In addition,
recent molecular-genetic approaches using ethylene mutants have
made great progress in the analysis of the ethylene signalling
pathway.
Because of the dramatic effects of ethylene on germinating seedlings
known as the "triple response", most ethylene-related
mutants have been identified by either displaying the triple response
constitutively or by their failure to display the wild-type triple
response upon exposure to exogenous ethylene. However, there have
been no reports to demonstrate that ethylene has any influence
on cell division patterns in developing young seedlings.
We have identified previously unknown effects of ethylene on cell
division patterns that result in altered histogenesis and/or organogenesis.
In the developing seedlings of Cucumis sativus, ethylene
induced branch-like structures on the hypocotyl, which consistently
carried a pair of guard cells at their outermost point and frequently
developed trichomes. Monitoring the effects of application of
ethylene to seedlings at various stages of development, suggested
that extra tissues were derived from cells that retained the potential
to divide, such as guard mother cells and/or subsidiary mother
cells. Ethylene also promoted extra cell divisions in cells of
other tissues that retained potential for division, including
the vascular system, trichomes, and the pericycle, the latter
promoting adventitious root formation. The polarity of the cell
division axis was also highly disturbed, resulting in cells with
abnormal cell division plane.
Similar extra cell divisions and alterations in cell polarity
were observed with all tissue layers of the primary root of Arabidopsis
thaliana. A novel mutant of A. thaliana showing the
above mentioned ethylene-induced phenomena was segregated, which
allows us now to make further analyses of ethylene-mediated pathway
of these responses.
From these results the discussion will have three pivotal concerns:
(1) et hylene increases the propensity of cells to divide, (2)
ethylene alters cell polarity and (3) how the cytoskeleton is
involved in the ethylene-induced alteration of cell division patterns
and cell enlargement.
Cucumis sativus とArabidopsis thalianaの芽生えの器官・組織分化に及ぼす
エチレンの作用
○風間晴子1・檀はるか1・Geoffrey O. Wasteneys 2
1 国際基督教大学・生物学教室， 2 オーストラリア国立大学・生物学研究所
私たちはエチレン処理によりキュウリ(Cucumis sativus L.)の芽生えの胚軸上に分枝状構造を誘導することが出来た．この構造は，胚軸にしばしば見られる不定根とは全く異なる形態を有するものであり，エチレンにより胚軸上に新たな器官・組織が誘導されたということである．
エチレンは，一般には果実の熟成を促進させるホルモンとして知られている．単純な構造を持つ，唯一の気体のホルモンであり，成熟した果実自身もエチレンを放出し，近くに存在する果実の成熟に作用したり，芽生えの成長に影響を及ぼすことから，アレロパシー物質とも言われている．その作用は広範にわたり，植物の老化過程，落葉，性の決定，発根，細胞伸長などさまざまな過程を制御している．エチレンは通常の栄養成長に必要なホルモンとは一般に考えられていないが，エチレンの『トリプルレスポンス』として知られる芽生えに対する影響に代表されるように，芽生えの成長はエチレンによって大きな影響を受ける．最近は，エチレンのシグナル伝達系に関係する突然変異体が数多く単離され，分子細胞生物学的研究が盛んに行われている．これらの突然変異体を用いた解析は，ほとんどが『トリプルレスポンス』に関連したものとして進められている．しかし，これまで知られていなかったエチレン作用として本研究が示すように，エチレンは細胞分裂能や細胞の極性への作用を通して，細胞分裂パターンに大きな影響を与え，新たな器官・組織分化を促す．従って，こうしたエチレンの新たな作用の解析を通して，エチレンの形態形成への関わりを解明することが重要であると考え，研究を行ってきた．
上述の胚軸上の新たな『分枝状突起構造』は，その先端部に必ず一対の孔辺細胞が存在し，また，多くの場合，通常胚軸に見られるトライコームと同様の形態のトライコームが観察される．この現象は，これまで知られていなかった，エチレンによる新たな器官・組織分化と考えられるが，エチレンの処理条件を変化させた実験から，これらの組織分化は，エチレン処理の時期に孔辺母細胞，副細胞母細胞のような，潜在的に分裂能を有する細胞の細胞分裂が著しく促進されることによってもたらされると考えられる．こうしたエチレンによる細胞分裂の促進作用は『分枝状突起構造』に見られるばかりではなく，トライコームを形成するの細胞数の増加，維管束系の細胞数の増加，不定根の誘導促進など，芽生えのさまざまな組織に認められた．
また，エチレンにより孔辺細胞の配向の乱れ，トライコームの分枝や向きの乱れ，根の伸長方向の乱れなど，エチレンにより細胞の極性が著しく乱されていることを示唆するような結果が得られた．
これらのエチレン作用は，Arabidopsis thalianaにおいても認められる．一方，私たちは，こうしたエチレン作用による現象と同様の表現型を示す突然変異体を単離したので，エチレンの作用機構について，より解析的なアプローチを現在試みている．
GENES FOR TWO DIMENTIONAL GROWTH OF LEAVES
Gyung-Tae Kim*, Hirokazu Tsukaya
National Institute for Basic Biology
The leaf is the key organ for a full understanding not only
of plant morphogenesis but of its biodiversity. We showed previously
that two genes of Arabidopsis are responsible for the polarity-specific
expansion of leaves (Tsukaya et al., 1994; Tsuge et al., 1996).
We succeeded in the molecular cloning of the ROT3 gene, which
regulates polar elongation in the leaf-length direction, showed
that the ROT3 gene encodes a cytochrome P450, CYP90C1 (Kim et
al., 1998). We also succeeded to bio-design the leaf morphology
of Arabidopsis from genetic manipulation of ROT3 (Kim et al.,
1999). Present study suggests that the ROT3 gene is thought to
be involved in a novel-branched pathway in brassinosteroid biosyntheis.
To elucidate the hypothesis describe above, we performed cloning
of the ROT3 homolog. This homolog shows approximately 50% identity
to ROT3 with amino acid level. Phylogenteic tree shows that the
ROT3 homolg might be same subfamily of ROT3. In order to investigate
the function of this gene in leaf development, its molecular analysis
is ongoing.
On the other hand, the AN gene regulates width of leaf cells independently
from the function of the ROT3. We also succeeded to isolate the
gene for AN by map-based cloning. The AN gene encodes the novel
protein of plant that homologous to human C-terminal binding protein
(CtBP). As a result we identified a genomic clone from chromosome
I that complements the phenotypes of the an mutation. Molecular
characterization of this gene is ongoing.
Based on the above results, we shall discuss on molecular function
of ROT3 and ROT3 homolog in leaf expansion process and on mechanism
of regulation of orientation of cortical microtubules by AN gene
in leaf cells.
葉の極性伸長制御遺伝子群の機能解析
キム キョンテ＊、塚谷 裕一
基礎生物学研究所
葉の発生の制御機構を解明することは、植物の形、多様化の仕組みの理解に必須である。これまでに私たちは、発生遺伝学的手法を導入し、アラビドプシスの葉の全形が、細胞レベルでの極性伸長を通じ、縦方向と横方向との二方向独立に、制御を受けていることを明らかにしてきた。
このうち縦方向の伸長を司るROT3遺伝子単離の結果は、既に報告(Kim et al. 1999; Kim et al. 1998)したように、P450遺伝子族
の一種であることが明らかになった。ROT3はブラシノステロイド合成系の遺伝子と酷似しているが、ブラシノステロイド処理によってrot3の表現型が完全に回復しない。またROT3遺伝子の発現パターンを調べた結果、ブラシノステロイド合成系の中間産物のcastasteroneで発現が誘導され、最終産物のbrassinolideで発現が抑制されることが判明した。この結果は新規の生長調整系が実際存在し、既知のブラシノステロイド合成系とも関連していることを意味する興味深い結果である。さらにその制御機構を詳しく知るため、ROT3類似遺伝子を単離し、トランスジェニック植物を作成した。現在その機能解析を進めている。
一方、横幅方向への伸長を司るAN 遺伝子については、map-based cloningによりクローニングに成功した。AN 遺伝子は塩基配列の情報から見て、ヒトC-terminal
Binding Proteinに似た特異な蛋白をコードしている。このような特徴をもつ遺伝子は、植物からのものとしては初めてのケースである。また、ヒト、マウスなどの動物においてもその遺伝子の機能がほとんど解明されていないため、AN
遺伝子の機能解析は生物の基本メカニズムを理解する上でも非常に重要である。現在AN-GFP 融合蛋白を作成し、その動きをin
vivoで解析している。
今回は、ROT3類似遺伝子の機能について、またan変異体での、葉の細胞における細胞表層微小管の配向異常と、AN遺伝子そのものの分子遺伝学的解析から、その機能について考察したい。
Genomic imprinting of the MEDEA polycomb gene
in the Arabidopsis endosperm
Tetsu Kinoshita, Robert L. Fischer
University of California Berkeley
Imprinting is a phenomenon that is commonly observed in mammals
and higher plants. For imprinted genes, the maternal and paternal
alleles are marked and expressed differently. In both plants and
animals, many imprinted genes have a profound effect on embryo
development. Here we report that genomic imprinting of the MEDEA
polycomb gene in the model plant system, Arabidopsis.
In flowering plants, two cells are fertilized in the haploid female
gametophyte. Egg and sperm nuclei fuse to form the embryo. A second
sperm nucleus fuses with the central cell nucleus that replicates
to generate the endosperm. The function of the endosperm, like
the placenta in mammals, is to support embryo development. MEDEA
(MEA) encodes an Arabidopsis SET domain Polycomb protein. Inheritance
of a maternal loss-of-function mea allele results in embryo abortion
and prolonged endosperm production, irrespective of the genotype
of the paternal allele. To understand the molecular mechanism
responsible for the parent-of-origin effects of mea mutations
on seed development, we compared the expression of maternal and
paternal MEA alleles. Only the maternal MEA mRNA was detected
in the endosperm from seeds at the torpedo stage and later. By
contrast, expression of both maternal and paternal MEA alleles
was observed in the embryo from seeds at the torpedo stage and
later, seedling, leaf, stem and root. Thus, MEA is an imprinted
gene that displays parent-of-origin-dependent monoallelic expression
specifically in the endosperm. The silencing of the paternal MEA
allele in the endosperm, and the phenotype of mutant mea seeds,
support the parental conflict theory for the evolution of imprinting
in plants and mammals.
アラビドプシス胚乳における MEDEA ポリコーム遺伝子の
ゲノミックインプリンティング
木下 哲*，Robert L. Fischer
カリフォルニア大学バークレー校
ゲノミックインプリンティングは哺乳類および種子植物に共通してみられる現象である。一般に、インプリンティングを受ける遺伝子は両性のどちらから遺伝したかによって、一方の親由来の遺伝子は発現し他方は発現抑制を受ける。さらに、インプリンティングを受ける遺伝子は、多くの場合、胚形成に影響を与える。今回我々は、植物におけるMEDEA(MEA)ポリコーム遺伝子の胚乳におけるインプリンティングについて報告する。
種子植物では、重複受精という動物とは異なった受精によって発生を開始する。すなわち、花粉由来の一つの精細胞は卵細胞と融合して胚を形成し、他方の精細胞は中央細胞と融合して胚乳を形成する。シロイヌナズナのMEDEA遺伝子はSETドメインポリコームタンパク質をコードし、胚乳の増殖を抑制するタンパク質である。さらに、mea突然変異体は、mea変異型遺伝子が、母親から遺伝したか父親から遺伝したかによって異なった表現型を示す。すなわち、母親から変異型遺伝子を受け継ぐと、父親の遺伝子型に関わらず、種子形成過程で胚乳が肥大し胚発生を停止する致死性を示す。我々は、このいわゆるparent-of-origin 効果を分子レベルで解明するため、MEA遺伝子内の多型を利用して、シロイヌナズナの二種のエコタイプのF１ハイブリッドにおける母親および父親由来のMEA遺伝子の発現量を比較した。その結果、torpedo以降の胚および、幼植物、根、茎、葉では両性に由来するmRNAが検出されたのに対し、胚乳においては母親由来のmRNAのみ検出され、父親由来のmRNAは検出されなかった。これらの結果より、MEA遺伝子は胚乳においてインプリンティングを受ける遺伝子であることが明かとなった。また、parent-of-origin効果によって
生じる胚発生の停止は、胚乳においてMEAタンパク質が欠失する結果生じると考えら れる。今回得られた、MEA遺伝子の胚乳におけるインプリンティングとMEAタンパク質の機能は、インプリンティングの進化を説明した"parental
conflict theory"を支持する。
In vivo Assay for Functional Domains of Otx in
Sea Urchin
Takae KIYAMA, Koji AKASAKA, Keiko MITSUMAGA-NAKATSUBO,
Hiraku SHIMADA
Graduate Department of Gene Science, Fuculty of Science, Hiroshima University
Two distinct types of Otx proteins (HpOtxE/L) bind to the enhancer
element located in the 1st intron of the sea urchin arylsulfatase
(Ars) gene. They have been implicated as transcription
activators of the Ars gene. By in vivo tranactivation
experiments, we demonstrated that HpOtxL activates Ars
promoter. To avoid any ability caused by endogenous HpOtx, we
used a Gal4-UAS system. The result indicates that 5ﾕ and 3ﾕ elements
of Otx sites are required for C15 enhancer activity. To determine
functional domains of HpOtx, Gal4-OtxL proteins were truncated
to various extent and used for the transactivation assay. It is
suggested that the C-terminal region has a function to activate
the Ars promoter and may interact with other factors to
enhance the transcriptional activity cooperatively.
ウニOtxの機能を生体内でアッセイする
木山貴恵、赤坂甲治、光永ー中坪敬子、嶋田拓
（広島大学理学部遺伝子科学）
我々はウニ、アリールスルファターゼ(Ars)遺伝子をモデルに遺伝子の発現調節機構を明らかにする目的で研究している。Ars遺伝子の第一イントロン内のC15エンハンサー領域にはOtx認識配列があり、そこに2種類のOtx タンパク質(HpOtxE/L)が結合する。HpOtxはArs遺伝子の転写活性化因子ではないかと考えられた。そこで我々はin vivo transactivation assayを行い、HpOtxLがArs遺伝子を活性化することを証明した。さらに内在性のHpOtxによる影響を除外するため、Gal4-UASの系をアッセイ系に導入し、転写活性化を研究するために良い解析系を確立した。In vivo transactivation assayの結果、C15領域内のOtx siteだけでなくその両側の配列もC15のエンハンサー活性に必要で、Otx siteとその両側の配列は協同的にエンハンサー活性を上昇させることが明らかになった。HpOtxの機能ドメインを同定するため、部分欠失Gal4-Otxタンパク質を用い、transactivation に用いた。その結果、C末端側の領域が転写活性化能を持っていること、HpOtxはC末端側の同じ領域を介して他の因子と相互作用していること、タンパク質のN末端側領域はC末端側領域に対する調節ドメインであることが明らかになった。
The MADS-box gene of the moss Physcomitrella patens, PpMADS1 is expressed in haploid reproductive organs: gametangia
Rumiko Kofuji and Mitsuyasu Hasebe
National Institute for Basic Biology
The MADS-box genes encode a family of transcriptional factors,
some of which play roles as homeotic selector genes for floral
organ development in angiosperms. Recent studies suggest that
the increase in the number of MADS-box genes by gene duplication
and the subsequent recruitment of some MADS-box genes to be expressed
in specific tissues were important for the evolution of complex
reproductive organs. The function of MADS-box genes in gymnosperms
and ferns could not be analyzed, because transformation technique
has not be established. To understand the role of MADS-box genes
in the primitive land plant, three MADS-box genes (PpMADS1,
2 and 3) were cloned from the moss Physcomitrella
patens. PpMADS1 retained the K-box conserved in the
MADS-box genes from seed plants and fern, but PpMADS2 and
3 had disrupted partial K-box like region. By northern
analyses, PpMADS1 was expressed in haploid protonema and
gametophore. In the moss Physcomitrella patens, homologous
integration is the predominant transformation pathway. We report
here experiment designed to replace PpMADS1 allele with
translational fusions of the coding regions of genomic PpMADS1
to the bacterial uidA gene that encodes _-gulucronidase
(GUS) . In homologous recombinants PpMADS1 promoter activity
was monitored by staining for GUS activity. Three independent
transformants by homologous recombination show similar GUS activities
in gametangia. In developing antheridia (male gametangia), GUS
expression was detected in the formation of the spermatozoide.
In developing archegonia (female gametangia), expression was likely
to find. These data might suggest PpMADS1 gene product
is a transcriptional regulator of gamete development in Physcomitrella.
コケ植物であるヒメツリガネゴケ（Physcomitrella patens）のMADS-box遺伝子
PpMADS1 は生殖器官で発現する
小藤累美子、長谷部光泰
基礎生物学研究所
MADS-box遺伝子は被子植物の花器官形成におけるホメオティック遺伝子として働くことが知られている。近年の研究から、維管束植物の進化の過程でMADS-box遺伝子群の増加と機能分化が段階的に起こったことが推定されているが、原始的な機能についてはわかっていない。このことを明らかにするため、原始的な陸上植物であるコケ植物のヒメツリガネゴケ（Physcomitrella
patens） を用いて MADS-box遺伝子の解析を行った。
単離された3つの MADS-box遺伝子（PpMADS1、2、3）のうち、維管束植物のMAD-box
遺伝子の祖先遺伝子である可能性のあるPpMADS1 は、ノザン解析では半数体世代の原糸体、茎葉体の両方で発現していることがわかっている。ヒメツリガネゴケは相同組換えが高頻度で起こることが知られており、遺伝子ターゲティングが容易である。今回、PpMADS1-uidA
融合遺伝子を遺伝子ターゲティングによりゲノム中の PpMADS1 領域に導入し、GUS染色を行ったところ、雄性生殖器官である造精器で発現していることがわかった。一方、原糸体、茎葉体では発現を確認することができなかった。雌性生殖器官である造卵器での発現は現在解析中である。
Fork head genes in planarians
｡Satoshi Koinuma,Yoshihiko Umesono,Kenji Watanabe and Kiyokazu Agata
Himeji Institute of Technology
Planarians are considered to belong to the most primitive animals
developing central nervous system (CNS) during evolution. However,
recent our studies revealed that planarians have well organized
CNS rather than our expectation and several functional domains
have been identified in their brains (Agata et al., 1998). Furthermore,
within their brains there are distinct structural domains which
are distinguished by the population of cells expressing three
otd/otx-related genes ( Umesono et al., 1997, 1999 ). This
indicates that early in evolution, planarians had acquired a regionality
within their brains by using otd/otx-gene as a genetic
program for brain development. Interestingly, we also found the
structure of planarian CNS (Agata et al., 1998) highly similar
to that of the primary neurons of Xenopus laevis which
is stained by X-Delta-1 as a probe by in situ hybridization.
Thus, planarians would be an appropriate animal for the study
of the brain evolution, being likely to have a prototype of the
brain.
BF-1 is a transcription factor which has winged-helix DNA-binding
domain. Its expression is restricted to the telencephalon in mouse,
and it is suggested that this gene is involved in cell proliferation,
since the chicken BF-1 homolog (qin) was first identified
as cellular counterpart of avian retrovirus and has oncogenic
activity (Li et al., 1993). Gene targeting of rodent BF-1
resulted in the considerable reduction in the size of the cerebral
hemispheres due to a failure of cell proliferation (Xuan et al.,
1995). These observations present an interesting hypothesis that
BF-1 gene may have a function involved in cell proliferation
originally, but was integrated into a genetic program to specify
the anterior brain in the course of evolution. Cell proliferation
caused by BF-1 at the telencephalon had led the enlargement
of cerebral hemisphere. To investigate when BF-1 gene was
recruited to specify the anterior brain during evolution, we first
examined whether planarian have the BF-1 homologous gene
and if it does, then how it is expressed. This kind of approach
will give us a clue to deduce the origin of the cephalization.
While screening the planarian cDNA library, eight members of winged-helix
transcription factors were identified. After the analyses of primary
amino acid sequences, a BF-2 and fork head/HNF-3
group gene was also identified. Here, we describe the expression
of these genes by in situ hybridization in both intact
and regenerating planarians.
プラナリアのfork head遺伝子群
○鯉沼聡、梅園良彦、渡辺憲二、阿形清和
（姫工大）
われわれは脳の進化を＜脳を作る遺伝子プログラムの進化＞という観点から解析するため、集中神経系を獲得した最初の動物であるプラナリアの脳の遺伝子プログラムを解明し、それを基本プログラムとして、どのような遺伝子がリクルートされて脳が進化したのかを理解することを行っている。現在までに�@プラナリアの集中神経系は脊椎動物の初期胚に一過的に出現する一次集中神経系と構造が類似していること、�Aショウジョウバエや脊椎動物で脳の形態形成のパターニングに関与している遺伝子群（Otxファミリー）がプラナリアの脳でも領域性をもって発現し、脳をつくる遺伝子プログラムとして機能していることを明らかにしてきた。
遺伝子が進化のどの段階で脳をつくる遺伝子プログラムに組み込まれたのかを調べるため、まずプラナリアにBF-1遺伝子相当の遺伝子があるのか、あった場合にはプラナリアでも脳をつくるプログラムとして機能しているのかを調べることにした。BF-1はwinged
helix DNA結合モチーフをもつ転写因子であり、まずプラナリアにおいてこのモチーフをもつ遺伝子断片をクローン化し、分子系統樹解析によってそのタイピングをおこなった。その結果プラナリアから8種類のwinged
helix遺伝子がクローン化され（Djfkh1-8）、それらの中からBF-1のクラスに分類されたDjfkh8についてプラナリアcDNAライブラリーから単離し、その構造を解析するとともに、その発現部位をwhole
mount in situ hybridizationによって調べることとした。その結果、Djfkh8遺伝子はDNA結合ドメインにおいてBF-1と高い相同性をもち、分子系統樹解析からもBF-1相同遺伝子と考えられた。しかし、脳神経節での発現は領域特異的ではなく、また再生過程での発現も領域特異性はみられず、再生に参加する一部の細胞で強く発現するように観察された。以上のことからプラナリアにはBF-1相同遺伝子は存在しているが、脳での領域特異的な発現制御を受けているわけではなく、プラナリア以降の進化の段階で終脳領域特異的な発現パターンを獲得したと考えられた。
また、同じwinged helix遺伝子ファミリーに属するBF-2、HNF-3相同遺伝子を単離（Djfkh4,5）し、その発現についても解析をおこなったところ、興味深い結果が得られたので併せて報告したい。
Organization of Hox Gene Loci in Medaka Fish
Gene Kurosawa
Nagoya University
We identified 29 Hox genes in medaka genome by PCR screening.
In the
pufferfish Fugu rubripes, 4 Hox clusters that encode 31 Hox genes
in total
have been identified. On the other hand, in zebrafish Danio rerio,
the
presence of 7 Hox clusters containing 47 Hox genes has been reported.
Since
it seems to be general in mammals that 39 Hox genes are encoded
in 4
separate clusters, it would be an interesting question to ask
how Hox gene
loci have been multiplied in the vertebrate evolution. The number
of Hox
genes identified in medaka genome appears to be similar to that
in
pufferfish rather than zebrafish. However, we may have overlooked
some Hox
genes in the PCR survey. We started screening a BAC library of
the medaka
genome constructed in our group using Hox gene probes. We have
isolated 28
independent Hox gene-containing BAC clones. We are going to present
the
results of BAC clone analyses.
メダカHox遺伝子郡の解析
黒澤 仁
名古屋大学
我々はPCRスクリーニングにより、29のHox遺伝子をメダカゲノム中から単離同定した
。フグでは4つのHox cluster に31個のHox 遺伝子が含まれている事が知られている
。一方、ゼブラフィッシュでは7つのHox clusterに47のHox遺伝子が含まれている事
が報告されている。哺乳類の39Hox遺伝子が4つの異なったclusterに含まれる形を一
般形とした時、上記の二つの異なった事実は脊椎動物の進化を追う上で非常に興味深
い。メダカゲノムよりPCRスクリーニングによって得られたHox遺伝子数はゼブラフィ
ッシュよりもフグに似ていたものとなった。しかし、我々はいくつかの取りこぼしを
しているであろう。そこで我々はそれまでに得られたHox遺伝子をプローブにメダカB
ACライブラリーのスクリーニングを開始した。そしてその結果我々は28個のHox遺伝
子を含むBACクローンを単離した。現在これらのクローンを解析している。
Mechanisms of polyphyletic evolution of anural development
in ascidians
Takehiro Kusakabe
Division of Biological Sciences, Graduate School of Science, HokkaidoUniversity
Most ascidians pass through a tadpole (urodele) larval stage,
although some species have derived a tailless (anural) larva.
New insights into the evolution of anural larvae in the Roscovita
clade of molgulid ascidians were obtained from studying embryonic
development of the transitional anural species Molgula bleizi
and from phylogenetic analysis based on muscle and cytoskeletal
actin gene sequences. By observing in vitro fertilized
eggs, we found that M. bleizi, previously described as
a typical anural developer, actually forms a short immotile tail
during embryogenesis. The short tail contains notochord lineage
cells, which undergo abbreviated morphogenetic movements but eventually
arrest in development. M. bleizi tail muscle lineage cells
produce the muscle enzyme acetylcholine esterase (AChE) but do
not express muscle actin genes. The presence of a short tail,
a vestigial notochord, and AChE-positive muscle cells suggest
that M. bleizi is a recently derived anural species. Phylogenetic
trees reconstructed using muscle and cytoskeletal actin sequences
suggest that the anural developer M. bleizi diverged from
the common ancestor prior to the divergence of the urodele developer
Molgula oculata and the anural developer Molgula occulta
in the Roscovita clade. Our results suggest that the anural larva
evolved at least twice in the Roscovita clade of molgulid ascidians.
An M. bleizi larval muscle actin gene (MbMA1) was
shown to be a pseudogene based on critical deletions in its coding
region that would result in a nonfunctional actin protein. The
mutations in MbMA1 are distinct from and have evolved independent
of the larval muscle actin pseudogenes MoccMA1a and MoccMA1b
in Molgula occulta, another anural developer in the Roscovita
clade. Pseudogene formation explains the absence of muscle actin
mRNA in M. bleizi and M. occulta embryos. AChE activity
and expression of muscle actin-lacZ fusion genes in muscle
lineage cells suggest that the anural species still retain functional
transcription factors responsible for muscle-specific gene expression
in their vestigial muscle cells. Thus, the regression of muscle
cell differentiation during the evolution of anural larvae seems
to have been mediated by changes in muscle-specific differentiation
genes, such as actin genes, rather than in the trans-acting regulatory
factors required for their expression.
異なる系統で独立に生じたホヤ無尾幼生の進化のメカニズム
日下部 岳広
北海道大学大学院理学研究科生物科学専攻
一般に尾索動物ホヤは尾をもったオタマジャクシ幼生を経て、変態し成体へと発生する。ところが、モルグラ科など一部のグループのホヤには、尾を持たない無尾幼生を経て成体に至る種類（無尾種）が存在する。これらの無尾種は有尾種から二次的に生じたものと考えられている。３種の近縁なホヤについて胚発生の比較と分子系統学的解析を行い、さらに発生様式の進化にともなう遺伝子の構造と発現調節の変化を調べた。Molgula
oculataの幼生はオタマジャクシ型で横紋筋を備えた尾を使って泳ぐが、近縁種のMolgula occultaの幼生は完全な無尾である。両種と近縁な無尾種Molgula
bleiziの胚発生を詳細に観察したところ、運動性の無い短い尾を作ることが判明した。M. bleiziの短い尾には退化した脊索細胞と筋肉細胞が含まれ、M.
bleiziは比較的最近に無尾種へと進化したと考えられる。細胞骨格アクチン遺伝子および筋肉アクチン遺伝子の配列を用いて分子系統学的解析を行ったところ、無尾種M.
occultaと有尾種M. oculataが最も近縁であり、M. occultaとM.
bleiziは独立に無尾幼生を進化させたことが示唆された。無尾幼生は分化した筋肉細胞をもたない。そこで、幼生筋アクチン遺伝子に着目し、無尾種が尾を失った進化の過程での遺伝子レベルの変化を解析した。２つの無尾種
M. occulta と M. bleizi では共に幼生筋アクチン遺伝子の発現がみられない。これらの無尾種の幼生筋アクチン遺伝子は翻訳領域に生じた変異によりアクチン遺伝子としての機能を失っていた。一方、筋肉特異的遺伝子発現に必要な転写因子は、機能し得る状態で無尾種の退化した筋肉細胞に存在することが示された。無尾幼生の筋肉細胞の退化には筋分化を制御する転写因子の変化よりも、アクチンなど筋肉特異的構造タンパク質の遺伝子に生じた変化が重要な役割を果たしたと考えられる。
Evolution of chordate actin multigene families: insights from amphioxus and medaka actin genes
Rie Kusakabe
Division of Biological Sciences, Graduate School of Science, Hokkaido University
To investigate the relationships between the actin gene evolution
and their roles in development, we characterized amphioxus and
medaka (Oryzias latipes) actin genes, and have studied the regulatory
mechanisms for different muscle actin genes.
We isolated multiple muscle and cytoplasmic actin genes from two
closely-related species of amphioxus. Amphioxus was found to have
vertebrate-type muscle actin genes, and its characteristic deduced
amino acid sequence implies that it diverged early in evolution.
Transcripts of this muscle actin gene appears in the somites and
the myotomal expression continues throughout larval development.
A comparison of nucleotide sequences of muscle actin genes beteen
the two species suggests that a gene conversion may have occurred
between two muscle actin genes.
Medaka has muscle actin genes very similar to those from vertebrates.
The skeletal muscle actin gene OlMA1 is expressed in skeletal
muscle, whereas the cardiac muscle actin gene OlMA2 is expressed
in the skeletal muscle and the heart. The upstream regions of
these two genes contain motifs such as E-box and CArG box, putative
binding sites of transcriptional factors for muscle-specific gene
expression. We have constructed promoter-reporter fusion genes
in which the actin gene upstream regions are fused with the green
fluorescence protein gene. By injecting the reporter genes into
medaka fertilized eggs, we investigated the roles of different
regions of muscle actin gene promoters. A fusion gene containing
the region up to -949 of OlMA1 exhibited strong expression in
somitic muscle. The coexistence of two regions, -949/-662 and
-421/-201, is necessary for skeletal muscle-specific expression
of OlMA1. Two E boxes and other unidentified sequences cooperatively
function to achieve the full activity of the enhancer -949/-662.
As for OlMA2, the region up to -520 is sufficient for strong muscle-specific
expression. The region between -520 and -174 of OlMA2 is necessary
for specific expression in both skeletal and cardiac muscles.
In addition to the CArG box located at -140, an E-box at -430
is important for the expression in cardiac muscle as well as skeletal
muscle. When the enhancers for the two muscle actin genes were
switched and combined with each other's promoter, they were able
to upregulate tissue-specific expression according to their origin.
These results suggest that distinct expression patterns of OlMA1
and OlMA2 are regulated by combination of regulatory modules,
each of which contains multiple regulatory elements.
Our findings suggest that the multiple genes encoding muscle and
cytoplasmic actin isoforms arose independently in each of the
three chordate lineages, and gene duplications and gene conversions
established the extant actin multigene family during chordate
evolution. Currently we are investigating the evolution of regulatory
mechanisms of these actin genes by comparison of cis-regulatory
regions of different actin genes from different species.
脊索動物のアクチン遺伝子ファミリーの進化
～ナメクジウオおよびメダカを用いた解析より
日下部りえ
北海道大学大学院理学研究科生物科学専攻
脊索動物（頭索動物、尾索動物、脊椎動物）は、脊索と骨格筋という自由遊泳に適した器官を備えた幼生で特徴づけられる。これらの動物の筋分化機構の進化を解明する試みとして、ナメクジウオとメダカのアクチン遺伝子の配列および発現パターンを明らかにし、分子系統学的な解析と転写調節機構の解析を行なっている。
ナメクジウオには脊椎動物型の筋肉アクチン遺伝子があるが、この遺伝子は他の脊索動物のアクチン遺伝子とは大きく異なる塩基配列をもっており、脊索動物の進化の非常に初期に分岐したものと考えられる。その発現パターンは、体節形成の初期から予定筋肉細胞特異的に見られ、脊椎動物の骨格筋アクチン遺伝子のものとよく似ている。
また、ナメクジウオのアクチン遺伝子を近縁な２種類のナメクジウオ間で比較してみたところ、非常によく似たタンパク質をコードするアクチン遺伝子が両方に複数存在していた。遺伝子の非翻訳領域を２種のナメクジウオの間で比較した結果、アクチン遺伝子が重複したあとに、gene
conversion（遺伝子変換）が起こった形跡も見つかった。また、分子系統学的な解析により、脊椎動物にみられる４種類の筋肉アクチンアイソフォームと２種類の細胞骨格アクチンアイソフォームは、脊椎動物がナメクジウオなどとの共通祖先から分岐したあとに、遺伝子重複や遺伝子変換を経て脊椎動物で独自に進化したものであることが分かった。
一方、メダカは哺乳類のものによく似た配列のアクチン遺伝子をもっている。メダカ骨格筋アクチン遺伝子OlMA1は骨格筋で主に発現するのに対し、心筋アクチン遺伝子OlMA2は骨格筋および心筋で発現する。両遺伝子は非常によく似たタンパク質をコードするが、上流の転写調節領域の配列は大きく異なっている。筋肉アクチン遺伝子の転写調節機構を異なる脊索動物間で比較したいと考え、次のような研究を行なった。
各メダカ筋肉アクチン遺伝子の上流領域にGFP遺伝子をレポーターとしてつなぎ、メダカ卵に顕微注入し発現を調べた。OlMA1、OlMA2の筋特異的な発現にはそれぞれ転写開始点の上流949
bp、 520 bp が十分である。OlMA1の－949から－662までと -421から -201 までの間の領域は骨格筋特異的な発現に必須であり、どちらか一方が欠けると全く発現しない。OlMA2の－520から－174の間に含まれる配列は骨格筋および心筋での発現に必須である。OlMA2の－520/－174をOlMA1の－949/－662を含む上流につなぐと、心筋でも発現するようになるが、－949/－662を含まない上流領域につなぐと、心筋での発現はみられない。以上からOlMA2の－520/－174の領域に含まれる心筋特異的なシスエレメントには、OlMA1の－949/－662と協調してOlMA1の発現を心筋でも上昇させる機能があることがわかった。これらの上流領域に様々な欠失変異や塩基置換を導入し、骨格筋および心筋での発現に必要な領域を調べた。OlMA1の－949/－662の骨格筋特異的な転写促進活性には二つのE-boxの協調的な働きが重要である。またOlMA2の－430付近のE-boxが－140付近にある
CArG box とともに骨格筋および心筋での発現に重要であり、心筋においてもbHLH型の転写因子が特異的遺伝子発現に関与していると考えられる。
分子系統学的解析から、頭索動物、尾索動物、脊椎動物はそれぞれ複数の筋肉および細胞骨格アクチン遺伝子をもつが、これらはそれぞれの系統に分岐したのちに、遺伝子重複、遺伝子変換などを経て生じたらしいことが分かってきた。現在、このようなアクチン遺伝子ファミリーの多様化の歴史をふまえ、その過程でそれぞれのアクチン遺伝子が異なる転写調節を受けるように変化していった様子を、動物間、遺伝子間の比較を通して探っている。
Anatomical and physiological analysis of heterophylly in Ludwigia arcuata, in relevance to the evolution of aquatic plants.
Asuka Kuwabara (1), Hirokazu Tsukaya (2), and Toshiyuki Nagata (1)
(1) Depertment of Biological Sciences, Graduate School of Science, University of Tokyo (2) National Institute for Basic Biology
Heterophylly is typically exemplified in some semi-aquatic
plants, which grow along with rivers. It seems that these unique
characteristics are attained during adaptive evolution of these
plants. There have been reported some certain numbers of studies,
in which submerged type leaves can be converted to terrestrial
ones by treatment withabscisic acid (ABA). This suggests that
such a change may be mediated by certain signal transduction chains
downstream from ABA, a plant hormone. We intend to study the cause
and reason of the heterophylly to find a clue to understand adaptive
evolution of these semi-aquatic plants.
First, we chose Ludwigia arcuata (Oenotheraceae) as an
experimental material, as this plant could be easily cultivated
in our laboratory condition and change of leaf forms could be
easily assessed. Under submerged conditions, L. arcuata
showed slim leaves in comparison to terrestrial ones. Notably,
upon the treatment of terrestrial leaves by ethylene, another
gaseous plant hormone, leaf forms could be converted to submerged
ones, implying that ethylene plays a significant role in this
process. Furthermore, this change of leaves could be attributed
to numbers of cells in leaf tissues, but not to elongation of
epidermal cells as has been reported in many other cases.
Thus, we found that L. arcuata is suitable material for
our aims. Further, we interpret that adaptive change of leaves
of semi-aquatic plants is not a simple mechanism, but should consider
diverse causes for these changes. This evidence will be discussed
from a viewpoint of adaptive evolution of semi-aquatic plants.
水生植物Ludwigia arcuataの異形葉に関する形態学、及び生理学的解析
桑原明日香 (1)、塚谷裕一 (2)、長田敏行 (1)
(1) 東京大学大学院理学系研究科 (2) 基礎生物学研究所
水辺に生育する植物の中には、水位の上下に伴って水中、陸上の両方の生活に適応せざるを得ないため、水陸両生を示すものがある。こうした植物の中には、水没時に形成する水中葉と陸生時に形成する気中葉とで、その形態が著しく異なるものがあり、異形葉と呼ばれている。水陸両生を余儀なくされる生育環境に対し、葉の形態形成における可塑性を駆使することで適応した結果であると考えられる。これまでの研究により、水中葉から気中葉への形態変化には内生アブシジン酸濃度の上昇が関与することが示唆されてきたが、水中葉の形成機構についてはまだほとんど明らかになっていない。そこで私達は、水生植物の起源は陸上植物であることを考えあわせ、気中葉から水中葉への形態変化をもたらす植物体内の機構を解明することによって、植物が進化の過程で獲得してきた環境適応の本質に迫ることを目指して研究を進めた
その結果、人工条件下で栽培が容易で、葉形変化を評価しやすい単純な葉形を持つ、アカバナ科Ludwigia arcuataを植物材料として選択し、水没以外の環境条件の影響を受けない無菌培養を行うことにより、再現性の高い異形葉形成の誘導条件を確立することに成功した。L.
arcuataの水中葉は気中葉に比べて葉身の幅が著しく狭いという点で、顕著な形態的な差が認められた。この実験系を用いて、さまざまな生理的条件を検討した結果、陸生条件下でのエチレン処理により、水中葉タイプの葉の形態を誘導できたことから、水没時の水中葉形成の過程におけるエチレンの関与が示唆された。また、これまでに報告された異形葉性を示す全ての種で、表皮細胞の極性伸長が著しく変化した結果、葉形が変化したと考えられてきたが、L.
arcuataでは表皮細胞の極性伸長ではなく、細胞の数が変化することで葉形が変化していることが明らかになった。
この結果から、形態変化を伴った水中生活への適応様式は全ての種に共通ではなく、多様である可能性が示唆された。水没という環境刺激の受容から、形態変化へ至るまでの過程でエチレンが果たす役割について考察しつつ、水生植物の進化について議論したい。
The evolution of neural network from planarian to human
- the approch of gene expression profiling -
*Katsuhiko Mineta(1,2), Silvana Gaudieri(1), Masumi Nakazawa(1), Kazuho Ikeo(1,2), Kiyokazu Agata(3) and Takashi Gojobori(1,2)
1. Center for Information Biology, National Institute of Genetics, 2. Dept. Genetics, Graduate University for Advanced Studies, 3.Faculty of Science, Himeji Institute of Technology.
Planarians are considered to be one of the most primitive animals that acquired the central nervous system (CNS). Because they have emerged before the divergence of vertebrate and invertebrate, they can be a useful model for understanding the evolution of neural network. The planarian CNS has an inverted U-shaped structure with nine branches on each side, with each segment connecting to the sensory organs. Planarian eyes are one of the most important sensory organs directly involved with the neural network. Their structure is very simple, because it is composed of only two types of cells, visual neurons and pigment cells. Our purpose of the present study is to obtain a gene expression profile of the planarian eye and to compare it with those of human and mouse to understand the evolutionary process of the eye. To attain our purpose, we examined the expression profile by constructing a single eye cDNA library using a single cell PCR method and by sequencing over 900 EST clones from planarians. And also, we determined about 900 EST clones from the head part of planarian as a control of the eye. We can construct a gene expression profile from these ESTs, because they have the redundancy and reflect a frequency of mRNA in each tissue. Then, the expression profile of eye was compared with those of human and mouse, which was obtained from redundant EST data at the Bodymap website. As a result, we found that for the planarian eye, the genes involved in neural network occupied about 10 % of a total of non-redundant ESTs. For eye-related tissues of human and mouse, the proportions of those genes are only 1.9% and 2.9%, respectively. Moreover, we observed a clear difference in gene expression profile of the eyes between planarians and those mammals, implying that the difference of expression profiles strongly reflects organismic diversification of eyes in the evolutionary process. These results support that our comparative approach of gene expression profiling is very useful for elucidating the evolution of neural network.
プラナリアから見た神経系の進化 -遺伝子発現プロフィールを用いた解析-
峯田克彦(1,2)、Silvana Gaudieri(1)、中澤 真澄(1)、池尾一穂(1,2)、阿形清和(3)、
五條堀孝(1,2:代表者)
1.国立遺伝学研究所・生命情報研究センター、2.総合研究大学院大学・遺伝学専攻、
3.姫路工業大学・理学部
プラナリアは、集中神経系を獲得した最も原始的な生物の一つであると言われている。さらに、彼らの進化的な出現は脊椎動物と無脊椎動物の分岐が起こる以前であることから、神経系の進化を理解する上で良いモデルと成り得る。プラナリアの集中神経系は約９本の分枝を伴った逆Ｕ字型の構造を取っており、それぞれの分枝は感覚器官に接続している。プラナリアの眼は、このような感覚器官の一つであり、その構造の単純さからも神経系の進化を解析するための第一歩としてふさわしいと考えられる。そこで本発表では、プラナリアとヒト、マウスの眼における遺伝子発現プロフィールを比較・解析した。この目的のために、我々は、プラナリアの眼に対してsingle-cell
PCR法を用いてcDNA libraryを構築し、そこから900本以上のESTの配列を決定した。これらの配列は、冗長性を持たせているため、眼に含まれるmRNAの存在比を反映していると考えられる。さらに、眼の発現プロフィールとの対照として、脳を含むプラナリアの頭部からも、同様に約900本のESTの配列を決定した。その後、これらEST配列よりプラナリアにおける遺伝子発現プロフィールを作成し、BODYMAPとして公開されているヒト、マウスの発現プロフィールと比較した。
その結果、プラナリア眼には、冗長性を除いた全配列の約10％もの割合で神経系に 関与する遺伝子が占めていること、一方、ヒトやマウスの眼に関与する組織では、
それぞれ1.9％、2.9％程度でしかなかったことが明らかとなった。さらに、全ての EST配列を相同性に関して比較してみた結果、眼の遺伝子発現プロフィールは、プラ
ナリアとヒト、マウスの間で明らかな相違を示していた。 これらの結果より、遺伝 子発現プロフィールの違いは、進化過程における眼の生物学的な多様化過程を反映
していると考えられる。また、このことは、本アプローチが神経系の進化を考察す る上で、十分な情報を与えることを示唆している。
Cloning and expression patterns of the genes responsible for wing formation in several insects.
Masayo MIWA, Toshinobu YAGINUMA, Okitsugu YAMASHITA and
○Teruyuki NIIMI
(Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University)
Insects have many variations in number, shape and color pattern of wings. Our final goal is to understand the molecular basis of morphological diversity of insect wings. Although much progress has been made in the molecular mechanisms of wing morphogenesis in Drosophila melanogaster, this aspects is almost unknown for other insect species. What developmental pathways have been conserved or altered among insects with diverged wings? For the initial step to understand above problems, we have identifiedhomologous genes responsible for Drosophila wing formation in other insects. Amino acid sequence comparisons of these genes among insects revealed highly conserved regions. Experiments are currently in progress to search forgene(s) which show distinct expression patterns in the wing discs among insects.
数種昆虫からの翅形成遺伝子のクローニングと発現様式の解析
三輪雅代・柳沼利信・山下興亜・○新美輝幸
（名古屋大学大学院 生命農学研究科 資源昆虫学研究室）
本研究の最終目標は、昆虫の翅の多様性が進化の過程で起きた遺伝子上のどの様な変化によってもたらされるのかを明らかにすることである。翅形成の分子機構は、キイロショウジョウバエにおいて詳細に解明されつつあるが、他の昆虫の翅形成に関してはほとんど不明である。多様な昆虫の翅が形成される過程において、何が共通で何が異なるのであろうか。
上記の目標にアプローチする一助として、ショウジョウバエで明らかにされた翅形成に重要な役割を果たす遺伝子を鞘翅目のニジュウヤホシテントウとチャイロコメノゴミムシダマシ、および鱗翅目のカイコからRT-PCR法によりクローニングした。いずれの昆虫種の遺伝子産物もショウジョウバエのそれらと高い相同性が認められた。現在、翅原基における発現パターンを比較することによって、昆虫種間で異なる発現パターンを示す遺伝子を探索している。
Homeobox gene in protozoan Tetrahymena thermophila
Atsushi MUKAI, Masaaki YAMAGUCHI and Hiroshi ENDOH
Department of Biology, Faculty of Science, Kanazawa University
Hox genes play a central role in axial patterning in animal
kingdom and the homeodomain is evolutionarily conservative throughout
the wide variety of organisms. Ciliates in the kingdom Protozoa
are highly differentiated unicellular organisms. Since the discovery
of mating types in ciliates, a lot of attempts to isolate mating-type
substance have been performed. Unfortunately, the molecular nature
is still unknown. The mating-type substance regulates an initial
step of conjugation (cell-to-cell recognition) and triggers the
subsequent cascade reactions such as meiosis, nuclear exchange,
fertilization and nuclear differentiation. Considering the observations,
it is possible to assume that mating-type genes in ciliates are
homeobox genes.
On this hypothesis, we tried to clone homeobox genes from Tetrahymena
thermophila. After PCR using degenerated primers homologous
to homeodomain, 14 clones were identified. Sequencing analysis
revealed that they contained homeodomain sequence and 11 clones
out of 14 were closely related to Hox domain. However, it is implausible
that all of them were derived from Tetrahymena genomic
DNA, judging from the extent of homology with Hox domain. To determine
which clones were really derived from Tetrahymena genomic
DNA, new primers corresponding to the 14 cloned sequences were
prepared. Only when one set of primers was used, a PCR product
from the template DNAs of both mating type III and VII was detected.
Unfortunately, their sequences in the two mating types were identical
and showed no high homology with others. The absence of mating-type
specific homeobox sequence suggests that the gene would not be
the mating-type gene in Tetrahymena. A role of the homeobox
gene in the protozoan Tetrahymena is presently unknown
but might be evolutionarily ancestral because of the phylogenetic
position of ciliates and their unicellularity. Success of cloning
the Tetrahymena homeobox gene will offer us an opportunity
to light on such an ancestral function.
On the other hand, Southern hybridization experiments using the
cloned sequence as a probe demonstrated an unexpected result.
A hybridization signal was detected at the same sizes (approximately
3 Kb), even when the genomic DNA was digested with several different
restriction enzymes or not digested. Furthermore, the DNA was
susceptible to Bal 31 digestion, suggesting it to be linear. These
results suggests that the homeobox genes in Tetrahymena
independently exist as a linear mini-chromosome, apart from the
majority of other macronuclear chromosomal DNAs which sizes range
from some hundreds Kb to more. This finding gives us an implication
in the evolution of nuclear differentiation and DNA rearrangement
in ciliates.
原生動物テトラヒメナのホメオボックス遺伝子
向 敦史・山口正晃・遠藤 浩
金沢大・理・生物
ホメオドメインをもつショウジョウバエ形態形成遺伝子群は、発生過程において前後軸を形成する。これらの遺伝子群のホモログとして単離・同定されたHox遺伝子群は，後生動物の間で高度に保存されていることが明らかになりつつある。一方単細胞生物である酵母の場合、ホメオボックス遺伝子の一部は、胞子形成や接合型に関与する機能をもつ。
繊毛虫の接合型の存在が明らかになって以来、接合型物質や接合型遺伝子の単離の試みがくりかえし行われてきたが、まだ成功には至っていない。繊毛虫の接合型物質は、接合過程のもっとも初期の過程を制御し、減数分裂に始まる一連のカスケード反応を誘導する。この点を考慮すると、接合型物質は転写制御因子そのもの、あるいはそれと関係のある物質である可能性が考えられる。そこで、接合型遺伝子単離の試みとして、「接合型遺伝子はホメオドメインをもつたんぱく質をコードするホメオボックス遺伝子である」という作業仮設のもとに、繊毛虫テトラヒメナのホメオボックス遺伝子の単離を試みた。
まず、ホメオドメイン中の保存配列からなるプライマーを用い、ＰＣＲによって増幅したＤＮＡをクローニングし、塩基配列を決定した。配列を決定した１４クローンのうち１１クローンは、Hox
遺伝子との高い相同性が検出された。しかし、その相同性の程度から考えて、これらすべてがテトラヒメナゲノム由来のクローンであるとは考えにくい。そこで、塩基配列を決定したクローンごとに新たにプライマーを作成しＰＣＲ産物の検出を試みた結果、ひとつのプライマーセットのみでＰＣＲ断片が増幅した。増幅したこの塩基配列は、他の後生動物のホメオドメインとある程度の相同性は示すものの、酵母のホモドメイン同様、系統的には遠い関係にあった。さらに、接合型の異なる細胞（接合型IIIとVII）から抽出したＤＮＡを鋳型としてＰＣＲを行ってみたが、これらの塩基配列はどちらの接合型由来のものもまったく同一で、接合型に特異的な配列は検出できなかった。このことから考えて、この遺伝子が接合型遺伝子である可能性は低い。
一方、このクローンをプローブとして用い、ゲノミック・サザンを行ったところ、主要なシグナルは約3 Kb の位置に検出された。ゲノムＤＮＡを複数の制限酵素で切断した場合も、また未処理の場合も、シグナルの位置は変わらなかった。テトラヒメナの大核染色体ＤＮＡは平均して数百
Kb の大きさであり、今回得られた結果は、ホメオボックス遺伝子の乗る染色体は、大核染色体とは独立に、大核内にミニ染色体として存在することを示唆する。さらに、このＤＮＡはBal31
処理に感受性があることから、線状のＤＮＡであると予想される。現在われわれは、今回明らかになったホメオボックス遺伝子の大核での特異な存在状態に注目している。
原生動物界と他の真核生物界で共有される遺伝子は、原生動物ではより祖先的な構造や機能を担っていると考えられる。今後は、この遺伝子の全長を単離し、テトラヒメナにおけるホメオボックス遺伝子の機能についての知見を得たい。
Defects of carpel development in Arabidopsis Fl-82 mutant result from hypermethylation of the SUPERMAN gene and a mutation in the FASCIATA2 gene
Taisuke Nishimura, Kiyotaka Okada
Department of Botany, Graduate School of Science, Kyoto University
Arabidopsis genoecium is composed of two congenitally
fused carpels. Fl-82 mutant displays the increased number of carpels,
each of which develops independently, resulting that carpels are
incompletely fused and bent (Komaki et al., 1988). It was
previously reported that similar phenotype was caused by ectopic
hypermethylation of the SUPERMAN gene (suphm) (Jacobson
et al., 1997). Based on analyses of genomic Southern hybridization
and RT-PCR, in Fl-82 mutant, the SUP gene is hypermethylated
and its expression is reduced. However, segregation analysis of
F2 progeny obtained by crossing Fl-82 mutant with wild type indicates
that Fl-82 mutant is double mutant. That is, suphm-like
phenotypes in Fl-82 mutant appear to result both from hypermethylation
in the SUP gene and from another mutation. Since fasciata
(fas)-like phenotype were seen in about 1/4 plants of this
F2 generation, we predicted that another mutation might be in
one of the FAS genes. Sequence analysis on known FAS
genes reveals that there is a nonsense mutation in the coding
region of the FAS2 gene in Fl-82 mutant, which is tightly
linked to the suphm-like phenotype. The FAS2 gene
encodes a homolog of p60 subunit of human chromatin assembly factor-1
(CAF-1) (Kaya et al., 1998). CAF-1 protein complex is believed
to be involved in assembly of newly synthesized histones onto
recently replicated DNA. Taken together, this study suggests that
defects of carpel development in Fl-82 mutant are caused both
by ectopic hypermethylation of the SUP gene, which results
in reduction of SUP mRNA level, and by the fas2 mutation,
which leads to functional deficiency of CAF-1, raising a possibility
that fas2 mutation contributes either to maintenance of hypermethylation
in the SUP gene or to the reduced expression of the hypermethylated
SUP gene. To test this possibility, we are planning to
analyze methylation patterns of the SUP gene in detail
both in the F2 plants homozygous and heterozygous for the wild-type
FAS2 gene and in the F2 plants homozygous for fas2
mutation.
シロイヌナズナのFl-82突然変異体における心皮形成の異常はSUP遺伝子のメチル化とfas突然変異により引き起こされる
西村泰介、岡田清孝
京都大学・理・植物
シロイヌナズナの雌ずいは、通常２枚の心皮が融合したまま生長して形成される。Fl-82突然変異体 (Komaki et
al., 1988) は、心皮数が増加するとともに、各心皮がそれぞれ独立に生長して、正常な融合が行えず、結果として屈曲した雌ずいを形成する。同様の表現型がSUPERMAN
(SUP) 遺伝子領域が過剰にメチル化された突然変異体 (suphm) においても報告されていることから
(Jacobson et al., 1997)、Fl-82突然変異体の花芽由来のゲノムDNAに対してサザン解析を行ったところ、SUP遺伝子領域が野生型に比べて過剰にメチル化を受けていた。またRT-PCRによりSUP
mRNA量の減少も示唆された。しかしながら、戻し交配を行いそのF2世代の分離比を解析した結果、すでに報告されているsuphm突然変異体とは異なり、Fl-82突然変異体は二重突然変異体であることが示唆された。すなわちFl-82突然変異体の場合、SUP遺伝子だけでなくもう一つ別の遺伝子の変異が存在してはじめてsuphm突然変異体様の表現型が現れることが示唆された。このF2世代では約1/4の比率でfasciata
(fas)突然変異体様の表現型を示す系統が得られたため、FAS遺伝子における変異がもう一方の変異であると考え、その塩基配列を調べたところ、Fl-82突然変異体においてFAS2遺伝子にナンセンス突然変異が見つかった。この突然変異はF2世代においてsuphm突然変異体様の表現型と確かに連鎖していた。FAS2遺伝子は、DNA複製に伴うヌクレオソーム構造の形成に関わるヒトのChromatin
Assembly Factor-1 (CAF-1) のp60 サブユニットをコードする遺伝子と相同性を持つ (Kaya et
al.,1998)。本研究よりFl-82突然変異体でみられる表現型は、SUP遺伝子領域の過剰なメチル化による発現量の低下によるもので、それにはfas2突然変異、すなわちCAF-1蛋白質の機能欠失が影響することが示唆された。今後、SUP遺伝子領域のメチル化の程度をF2世代のfas2突然変異ホモ、およびFAS2野生型遺伝子ホモの各個体で調べることにより、fas2突然変異が、メチル化されたSUP遺伝子の発現制御に必要なのか、あるいはメチル化の維持に必要なのかを明らかにしたい。
Tagged Mutagenesis and Gene-trap in the Moss, Physcomitrella
patens
by Shuttle Mutagenesis.
Tomoaki Nishiyama,1,2 Yuji Hiwatashi,2,3 Keiko Sakakibara,2,3 Masahiro Kato,1 Mitsuyasu Hasebe2,4,*
1 Department of Biological Sciences, Graduate School of Science,
the University of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan
2 National Institute for Basic Biology, Okazaki 444-8585, Japan
3 Department of Molecular Biomechanics, The Graduate University
for Advanced Studies, Okazaki 444-8585, Japan
4 PRESTO, Japan Science and Technology Corporation
The moss, Physcomitrella patens has been used as a useful material in many fields, because of its simple body plan, easiness of gene targeting, and other reasons. Although many mutants have been reported, no method to isolate the corresponding genes was reported. We developed a gene tagging and gene-trap system in P. patens by using the shuttle mutagenesis technique, which has been used in the budding yeast. In 5264 tagged lines, 203 mutants with altered developmental or morphological phenotypes were obtained. In 129 of 4757 gene-trap lines, b-glucuronidase (GUS) activity was detected in some tissue. Although multiple copies of a tag were detected in many tagged lines by Southern analyses, most copies are likely integrated at the same locus according to PCR analyses.
シャトルミュータジェネシスによるヒメツリガネゴケの
遺伝子タギング・遺伝子トラップ系の開発
西山智明1,2、日渡祐二2,3、榊原恵子2,3、加藤雅啓1、長谷部光泰2,4
1東京大学・院・理・生物科学
2基礎生物学研究所
3総研大・生命科学・分子生物機構論
セン類のヒメツリガネゴケは単純な体制をもち遺伝子ターゲティングが用意であるなどの理由によって様々な分野で有用な材料として用いられてきた。多くの突然変異体が単離されてきたが、その原因遺伝子を単離する方法は報告されていなかった。そこでわれわれは、出芽酵母で用いられてきたシャトルミュータジェネシスという方法を用いて、ヒメツリガネゴケにおける遺伝子タギング及び遺伝子トラップの系を開発した。タグをつけた5264系統中に203系統の発生あるいは形態の変異体が得られた。4757系統の遺伝子トラップ系統のうち129系統でレポータ遺伝子のGUS活性が何らかの組織で認められた。多くの系統で複数コピーのタグがサザンハイブリダイゼーションによって検出されたが、PCR解析によれば、ほとんどのコピーは同じ遺伝子座に組み込まれているらしい。
Molecular analysis of mutants of the Japanese morning glory exhibit similar phenotypes to Arabidopsis mutants
Eiji Nitasaka
Department of Biological Science, Graduate School of Science, Kyushu University; Presto, JST
In the Japanese morning glory, Ipomoea nil, many mutants
were isolated in edo era (1800~1820) and some of them are maintained
in my laboratory. Their mutant phenotypes include flower colors,
flower pigmentation patterns, leaf and flower shapes. Some mutants
show unstable characteristics as caused by insertions of transposable
elements, especially Tpn family, En/Spm type transpsable
elements. Therefore, it is possible to isolate a mutant gene using
Tpn sequence as a tag. Another approach for gene cloning
in the Japanese morning glory is to isolate homologs using probes
from other plants such as Arabidopsis. It is thought that to study
these homologous genes and their mutants in the Japanese morning
glory is helpful to understand the general mechanisms of plant
development since physiological characteristics and forms of the
Japanese morning glory are quite different from other model plants.
Mutations in a floral homeotic gene, DUPLICATED (DP)
in the Japanese morning glory causes substitution of sexual organs
for perianth organs (petals and sepals). This is similar to loss-of-function
phenotypes of AGAMOUS (AG) of Arabidopsis and PLENA
(PLE) of snapdragon which belong to the C-function MADS-box
gene family of transcription factors. Using AG and PLE
gene sequences, transcripts and genomic regions of DP and
another C-function gene, PEONY (PN) were cloned.
Their intron-exon structures proved to be well conserved beyond
species but clearly were in two different subclasses in the C-function
MADS-box genes. DP, pMADS3 of petunia and FARINELLI
(FAR) of snapdragon belong to one subclass, and PN,
FBP6 of petunia and PLE of snapdragon belong to
another. It is interesting that the function of each C-function
gene in the Japanese morning glory is opposite to snapdragon.
However, the functions of C-class genes of the Japanese morning
glory may be slight different, because the loss-of-function phenotype
of dp mutant shows complete transformation of sexual organs
to perianth organs, on the other hand, ple mutant of snapdragon
shows incomplete transformation.
In a dp mutant, Tpn-botan, a member of Tpn family
was inserted in the second intron and there was a large deletion
caused by imprecise excision of Tpn-botan. Therefore, no
DP-transcript was observed in this strain. Surprisingly,
there are tracks of the same type transposable element insertion
at the recent insertion site of the wild type genome. This ancient
transposable element sequence is present not only in sibling species
but also in the sweet potato, Ipomoea batatas. This finding
suggests that the insertion event occurred prior to the genus
Ipomoea formation. It is known that the DP gene is a hot
spot for transposon insertion and dp mutants are known
even in wild populations of a sibling species, common morning
glory (Ipomoea purpurea). This ancient transposable
element sequence probably can explain the hot spot for the transposable
element insertion.
アラビドプシスの突然変異体と相同な表現型を示すアサガオの突然変異体の解析
仁田坂 英二
九州大学大学院理学研究科生物科学専攻・科技団さきがけ
アサガオには主として江戸時代に起源をもつ、色・模様、花や葉、茎の形態に関する様々な突然変異体が知られており、私の研究室で保存されている。それらの中には易変性を示すものもあることや、江戸時代の一時期にほとんどの突然変異が起こっていることから、多くの突然変異がトランスポゾン、特にTpnファミリーと呼ばれるものによって誘発されていると考えられる。アサガオの突然変異体には柳(maple-willow)や獅子(feathered)のように他の植物では見られないような興味深いものも多く存在し、このような遺伝子を単離する方法として、Tpnを指標にした方法を試している。またアラビドプシスやキンギョソウなどのモデル植物と相同な突然変異も存在し、これらを解析することは、進化過程で各植物が、さまざまな遺伝子を“チューニング”しながら適応してきた機構を探る上でも興味深い。
牡丹(duplicated; dp )と呼ばれる八重咲の突然変異体はアラビドプシスのC機能MADS-box遺伝子の突然変異体、agamous変異と表現型がよく似ており、相同な遺伝子の突然変異体だと考えた。そのため、AGAMOUS
(AG)とキンギョウソウの相同な遺伝子であるPLENA (PLE)の配列をもちいて牡丹遺伝子を単離した。その結果、突然変異体では、この牡丹遺伝子にTpnトランスポゾン
(Tpn-botan)が挿入し、excisionを起こす際に欠失を起こし転写活性が全くなくなっていた。興味深いことに野生型ゲノムにも同様なトランスポゾンが過去、おそらく種分化のかなり前に挿入していた痕跡があった。そのためショウジョウバエのトランスポゾンなどで知られているように、トランスポゾンが挿入することでその部分に同種のトランスポゾンが挿入しやすくなったのではないかと考えられる。実際、この牡丹遺伝子は比較的
"hot"であることが知られており、近縁種にも牡丹様突然変異が存在している。
また牡丹遺伝子のクローニングの過程で別のC機能MADS-box遺伝子もクローン化され、芍薬(PEONY; PN)と名付けた。分子系統樹から双子葉植物のＣ機能MADS-box遺伝子も大きく２つのグループに分けられた。牡丹の属するグループにはペチュニアのpMADS3（突然変異体は知られていない）,
最近キンギョソウで見つかった、突然変異体は雄性不稔などの表現型を示すFARINELLI (FAR)等が属し、芍薬のグループには、突然変異体が八重咲きの表現型を示すPLENA
(PLE)、ペチュニアのFBP6等が属する。面白いことに２コピーあるＣ機能MADS-box遺伝子の役割分担がアサガオとキンギョソウでは逆になっている。芍薬はFARと同じような機能、牡丹と協力してＣ機能を果たしているのかもしれない。しかし、PLEのnull変異はやや不完全な生殖器官の花被への転換を示すが、牡丹では完全に花被に転換している点など微妙な機能が異なっている可能性がある。前に述べたように牡丹遺伝子には第２イントロンとエクソンの境界にトランスポゾンの挿入の痕跡があるため、祖先型の牡丹遺伝子は不活性であった可能性もあり、これらの遺伝子の成り立ちについても考察する。
最近、アラビドプシスのclavata (clv)変異と相同な突然変異をアサガオで見いだした。表現型はclvと酷似しており、各器官が巨大化しており、花弁、萼の数の増加が見られ、茎も太く、しばしば帯化状となる。また側芽が消失しているなどの特徴も見られる。現在、原因遺伝子を同定するため、アラビドプシスのCLV1,
CLV2, CLV3の相同遺伝子を単離している。もしこれらの相同遺伝子のいずれかに突然変異体が相当していた場合、この変異にもTpnが挿入していると予想している。またシロイヌナズナとは異なる生理・体制を持つ植物で相同遺伝子を解析することは一般的な植物の形態形成機構を探るためにも意味があると考えている。
Morphogenesis of the oral region in Lampetra japonica
and evolution of the gnathostome jaw
*Yoshiaki Nobusada(1), Naoto Horigome(1), Shigeki Hirano(2),
Shigeru Kuratani(1)
(1)Department of Biology Faculty of Science Okayama University,
(2)Department of Anatomy Niigata University School of Medicine
The prosperity of gnathostomes nowadays rests upon the possession
of biting jaws. In contrast, the oral region of the lamprey develops
three distinct elements, upper and lower lips, and the velum,
to facilitate the filter feeding. Of those, the upper and lower
lips apparently resemble upper and lower jaws of gnathostomes,
respectively. However, the developmental processes of the former
structures have not been described in detail. We picked up Japanese
marine lamprey, Lampetra japonica, and observed their embryonic
development based on the scanning electron microscope. At about
stage 22, an embryonic structure called the cheek process appeared
on the lateral aspect of the embryonic head, which was divided
anteroposteriorly at stage 24. Simultaneously, a pair of swellings
arose in the anterior half, fused in the middle in front of the
oral ectoderm. The posterior part, on the other hand, did not
move extensively. After stage 25, the putative crest cell mass
in the anterior and lateral parts of the cheek process covered
the premandibular mesoderm, extending over the stomodeum rostrally.
This structure finally grew as the upper lip below the nasohypophysial
duct that is characteristic of the lamprey. The upper lip thus
developed from the anterior of the cheek process, indicating that
the latter is not derived from the mandibular arch proper, but
is a premandibular structure. It was implied that early distribution
patterns of crest cells are similar among vertebrates, but later
mesenchymal development diversified into profoundly different
patterns of growth. Such the difference was assumed to be due
to the early epithelial patterning including those of nasal placode
and hypophysis. We concluded that the jaw of gnathostomes has
been obtained though a process of ontogenetic repatterning through
heterotopic changes in topographical relationships between epithelium
and mesenchyme, which caused new interactions of tissues that
had never existed.
無顎類カワヤツメLampetra japonicaにおける口辺形成および
顎口類における顎の進化
信定福明(1)、堀米直人(1)、平野茂樹(2)、倉谷滋(1)
(1) 岡山大学理学部生物
(2) 新潟大学医学部解剖
顎口類は噛み付くことのできる「顎」を作り出し、現在の繁栄を築きあげた。一方、ヤツメウナギに代表される無顎類は対照的に、上唇、下唇および縁膜といった濾食のための口を獲得した。顎口類の上下顎と無顎類に見られる上下唇とは発生のごく初期において外見上良く似ているが、これはそもそも比較可能なのだろうか我々はこの問題を確かめるために、無顎類脊椎動物ヤツメウナギの一種、カワヤツメLampetra japonicaの胚を用い、走査電子顕微鏡で胚発生を詳しく観察することにより、以下の所見を得た。頬状突起と呼ばれる膨らみがステージ22周辺で起こり、口腔の前後において分断するようにくびれを生じた後、その前端部分である1対の隆起が口腔前方で融合する。口腔後方の細胞塊には目立った動きはない。ステージ>25以降で隆起とその側方部は顎前中胚葉を覆いながら口腔をおし広げるように前方へと伸長し、ヤツメウナギに特有な背側に鼻孔の空いたトンネル状の鼻腔を伴いつつ、上唇を形成してゆく。頬状突起の前端部を満たすのは顎前領域の頭部神経堤細胞集団であり、顎骨弓由来ではなかった（頬状突起は顎骨弓と第１咽頭嚢からなるとされていた）。ステージを遡ると、上唇をもたらしたのは頬状突起の前端部であることが分かる。つまり、上唇は顎口類における上顎ではなく、むしろ顎骨弓前方に広がる顎前領域由来の形成物、例えば梁軟骨により近いと言える。無顎類の上唇は、顎口類の「顎」と相同ではない。これを我々は、鼻プラコードと下垂体を含む初期の外胚葉上皮パターニングの違いに起因するのではないかと推論し、顎口類の「顎」は顎前領域と顎骨弓における上皮と間葉との間にまったく新しい関係性が生じた結果、二次的に獲得されたのではないかと考えた。顎の発明という大進化は組織および細胞の位置のシフト、すなわちヘテロトピーを基盤とした個体発生リパターニングに基づくらしい。
Identification of an aubergine/piwi homologue in the ciliated protozoan Paramecium caudatum
S. Obaraa, Y. Iwatakib, K. Mikamib,*
a Research Assistant, Miyagi University of Education, Sendai,
980-0845 Japan & Biological institute,
Faculty of Science, Tohoku University, Sendai, 980-8578 Japan
b EEC, Miyagi University of Education, Sendai, 980-0845
Japan
In multicellular animals and plants, differentiated cells derive
from stem cells. Recently, homologous genes that regulate stem
cell maintenance have recently been shown in several animals and
plants. In Drosophila, a gene called piwi was identified.
In Arabidopsis, the ZWILLE (ZLL) protein has a high level
of sequence similarity to PIWI. A homologue, hiwi, has
also been identified in humans. However, no obvious homologue
seemed to be seen in the totally sequenced genomes of Saccharomyces
cerevisiae and bacteria. Then, is such a homologue exist in
a unicellular eukaryote, such as the ciliates?
Ciliates differentiate two types of nuclei, the somatic macronucleus
and the germinal micronucleus. The macronucleus can be considered
homologous to somatic cells and the micronucleus homologous to
germ cells of multicellular organisms. The differentiation of
somatic nuclei and germinal nuclei occurs in a common cytoplasm.
Therefore, the homologue, if is present in ciliates, must be very
intriguing, whatever its function .
We examined the DNA upstream of the histone H4 gene of Paramecium
caudatum macronuclear DNA and found a region that was homologous
to the hiwi gene in human, aubergine and piwi
in Drosophila, and ZWILLE (ZLL) in Arabidopsis.
This DNA sequence was also obtained from cDNA of vegetative phase
cells by RACE-PCR. The evidence suggests that this is actually
transcribed. The gene in P. caudatum was named here pap.
The PAP protein deduced from the nucleotide sequence is composed
of 781 amino acids. The G+C content of the ORF is very low (29.5%).
Forty four UAA codons and 8 UAG codons which code for glutamine
in Paramecium were found in the ORF. The pap gene
contained 3 introns (21bp for intron I, 22bp for intron II and
23bp for intron III ). These introns had eukaryotic consensus
sequences at the GT / AG splicing junction. This is the first
finding of a piwi/ZLL homologue in a protozoan.
The gene was transcribed actively immediately after induction
of conjugation. The identification of this gene in ciliates is
consistent with a function in the differentiation or maintenance
of the germinal micronuclei and somatic macronuclei.
繊毛虫ゾウリムシにおけるaubergine/piwi相同遺伝子の単離
○ 小原 真司1，岩滝 仁範2，見上 一幸2
（東北大・院理・生物1，宮教大・ＥＥＣ2）
多細胞生物の動物や植物において、分化した細胞は幹細胞に由来する。近年、いくつかの動物や植物において幹細胞の維持を制御する遺伝子のホモログの存在が示されている。Drosophilaにおいてpiwi遺伝子
が同定され、ArabidopsisにおいてはZWILLE(ZLL)タンパク質がPIWIにアミノ酸配列レベルで高い相同性を持つことが示されている。またヒトにおいてもhiwiが同定されている。しかし、全塩基配列の決定が終了したSaccharomyces
serevisiaeやバクテリアのゲノムからはこのファミリーに属する遺伝子ホモログは発見されていない。この遺伝子のホモログは、繊毛虫のような単細胞真核生物にも存在するのだろうか。
繊毛虫は、栄養核の大核と生殖核の小核という異なる２種類の核を持っている。大核と小核はそれぞれ多細胞生物の体細胞と生殖細胞に相当する。栄養核と生殖核の分化は、有性生殖（接合）後に、共通の細胞質中で起こる。このホモログが繊毛虫に存在し、この核分化に関るとするならば、その機能は非常に興味深い。
我々はゾウリムシ(Paramecium caudatum)の大核DNAにおいて、histone H4遺伝子の５’上流の塩基配列を調べた。その過程で、humanのhiwi,
Drosophilaのpiwiやaubergine(=sting),
ArabidopsisのZLLに相同な領域を見つけた。このhiwiに相同なDNA配列は、RACE-PCRにより対数増殖期細胞のcDNAから単離することができた。このことは確かに転写されている事を意味する。この遺伝子をpap
(Paramecium aubergine/piwi homologue) と名付けた。塩基配列から推定されるPAPタンパク質は781アミノ酸残基からなり、ORFのG+C含量は29.5％と非常に低い。ゾウリムシにおいグルタミンをコードしていることが報告されているコドンUAAとコドンUAGがそれぞれ44個と8個存在した。pap遺伝子には3個のイントロン〔イントロン1(21塩基)、イントロン2(22塩基)、イントロン3(23塩基)〕が存在した。これらのイントロンは真核生物のイントロンに共通するGT/AGスプライシング境界を持っていた。ゾウリムシにおけるpap遺伝子は、繊毛虫において初めて、また原生動物においてもゲノムDNAとcDNA両方から単離された初めてのpiwi/ZLLホモログである。pap遺伝子は接合開始とともに著しい発現量増加を起こす。繊毛虫におけるpap
遺伝子の発見は、生殖核である小核と栄養核である大核の分化や維持に関るという可能性がある。
Structure of the planarian brain
○Keiji Okamoto, Kenji Ko, Kosei Takeuchi*, Kenji Watanabe and Kiyokazu Agata
Depatment of Life Science, Faculty of Science, Himeji Institute
of Technology Hyogo 678-1297, Japan
*Deptment of Biological Science, Nara Institute of Science and
Technology
8916-5 Takayama, Ikoma, Nara 630-0101, Japan
Planarian central nervous system (CNS) is composed of a mass of cephalic neurons and a pair of ventral nerve cords (VNC). Cephalic neurons cluster in the anterior portion and form the inverted U-shaped brain-like structure. The cephalic neurons are located more dorsally than are the VNC. Many neurons cluster closely together and form an independent structure on the dorsal side of VNC. The segmental structure of the planarian brain is observed only on the outside of the cluster. No segmental structure is observed on the inside of the brian. The terminal of the process reach the head surface and forms sensory organs. Of special note, the 6th-9th branches cluster more closely and form the chemoreceptor organ for taste, so called "auricles". Visual axon project to the opposite side of the brain. The dorsal-inside region of the brain forms the visual center and optic chiasma, forming a neuromere-like compartment. These results suggest that planarian has a fundamental structure of the brains.
プラナリアの脳の構造
○岡本圭司、洪 健智、武内恒成*、渡辺憲二、阿形清和
姫工大・理・生命、*奈良先端大・バイオ・動物代謝調節
現存する生物の中で最も原始的な脳をもつと考えられているプラナリアの脳の構造を種々の分子マーカーを使って三次元的に詳細な解析を行った。プラナリアは頭部に逆U字型の左右相称な形をした脳をもち、二層の神経細胞によって構成される。体長約1mmの虫で、約7.000個の神経細胞によって構成される。脳の外側には、９つの突起構造があり、それぞれの突起は、頭部の表面にある受容器と結合している。眼は三番目の突起の背側に位置し、突起の６－９番めが味覚の感覚器である耳葉に対応する。また、それぞれの感覚神経は、突起を通って、決った経路で脳のそれぞれの感覚中枢に投射している。視神経は、左右の視神経が脳の内側・背側で視交叉を形成し、４－５番め突起の根元まで投射している。また、視神経の投射部位は神経細胞集団によって囲まれており、視覚の中枢ドメインを形成していた。これらの構造解析から、プラナリアは多くの動物の脳の基本型ともいうる構造をもち、これらの基本型を変形させることによって多くの脳が進化したと考えられる。
Proteins of the CNR family are multiple receptors for reelin
○Kouji Senzaki, *Masaharu Ogawa, Takeshi Yagi
NIPS, *RIKEN
CNR, cadherin-related neuronal receptor, family genes have
been obtained by activity of binding to Fyn-tyrosine kinase. CNR1
protein is located in the synaptic plasma membrane. CNR family
genes are separately expressed in an individual neuron in the
mouse adult brain (Kohmura et al., Neuron 20, 1137-1151, 1998).
CNR family are belongs to cadherin superfamily. It is reported
that each cadherins are differentially expressed in neuromers,
thalamic nuclei, cell layers of tectum and cortex during brain
development and also located in the synaptic adherence junction.
To serch the CNR family function during the brain formation, we
performed staining analysis by in situ hybridization technique.
By section staining , all CNR family were expressed in the cortical
cell layer of the embryonic day 15 mouse cortex. These expression
patterns suggested that CNR family might be regulated cortical
cell layer formation during the brain formation. A molecular pathway
that regulates the cortical layering and positioning of neurons
involves the large extracellular protein Reelin and the cytoplasmic
mDab1 protein. To examine whether CNR family are receptors for
Reelin, we performed co-immunoprecipitation experiments with fusion
proteins of CNR1 and Reelin to demonstrate the affinity of Reelin
for CNR1 and to determine the binding site of CNR1 to Reelin.
Interestingly, the amino acid sequence comprising the binding
site of CNR1 that interacts with Reelin is identically conserved
among CNR1 through CNR8. In addition, CNR1-3 proteins exhibit
highly similar binding affinities to Reelin. The candidacy of
CNR family proteins as Reelin receptors is strengthened further
by our demonstration of the blockage of the interaction between
CNR1 and Reelin by the CR-50 antibody. CR-50 may inhibit the functional
interaction of Reelin to its receptor, because the antibody disturbs
the arrangement of cerebral cortical cells in vitro (Ogawa et
al., 1995). In addition an anti- CNR monoclonal antibody that
recognizes the conserved amino acid sequence inhibits the interaction
between CNR1 and Reelin proteins, inhibit Reelin-induced tyrosine
phosphorylation of mDab1 in cerebral cortical cells and disrupt
the cortical cell arrangement. Furthermore, CNR family proteins
co-localize with Reelin in the marginal zone of embryonic day
15 mice as demonstrated by immunostaining with the anti- CNR antibody.
These results provide evidence that the CNR family proteins are
functional Reelin receptors.
マウス大脳皮質形成過程における新たな分子メカニズムの解明
-新規カドヘリン様分子群(CNRs)はReelinの多重受容体である-
○先崎浩次 Kouji Senzaki, *小川正晴 Masaharu Ogawa, 八木健 Takeshi Yagi
(生理学研究所 NIPS, *理研 RIKEN)
CNRs (cadherin-related neuronal receptors)は非受容体型チロシンリン酸化酵素Fynとの結合活性により単離された新規カドヘリン様分子群である。成体マウス脳において、CNR1蛋白質はシナプス膜に存在し、各CNR1-8
mRNAはそれぞれの神経細胞に異なる組み合わせで発現していることが明らかにされている (Kohmura et al., Neuron
20, 1137-1151, 1998)。脳形成期におけるCNR分子群の発現様式をin situハイブリダイゼーション法により検討した結果、CNR1-8
mRNAは全て、マウス胎生15日目の大脳皮質皮質板において発現が認められた。この発現様式から、CNR分子群が大脳皮質層構造形成過程において機能している可能性が想定された。大脳皮質層構造形成機構に関与する分子として、これまでにReelinとmDab1が突然変異マウスであるreeler及びscramblerマウスの解析により明らかにされている。ReelinはCajal-Retzius細胞より分泌される細胞外分子であり、mDab1は皮質神経細胞で発現する細胞内情報伝達分子である。CNR分子がReelinの受容体分子である可能性を検討する目的で免疫沈降法を行った、その結果、CNR1細胞外領域とReelin
のN末との結合性が示唆された。興味深いことに、CNR1のReelinとの結合部位のアミノ酸配列は、 CNR1-8で完全に保存されており、加えて、CNR1-3
とReelinの結合親和性は非常に近い値を示した。Reelinの機能阻害抗体であるCR-50 (Ogawa et al.,
1995)がCNR1とReelinの結合性を阻害することより、CNR1がReelinの機能的受容体であることが強く示唆された。CNR1のReelin結合部位
(Reelin Binding Domain : RBD)に対するモノクローナル抗体（抗RBD抗体）はCNR1とReelinの結合を阻害する。この抗RBD抗体が皮質神経細胞におけるReelin依存的mDab1のチロシンリン酸化の増強を抑制することが明らかにされ、Reelin-CNR-Fyn-mDab1のシグナルカスケードの存在が示唆された。さらに、免疫染色の結果、胎生15日マウス大脳皮質において、CNR蛋白質はmarginal
zoneでReelin蛋白質と局在が一致することが示された。
以上の結果は、CNR分子群は大脳皮質層構造形成過程においてReelinに対する多重受容体として存在し、ReelinのシグナルをmDab1へ伝えている膜分子群であることを示している。
また、陸棲脊椎動物の大脳皮質の進化の過程において層構造が徐々に増加していることがMarin-Padillaらの研究によって明らかとなっている。この層構造の増加とReelinと結合するCNR遺伝子の数の増加との関連性は今後の興味深いテーマであると考える。
Interactive signaling of BMP4 and FGF8 difines maxillomandibular and premandibular regions in the early chick embryo: basic regionalization of the vertebrate craniofacial ectomesenchyme.
*Yasuyo Shigetani, Yoshiaki Nobusada, Shigeru Kuratani
Department of Biology, Okayama University Faculty of Science
Evolution of the jaw is one of the most important events in
gnathostome history, and its molecular mechanism is now an intriguing
problem of developmental biology. The present study shows that
growth factors, FGF8 and BMP4, are involved in the early patterning
of the head mesenchyme that regionalizes premandibular and maxillomandibular
regions. Oropharyngeal skeleton of vertebrates develops from ectodermal
neural crest. Prior to the influx of neural crest cells, the expression
of Fgf8 appears in the early ventral ectoderm as a pair
of domains between eyes and pericardium of the chick embryo. These
domains occupy the region that prefigures the mandiblar arch.
The expression domain of Bmp4 also appears in a pair-wise
fashion posterior to the eye. Its caudal part overlapped rostrally
by the Fgf8 domain makes an indentation, which becomes
later the anterior limit of the maxillary process. The expression
patterns of these growth factors and the morphological changes
suggest that FGF8 may difine the maxillomandibular region and
divide it from the premandibular region by interacting with BMP4.
To investigate whether the distribution
pattern of the growth factors reflects the later regionalization
of the mesenchyme or not, we injected DiI into several sites of
craniofacial mesenchyme at stage 13. As observed 24 hours later,
both the premandibular and maxillomandibular territories were
roughly specified. The dissociation was not found between the
maxillar and mandibular regions, however, the maxillar region
was always continuous with the mandibular mesenchyme. The initial
depression created by the mandibular arch and more anterior region
did not correspond to the actual boudary between maxillar and
mandibular regions. Functional analyses of FGF8 and BMP4 were
performed by ectopic application of these factors into presumptive
premandibular mesenchyme at stage 10. After the FGF8-soaked bead
implantation, the expression of Barx1, the target of Fgf8,
was expanded dorsally and anteriorly, and the premandibular region
was reduced in size. Neurofilament immunostaining implied the
change of the position of the premandibular-maxillomandibular
boundary. On the contrary, BMP4 bead implantation resulted in
the reduction of the maxillomandibular portion and of Dlx1
expression. Chondrocranial morphology showed lack of most structures
derived from the mandibular arch. These morphological changes
of the operated embryos were correlated with the earlier expression
pattern of Fgf8 and Bmp4. We concluded that FGF8
and BMP4 specify the premandibular-mandibular regions before epidermal-mesenchymal
interaction, and their maxillomandibular expression is divided
from their pharyngeal expression domain. Since their expression
pattern is also seen in Xenopus embryo, the role of FGF8 and BMP4
in premandibular-maxillomandibular regionalization appears to
be conserved among gnathostomes.
顎口類における顎と顎前領域の領域特異化：BMP4 と FGF8 の相互作用
重谷安代，信定福明，倉谷滋
岡山大学理学部生物学教室
顎口類における顎は決定的特徴の一つであり，その進化的背景についてはいくつかの説があるが，「どのように顎という領域が成立するのか」という発生学的側面からのアプローチはまだ少ない。我々はニワトリ胚を用いてFGF8 と BMP4 が咽頭胚期 に顎と顎の前の領域特異化に関わっている事を示した。まず，神経堤細胞の移動に 先立ち，眼と囲心嚢とに挟まれた領域に，Fgf8 遺伝子が左右一対発現し始める。顎 骨弓形成が始まると Fgf8 発現領域の前方に一部重なるように Bmp4 遺伝子の発現 が見られた。重複部分には窪み，すなわち，上顎の前方端が生じる。これらの遺伝 子発現と形態変化の過程から，FGF8 が顎領域を，BMP4 が上顎の前方端を特異化し ていることを作業仮説とした。顎の形成に伴う神経堤細胞の移動と分布を調べるた め，顎骨弓の間葉細胞に DiI を微量注入したところ，上顎の前端にできる窪みを境 界として顎領域と顎前領域とにはおおまかな隔たりがあり，上下顎内ではいくらか 移動が起こることが明らかとなった。このことは Fgf8 とBmp4 両遺伝子の発現か ら推察される間葉細胞の運命決定と符合する。そこで，顎領域と顎前領域の境界を 乱す目的で，それぞれの成長因子をビーズにしみ込ませ，咽頭胚の顎前領域に埋め 込む実験を行った。FGF8 を異所的に与えた場合は，その下流ホメオボックス遺伝子 の間葉での発現領域は吻側および背側に広がり，かつ顎前領域は狭くなり，神経分布パターンもそれに伴う乱れを生じた。逆に， BMP4 を与えた場合は，顎骨弓由来の 構造物の欠失が認められた。これらの変化は，上皮間葉相互作用の起こる以前の， Fgf8 とBmp4 の発現から想像される形態的変化と一致していた。以上より，顎領域 と顎前領域の決定には上皮におけるFGF8 と BMP4 が必要であり，それらのシグナ ルを受けた間葉細胞が特異領域の形態形成を行っていると考えられる。ゼノパス胚 においても両遺伝子の発現が同様なパターンで観察されることから，この現象は顎 口類共通に機能するものと考えられる。
Reproductive isolations between Arabidopsis thaliana and its relatives caused by defects in pollen tube guidance and embryogenesis
Kentaro Shimizu and Kiyotaka Okada
Department of Botany, Graduate School of Science, Kyoto University
Reproductive isolations (interspecific incompatibility) play
critical roles in generating and maintaining species. Sexual reproduction
is achieved by the multistep recognition processes between female
and males, and the reproductive isolation is thought to be caused
by the divergence of any of the recognition molecules. Molecular
genetic analyses of closely related species will reveal the mechanism
of isolation. However, molecular genetic approach has been applied
only to Drosophila species group.
In the sexual reproduction of an angiosperm Arabidopsis,
a pollen tube germinates on the stigma, is guided to female gametophyte,
and succeeds the double fertilization. We isolated magatama
mutants in which the development of the female gametophyte is
delayed. In the mutant pistils, pollen tubes lost the way just
before the female gametophyte. We propose a model of two-step
attraction of pollen tube guidance by female gametophyte.
This raises a possibility that the divergence of the guidance
signals resulted in reproductive isolations. We crossed pollen
grains of 12 species of Brassicaceae to Arabidopsis
pistils. The pollen tubes of Orychophragmus violaceus and
Arabis flagellosa were rarely directed to female gametophyte,
and even when directed, they lost the way just before female gametophyte
like magatama mutants. This suggests that both of the guidance
signals did not have activity across species. The pollen tubes
of Draba and Capsella had defect in the elongation.
When the pollen grains of Arabidopsis (Arabis) halleri
subsp. gemmifera were crossed, the pollen tube guidance
was normal but the embryogenesis was aberrant. The embryos remained
at the two-cell stage when the wildtype embryos were at the heart
stage composed of hundreds of cells. In brief, almost all the
stages were the sites of the reproductive isolation of at least
one of the 12 species.
We overlaid the pattern of the isolation on the phylogenetic tree
and found a rule that the older the species divergence, the earlier
step the site of the reproductive isolation is. The results will
be the basis of isolating the mutants and the genes of reproductive
isolation.
花粉管ガイダンスと胚発生に見るシロイヌナズナと近縁種の生殖隔離
清水健太郎、岡田清孝
京都大学・理・植物
多様な種が作られ、また共存するためには、生殖隔離（種間不和合性）が重要な役割を果たしている。有性生殖は多段階の雌雄間の相互作用によって成り立っているが、生殖隔離はいずれかの段階での相互作用因子が種間で変化することによって起こると考えられる。遺伝子レベルで生殖隔離や形態差を解析するためには、分子遺伝学的手法で近縁な数種を解析することが有用だが、現在のところまでに研究が進んでいるのはショウジョウバエの種群のみである。
被子植物シロイヌナズナの有性生殖では、柱頭で発芽した花粉管が、花粉管ガイダンスシグナルに従って雌性配偶体まで到達し、重複受精する。我々は、雌性配偶体の発生が遅れる突然変異体magatamaを単離した。そしてmagatamaでは花粉管が雌性配偶体直前で迷走することなどから、雌性配偶体による花粉管ガイダンスが２段階からなることを示した。
これらの花粉管ガイダンスに関わる分子が種間で変化することで生殖隔離が生じている可能性を検討するために、シロイヌナズナの雌しべにアブラナ科の12種の花粉を掛け合わせて観察した。ハナナ、スズシロソウなどの花粉管は、低率でしか花粉管が胚珠へ向かわず、また向かったとしてもmagatama突然変異体と同様に雌性配偶体直前で迷走した。これは、シロイヌナズナ雌性配偶体からの花粉管ガイダンスシグナルの２段階ともが種間で機能していないことを示唆する。イヌナズナ、ナズナなどの花粉管は、伸長に異常を示す。また、ハクサンハタザオでは花粉管ガイダンスは正常だが、胚発生に異常を示した。野生型が数百細胞からなるハート型胚の時期に、２細胞期にあった。12種と掛け合わせた結果では、柱頭から胚発生までのほとんど全ての段階で、どれかの種が異常（不和合性）を示した。
系統樹の上に、どの段階で生殖隔離が起こるかを重ね合わせてみた。すると、系統が遠いほど早い段階で不和合になるという規則性を見つけることができた。このことは、種分化のモデルのうちで、種間でランダムに突然変異が蓄積することで不和合性が生まれるというものを支持する。これらの結果は、生殖隔離に関する突然変異体とその原因遺伝子の単離の基礎となる。
Functional analysis of mogura involved in DNA
repair
in Drosophila
*Kazushi Shinzato(1), Dong-song Suh(2), Eiji Nitasaka(1)
(1) Dept. Biol., Fac. Sci., Kyushu Univ.
(2) Dept. Gen. Eng., Sung Kyun Kwan Univ. Korea
Mutations of genes which control DNA repair, cell cycle checkpoint
and recombination pathway show the sensitivity to mutagens. Four
UV sensitive strains were selected out of 3000 P-tagged strains
of Drosophila melanogaster. We analyzed one strain,
pus25 and the corresponding gene was named mogura (mog).
The original mutant induced by P-lacW represents mogp.
To test whether mogp is induced by P-lacW insertion,
Excision strains were constructed using a ﾆ2-3 strain. These strains
showed wide variety of UV-sensitivity from wild-type to hyper-sensitive
level. To obtain more sensitive strains, P-lacW was remobilized
again and new excision strains were made. Four lethal strains
(~10%) were obtained. This suggests that mog gene is required
for viable functions. Sequences of mog cDNA and genomic
clones were determined. These sequences manifested that this mog
gene have three exons and two introns. The longest cDNA length
is 3881bp and mog coding region is 2039bp and P-lacW
insertion position is 254bp upstream from the first codon. The
sequence of mog has no homology with the sequence of the
significant genes but the amino acid sequences contains the glutamine
repeats. Transcriptional levels of mog gene were analyzed
at embyonic, larval, pupal and adult stages by RT-PCR. It showed
that mog strongly expressed at ovarial and embryonic stages,
and weakly expressed at third instar larval and pupal stages.
Expression pattern of mog is similar to ones of a photo-repair
gene, phr. The lacZ expression pattern of mogp
was tested. The surface tissues of gonad (e.g, calyx and pedicel)
were strongly stained. Anterior tip and posterior end were gradually
stained after stage11 of embryo and the stained area expanded
at more later stage.
キイロショウジョウバエにおけるDNA修復に関与するmogura遺伝子の機能解析
*新里 和史(1)、徐 東祥(2)、仁田坂 英二(1)
(1)九大・院理・生物科学 (2)韓国・成均館大
キイロショウジョウバエでは今までいくつもの組換え、修復に関与する遺伝子が単離されているが、初期発生に関する遺伝子のように網羅的には解析が行われておらず、基本的なメカニズムにおいてまだ不明の部分も多い。DNA修復や組換えに関する遺伝子の多くが突然変異源にも感受性を示す。そのため組換えや修復に関与する遺伝子のクローニングを目的として、約3000のP-element突然変異誘発系統から紫外線感受性を指標にスクリーニングを行った。その結果、UV感受性を示す4系統が得られた。その中の1系統(pus25)は第３染色体の74Cの位置にP-element（P-lacW）の挿入があり、この系統に関して解析を行った。excision実験からP-lacWを飛び出させると野生型に復帰するため、P-lacWによりこの突然変異が誘発されていることが明らかになった。このP-lacW挿入部位近傍に存在する既知の紫外線感受性を示す系統と対立性検定を行った結果、この突然変異は新規なものであることが明らかになり、この紫外線感受性に関与する遺伝子をmogura(mog)と名付けた。mog遺伝子の転写産物の解析を行い、卵巣と初期胚で特に強く発現していることが分かった。また、excision実験に際し、不完全なP-lacWの切り出しによると思われる、紫外線に超感受性を示す強い対立遺伝子も複数得られ、一部は致死となった。このことはmog遺伝子は生体内で重要な機能を持っていると考えられる。mog遺伝子は３つのエクソンからなり、コーディング領域は2039bpあり、翻訳開始点から254bp上流にP-lacWが挿入していた。興味深い点として、超感受性を示す系統は、UV照射によって、複眼形成に異常が見られた。これらのことからmog遺伝子は損傷を受けたDNAの修復に直接かかわる遺伝子か、細胞周期のチェックポイントで働く遺伝子であると考えている。現在mog遺伝子を含むゲノム領域をもちいて形質転換した系統を作製しており、致死や紫外線感受性の救済実験の結果についても報告する。
Genes expressed in the amphioxus notochord revealed
by EST Analysis
Miho M. Suzuki and Nori Satoh
Department of Zoology, Graduate School of Science, Kyoto University
Notochord is one of the most important characters that can
be used to distinguish chordates from other animals. The notochord
cell of the cephalochordate amphioxus is unique due to the occurrence
of myofilaments in the cytoplasm.
The present EST (expressed sequence tags) analysis targeted mRNAs
of the amphioxus notochord to determine what kinds of genes are
expressed there. Analysis of a set of 257 ESTs showed following
three results.
1. 9 % of them are genes for extracellular matrix proteins associated
with formation of the notochordal sheath.
2. 11 % of the cDNAs are genes related to muscle, actin, tropomyosin,
troponin I, myosin regulatory light chain, myosin light chain
kinase, myosin heavy chain, calmodulin and calponin. In situ
hybridization demonstrated that actin cDNAs newly cloned in this
study was specific to the notochord cells. The deduced entire
coding sequence of the actin showed it is neither of cytoplasmic-type
nor of muscle-type, but rather that it is a unique one that should
be called "the amphioxus notochord actin".
3. Interestingly, 3 % of the cDNAs are genes for immune system.
They included two complement components, C3 and C6. This is the
first report of C6 from invertebrates, suggesting an ancient origin
of the lytic complement system.
ナメクジウオ脊索で発現する遺伝子群の EST 解析
鈴木美穂, 佐藤矩行
京都大学大学院 理学研究科 動物学教室
脊索は、脊索動物を特徴づける重要な器官である。中でも下等脊索動物であるナメクジウオの脊索はその系統学的位置から進化的に興味深いだけでなく、細胞内に筋繊維がみられるという点で特徴的であり、その分化・発生の機構や機能、またどのように進化してきたのかという問題について研究を進めることが必須である。
私達は、ナメクジウオの脊索がどのような遺伝子群の発現によって形成されているのかを知るために、ナメクジウオ成体の脊索 cDNA
ライブラリーを作製し、網羅的に EST 解析を行った。257 クローンの両端の塩基配列をホモロジー検索した結果、以下の 3
つの知見を得た。
1. 解析した EST の 9 % は細胞外基質を構成する遺伝子と高い相同性があった。これは脊索を包む鞘を構成するタンパク質をコードしていると考えられる。
2. 解析した EST の11 % が筋肉関連遺伝子と高い相同性を示した。この中にはアクチン、トロポミオシン、トロポニン I、ミオシン調節軽鎖、ミオシン軽鎖リン酸化酵素、ミオシン重鎖、カルモジュリン、カルポニンなど、筋収縮に関わるタンパク質の遺伝子が含まれていた。これはナメクジウオ脊索の筋肉的特徴を裏付ける初めての分子生物学的データである。また今回新規に同定したアクチンは、in
situ ハイブリダイゼーションによって脊索特異的に発現していることが明らかになった。その全アミノ酸配列は筋肉型・細胞質型のいずれでもなかったため、私たちはこのアクチンを
“脊索アクチン (notochord actin) ”と名付けた。
3. 興味深いことに、3 % は免疫機構に働く遺伝子であった。このなかには、補体系の中心的役割を果たす C3 のほか、これまで円口類以下の生物にはないとされていた溶解経路で働く
C6 が存在した。
Molecular basis of pheromonal polymorphism in Drosophila
melanogaster
Aya Takahashi*(1,2), Jerry Coyne(1), and Chung-I Wu(1)
(1) Department of Ecology and Evolution, University of Chicago
(2) Faculty of Agriculture, Hokkaido University
Polymorphism in pheromone component of the cuticular hydrocarbon
is well known in Drosophila melanogaster (1). This naturally
occurring intraspecific polymorphism has peculiar geographic distribution
in which African and Caribbean populations show a high level of
5,9-heptacosadiene whereas non-African populations show a high
level of 7,11-heptacosadiene. This suggests an underlying evolutionary
change at the locus controlling these differences. Genetic mapping
(2) and the localization and characterization of the delta-9 desaturase
gene (3) in this species suggest that this gene is a strong candidate
for the cuticular hydrocarbon polymorphism. Our goal is to identify
the locus and to understand the molecular evolution of this polymorphism.
Sequence analyses in this region shows the presence of a duplicated
gene (Fad 2) tandemly arrayed in front of the delta-9 fatty
acid desaturase gene (Fad 1). Genetic mapping shows that
the allelic differences in cuticular hydrocarbon components map
within a 13kb region in 87B-C, which includes the Fad 2
and 4 other genes. We present here the results of the genetic
mapping and the sequence analyses in this region. We also show
the sequence comparisons of the two duplicated genes in this species
as well as in other organisms of different taxa. More sequence
analyses and further work on transformation and expression studies
are needed.
(1) Ferveur et al. (1996) Genetica 97: 73-80
(2) Coyne et al. (1999) Genet. Res. 73: 189-203
3) Wicker-Thomas et al. (1997) Insect Biochem. Molec. Biol. 27:
963-972
キイロショウジョウバエにおけるフェロモン多型の遺伝的機構
高橋 文*(1,2), Jerry Coyne(1),呉仲義(1)
＊ シカゴ大学 (2)北海道大学農学部
キイロショウジョウバエにおけるクチクラ炭水化物成分構成の多型はよく知られている（１）。この自然集団における種内多型は特殊な地理分布を示す。アフリカ及びカリブ諸島の個体群はクチクラ炭水化物の二つの主成分のうち、5,9-heptacosadieneの割合が高いのに対し、その他の地域の個体群は7,11-heptacosadieneの割合が高い。この様な特異な地理的分布から、この変異を制御する遺伝子座に選択がかかっていることが示唆される。遺伝学的マッピング（２）とデルタ-９
脂肪酸不飽和化酵素をコードする遺伝子の位置決定（３）についての研究から、この遺伝子がクチクラ炭水化物の多型を制御している可能性が高いと考えられる。本研究の目的は、この遺伝子座を決定し、この多型の分子レベルの進化を見ることである。この領域の塩基配列の解析より、重複した第２の遺伝子（Fad2）が、デルタ-９
脂肪酸不飽和化酵素（Fad1）の５’側に存在することが明らかになった。更に遺伝学的マッピングにより87B-Cの13kb内にクチクラ炭水化物成分の違いを引き起こすサイトがあることがわかった。この領域にはFad2及び他の４つの遺伝子が含まれる。本発表では、この領域の遺伝学的マッピング及び塩基配列の解析、また二つの重複遺伝子の塩基配列の比較についての結果を提示する。今後はより広範な塩基配列の解析及び遺伝子転換、発現パターンの研究が必要とされる。
(1) Ferveur et al. (1996) Genetica 97: 73-80
(2) Coyne et al. (1999) Genet. Res. 73: 189-203
3) Wicker-Thomas et al. (1997) Insect Biochem. Molec. Biol. 27:
963-972
Segmentor: an activity that induces boundary formation
during somite Segmentation
Toshiko Takahashi and Yuki Sato
Graduate School of Biological Sciences, Nara Institute of Science and Technology
Segmented somites are transient embryonic structures characteristic
of all the vertebrates. They form periodically in an antero-posterior
order, and morphological segmentation is concomitant with a boundary
formation between the somites which is resulted from a dynamic
and rapid epithelialization of mesenchymal presomitic cells (PSM).
We investigated the mechanisms by which the segmentation border
is established by focusing on the next boundary site (level -1)
in PSM. We found that the cells located at the level -1 were determined
to undergo boundary formation. In contrast, the level -1.5, which
would normally not segment, was induced to segment when relocated
at the level -1. We could localize this segmentation (epithelialization)-inducing
activity at -1 and designated it a "segmentor". The
segmentor appears to emanate from the cells posteriorly juxtaposed
to the next boundary and act on their anteriorly located cells
to be epithelialized. Furthermore, the segmentor itself is generated
by another activity yet to be identified that influences from
the ventral region of the level -1.
Thus, during formation of the segmentation boundary, 1) the segmentor-inducing
activity emerges, 2) this activity induces the segmentor which
is aligned along the dorso-ventral axis in the cells posteriorly
juxtaposed to -1, and finally the segmentor simultaneously epithelializes
anteriorly positioned cells leading to formation of the morphological
segmentation in PSM.
体節の分節化をひきおこす誘導作用
高橋 淑子 佐藤 有紀
奈良先端科学技術大学院大学・バイオサイエンス研究科
すべての脊椎動物では、からだの前後軸に沿って基本組織単位の繰り返し構造が見られる。このような分節パターンの代表例として、脊椎骨や肋骨、脊髄神経などがある。からだの繰り返し構造はほぼすべて、体節中胚葉の分節現象に依存する。未分節中胚葉の前端部から左右一対ずつ、一定の時間ごとに一定の距離をもって、規則正しく分節が進行する現象は、長年発生生物学の研究対象であったにもかかわらず、その分子メカニズムの多くは依然謎に包まれている。
もとは間充織細胞であった未分節中胚葉が、次分節部位（-1レベル）においてのみ急激に上皮化をおこすことによって、組織内に間隙が生まれ形態的分節が引き起こされる。私たちは、このような分節にともなう細胞形態の劇的変化に注目し、そのしくみについて研究をおこなった。これまでに、分節にともなう上皮化が、-1レベルに局在する誘導作用により特異的に引き起こされることを見出した。これらのことは、本来は分節しない領域（たとえば-1.5）でも、-1レベルにおかれると異所的な分節をおこすこと、また-1のみを取り出し-1.5レベルに移植すると、やはり異所的な分節-上皮化が引き起こされたという解析結果に基づくものである。私たちは、このような分節（上皮化）誘導能をもつ活性を「セグメンター」と名付けた。セグメンターは-1レベルにおいて特異的に活性をもち、かつセグメンター自身もさらに周囲の組織によって誘導を受けることがわかった。
セグメンター活性による分節の完結と、それ以前にはたらく「分節時計」とのつながりについてデスカッションしたい。
Growth of the Drosophila hindgut is regulated antagonistically
by dpp and brinker
Shigeo Takashima, Misa Imaoka, Ryutaro Murakami
(Yamaguchi Univ.)
dpp and brinker (brk) have been known to act antagonistically in various morphogenetic events in Drosophila development. In the wing disc, Dpp functions as morphogen and activates various target genes. On the other hand, brk antagonizes the dpp activity by repressing the expression of dpp target genes. In the present study, we demonstrate that dpp and brk act antagonistically in the development of the Drosophila hindgut and regulate the elongation of this organ. In dpp mutant embryos, the hindgut failed to elongate while the hindgut overgrew in embryos in which dpp was over-expressed in the hindgut. brk mutantation, in contrast, caused overgrowth of the hindgut. Over-expression of brk suppressed the elongation, as in the case of dpp mutation. These results demonstrate the antagonistic roles of dpp and brk in the development of the Drosophila hindgut. The effect of Dpp was suggested to be mediated by some unknown factor emanating from the posterior-most region of the hindgut, the rectum, because tkv expression was detected only in the rectum.
ショウジョウバエ後腸の伸長は dpp と brinker が競合的に調節する
高島茂雄、今岡未佐、村上柳太郎
（山口大学理学部自然情報）
decapentaplegic (dpp)とbrinker (brk)はショウジョウバエ発生過程のいくつかの局面で競合した機能を持っていることが明らかになってきた。翅原基においてdppはモルフォゲンとしてさまざまなターゲット遺伝子の発現を誘導するがbrkは反対にdppのターゲット遺伝子の発現を抑制することでdppの働きに競合する。今回我々はこの２つの遺伝子がショウジョウバエ胚後腸の発生過程においても競合して働き、その伸長を調節していることを報告する。
通常後腸は短い管状に陥入した後、胚全長の半分ほどの長さにまで伸長する。この伸長は主に後腸中央部区画を構成する個々の細胞の再配置と肥大化によっておこる事が分かっている。dppは後腸中央部区画後部末端で強く発現するが、dpp変異胚では後腸の長さが著しく短縮していた。さらにこの時細胞の肥大化に伴うDNAの合成も起こっていなかった。また、dppを後腸内で過剰に発現させた結果、後腸の伸長増大が引き起こされた。これらの結果はdppが細胞の肥大化を誘導し、後腸の伸長を促進する因子として働くことを示している。一方、brkの変異胚では後腸の過剰な伸長がおこり、dppの過剰発現と同じような表現型を示した。さらにbrkを過剰発現した胚では後腸が著しく短縮し、これはdppの突然変異胚と同様のものだった。これらの結果からbrkはdppとは逆に、後腸の伸長を妨げる因子であることが推測された。また、dppとそのリセプターtkvは後腸中央部区画の末端と直腸でのみそれぞれ発現する。ゆえに後腸の伸長は直腸で発現する2次的な因子を介していると考えられ、dppとbrkはこの2次的な因子の発現を調節することで後腸の伸長を調節するものと思われる。
Characterization of MADS-box gene in Charophycean green algae
and origin of Floral homeotic genes
Yoichi Tanabe*, Mitsuyasu Hasebe1, Hisayoshi Nozaki2, Motomi
Ito3
*Grad. Schol.Sci.,Chiba Univ., 1Natl. Inst.Basic Biol., 2Dept.Biol.Sci.Grad.Schol.sci.,
Univ.Tokyo, 3Dept.Biol.Fac.sci., Chiba.Univ.
To research the origin and evolution of floral homeotic genes
(ABC-function genes), the cloning of these genes unveiled that
most of them belong to the MADS-box gene family of transcription
factors, we characterized a MADS-box gene from Chara and Coleochaete
which is the member of multicellular green algae Charophytes inferred
to be the closest to land plants. In addition, for the purpose
of elucidating molecular evolution of MADS-box gene in plants,
we characterized a MADS-box gene in unicellular green algae, Closterium
which also belong to Charophycean algae and have a isogamate sexual
reproduction system. By analyzing the ortholog of floral homeotic
genes in Chara by molecular phylogenetic analyses and in situ
hybridization expression analyses, we revealed that floral homeotic
genes evolved from a single gene around the time of first land
plants and the ancestral function is presumably involved in egg
and sperm differentiation.
シャジクモ藻類(Charophycean green algae)におけるMADS遺伝子の解析 ～Floral homeotic
遺伝子の起源に関する考察～
田辺陽一＊、長谷部光泰１、野崎久義２、伊藤元己３
＊千葉大院・自然科学、１基生研・種分化第二、２東大院・理学研究科・生物科学、３千葉大・理・生物
Floral homeotic 遺伝子の起源と進化を探る目的で、我々はシャジクモ、コレオケーテ（陸上植物と姉妹群的な関係にあると考えられる多細胞緑藻類）、さらにミカヅキモ（単細胞緑藻）からMADS遺伝子の単離と分子系統学的解析を行った。さらにシャジクモにおいてはin
situ hybridizationによる発現解析を行った。その結果、Floral homeotic 遺伝子群(ABC-function
genes)の起源は植物の上陸前後に遡り、そしてその祖先的な働きは生殖細胞の分化（精子と卵の両方）に関与していることが示唆された。
Interpretation of queer morphogenesis of indeterminate leaves in Monophyllaea spp., from view point of Evo/devo
Hirokazu Tsukaya*
National Institute for Basic Biology (NIBB),
*Additional affiliation: 'Form and Function', PRESTO, Japan Science
and Technology Corporation, Japan
Some plants have been known to develop indeterminate leaves.
They have been categorized as "leaf-stem intermediates".
Here, we overviewed the morphogenesis of such indeteminate leaves
found in genus Monophyllaea, based on recent knowledge
on molecular mechanisms for maintenance and development of shoot
apical meristems (SAM) of a model plant, Arabidopsis thaliana
(L.) Heynh. One-leaved plants of Gesneriaceae have a unique organ,
the "phyllomorph", which is composed of one leaf blade
and one stalk-like structure. The single phyllomorph of Monophyllaea
is derived from the meristematic region at the base of one of
two cotyledons. One-leaved plants cannot differentiate a SAM,
but inflorescence meristems are formed at the base of leaf blades.
The meristems of phyllomorph can be considered to be equivalent,
in terms of function, to the SAM of standard angiosperms. If models
for the mechanisms that regulate SAM activity in A. thaliana
are generally applicable to seed plants, we can interpret organogenesis
of phyllomorphs as follows. One-leaved plants lack the gene(s)
required for expression of
SAM-related genes at proper positions at the vegetative stage.
Instead, the cotyledons have the ability to express SAM-related
genes ectopically at the base of their cotyledons. But after transition
from the vegetative to the reproductive stage, part of the phyllomorph
meristem expresses genes for the proper organization of SAM activity,
as do most plants, since inflorescence meristems form on the phyllomorph
in a similar way to typical shoots. Isolation and characterization
of genes for regulation of SAM in one-leaf plants should provide
clues to a better understanding of leaf and shoot identity at
the molecular level.
モノフィレア属植物(Monophyllaea spp.)における無限葉形成のエボ／デボ的解釈
塚谷 裕一
基礎生物学研究所／さきがけ研究21「形とはたらき」
種子植物の中には、無限葉をつくるものが知られている。その多くは葉と茎（シュート）との中間的な器官と解釈されることも多い。ここでは、最近モデル植物であるアラビドプシス（シロイヌナズナ）の分子遺伝学的解析から明らかになってきた、シュート頂分裂組織の制御系に関する知見を元に、モノフィレア属に見られる無限葉の形態形成の仕組みを概観した。モノフィレアを代表として、イワタバコ科植物に知られる一葉植物は、phyllomorphと呼ばれる特異な器官を形成する。Phyllomorphは二枚ある子葉のうちの一枚に由来する器官で、葉身と葉柄様構造（petiolode）からなる。モノフィレアのphyllomorphは、本来子葉であった器官の葉身基部に確立する分裂組織の働きにより、形成される。モノフィレアはシュート頂分裂組織を形成することはないが、花成誘導後は、phyllomorph基部の分裂組織に花序分裂組織を形成する。花序分裂組織は通常のシュート頂分裂組織と同様の振る舞いを示す。
アラビドプシスで知られるシュート頂分裂組織の制御系が普遍的なものと仮定すると、以上の発生過程に対し、１つの解釈が成り立つ。すなわち、モノフィレアなどの一葉植物は、シュート頂分裂組織が正しい箇所に生じるのに必要な遺伝子発現系に欠損があり、そのかわり、シュート頂分裂組織のperipheral
zoneに相当する部分の形成／維持に必要な遺伝子制御系を、葉身基部に異所的に発現していると考えることができる。しかしシュート頂分裂組織の形成／維持に関する遺伝子群を完全に欠いているわけではなく、花成誘導後は、phyllomorph基部に遅れて発現するものと解釈できる。モノフィレアにおけるシュート頂分裂組織の制御系遺伝子群の単離と解析は、葉とシュートとの分化を理解する上で重要な鍵となると考えられる。
Transposition activity of the medaka transposable element Tol2
Makiko Tsutsumi, Hiroshi Hori, Akihiko Koga
Nagoya University
The medaka fish transposable element Tol2 is one of
a few terminal-inverted-repeat elements that are still active
in vertebrates. It is 4.7kb
in length and contains 4 ORFs. The ORFs have amino acid sequense
similarity to the transposase (TPase) of hAT family transposons.
If the transposition activity is increased artificially, Tol2
may be very useful for gene tagging and transformation by transposon
in vertebrates.
In this study, we showed that two different mRNAs are transcribed
in medaka cells : 2.3kb mRNA containing ORFs 1~4 (long mRNA) ,
and 1.9kb mRNA containing ORFs 2~4 (short mRNA) (Fig. 1). The
long mRNA consists of 4 exons and contains a single 2055-bp reading
frame. The short mRNA consists of 3 exons and contains a single
1728-bp reading frame. The expected
protein products are 685aa and 576aa in length for the long and
the short
mRNAs, respectively. Thus, at least one of these mRNAs is expected
to code for TPase of Tol2, but it is unknown which of them
has the activity as TPase.
We constructed cDNAs for these mRNAs to examine their roles. The
mRNAs were in vitro synthesized from these cDNAs (Figs.
2, 3). Synthesized mRNAs were microinjected into fertilized medaka
eggs, and the excision rate was determined by using Tol2
in pHSG399 plasmid system (Fig. 4). When the long mRNA was injected,
the excision rate was about seven times higher than the case of
no mRNA. The excision frequency with the short mRNA was not so
different from that of no mRNA (Table 1). In addition, the size
and sequences of plasmids from the blue colonies were examined
(Fig. 5). They lacked Tol2 sequence and had various foot
print patterns. Thus, it is considered that the protein product
from the long mRNA catalyzes transposition reaction.
メダカトランスポゾンTol2の転移活性
堤真紀子、堀寛、古賀章彦
名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻
メダカのTol2は脊椎動物で数少ない、現在でも転移活性を持つDNA型のトランスポゾンである. Tol2は全長4.7kbで内部に4つのORFを持ち、推定されるアミノ酸配列から、トランスポゾンhAT
familyの転移触媒酵素(transposase：TPase)と相同性がある.人為的に転移活性を上げることができれば、脊椎動物においてTol-2がトランスポゾンを用いたgene
taggingやtransformationに有用である可能性がある. そこで本研究では次のことを行った.
１）Tol2 cDNAの塩基配列を解析した所、ORF1～4を含む2.3kbのlong mRNAとORF2～4を含む1.9kbのshort
mRNAの2種類のmRNAがメダカ細胞内で転写されており、Tol2のTPase様遺伝子が発現していることが証明された
(Fig. 1). long mRNAは、４つのエクソンがスプライシングによって連結され、2055 bpのORFになった. また、short
mRNAは３つのエクソンを合わせて1728 bpのORFをのせていた . それぞれは685aa、576aaに相当する.
しかし、どちらのmRNAが活性をもつTPaseであるかは明らかにされていない.
2種類のmRNAの性質を調べるために、各々の開始コドンから終止コドンまでの領域をPCRで増幅し、以下の実験に用いた.
２）増幅したcDNAから、メダカ受精卵にmicroinjectionするためのmRNAをin vitroで合成した(Figs.
2, 3).
３）ヒメダカの受精卵を分離し、１～２cell stageの胚にin vitro合成したcapped mRNAをinjectしてTol2の転移頻度の変化を測定した. 測定にはTol2
in pHSG399システムを用いた.
このシステムは、プラスミドpHSG399のlacZ geneのMCS内に4.7kbのTol2を挿入したものである(Fig.
4). このプラスミドを合成mRNAと共に卵にinjectし、１日後、卵からDNAを回収、大腸菌にtransformした. Tol2が抜けずインタクトなプラスミドのままの場合にはlacZ遺伝子のβ-ガラクトシダーゼ活性が回復せず白コロニーが生じるが、Tol2が抜けた場合には、活性が出現するため青コロニーとなる.
各コロニーの数比から転移頻度を求めた(Table 1). その結果、short mRNAをinjectした場合ではmRNAをinjectしない場合に比べて転移頻度に明らかな差異が認められなかったが、long
mRNAをinjectした場合には転移が活性化された. さらに、生じた青コロニーのプラスミドのサイズを求め、シーケンスしたところ、Tol2が抜けて2.2kbとなり、それらのfoot
printは、数bpの追加配列を含む不正確なexcisionを示した(Fig. 5). 以上のことからlong mRNAがコードするタンパク質はTol2の転移を触媒する働きがあると考えられる.
Development of tracheal systems and wing vein during larval
and pupal periods of papilionid butterfly, Papilio polytes.
◯Kazuo Watanabe, Hiroaki Honda, Dai Kanagawa and Ryuji Kodama
Faculty of Integrated Arts and Sciences, Hiroshima University
and National Institute for Basic Biology
Recently, genetic bases underlying the generation of wing colour
patterns in butterflies were partly revealed. Based on the situation,
we intended to understand generating mechanisms of individual
variations of the wing colour patterns, especially the vein-dependent
pattern, and their local shift, such as geographical cline. In
order to set up morphological bases for analysing the problem,
we used larvae and pupae of a papilionid butterfly, Papilio
polytes. And, we described morphological and functional development
of the tracheae and tracheoles of the wing disc, and their
relationships to the wing-vein formation(venation) were discussed.
シロオビアゲハ（Papilio polytes）の幼虫期および蛹期における気管系と翅脈の発生
◯渡辺一雄、本多弘明、金河大（広島大学総合科学部）、
児玉隆治（基礎生物学研究所）
近年、５令幼虫期における翅芽の二次元空間の上に形態形成遺伝子ディスタレス（Dll）やウィングレス（wg）がプレパターンとして発現していることが判ってきた。すなわち、実際に自然の中のチョウで見られる斑紋パターンとそのシフトは、これらの形態形成遺伝子の発現調節の問題として理解されるわけである。一方、これらの空間パターンと共に、翅脈のような翅の形態的構造に関連して現れる斑紋（従属的パターン）の存在も古くから指摘されている。実は形態形成遺伝子の空間パターンも、翅脈のような翅の構造から強い干渉を受けており、実際には空間的パターンと従属的パターンの組合わせで最終的な斑紋が決まる場合が多い。
この研究は、従属的パターン形成の基準となる翅脈の形成に注目し、アゲハチョウ科のシロオビアゲハの前翅を材料として、幼虫期から蛹期にかけての翅脈形成の構造と機能の発生について記載を行なったものである。これによって、将来の形態形成遺伝子の発現調節による斑紋変異の形成メカニズム解析への準備としたい。観察には、実験室でハンドペアリング法により交尾産卵させ、累代飼育したシロオビアゲハPapilio
polytesを使用し、幼虫または蛹から翅芽を摘出し、そのまま、あるいは切片にして発生を追って観察した。
【結果と考察】
（１）翅芽は背側と腹側の2枚の上皮からなり、5令幼虫初期、翅芽の腹側の基部にトラキオール（微細気管）が塊となって存在する。やがてこのトラキオールがあらかじめ存在するラクナと呼ぶ組織間の隙間を束となって翅芽内部へと進入、展開し、幼虫期翅芽の呼吸機能を司ると考えられる。このトラキオールの束の分枝パターンは成虫の翅における翅脈の基本パターンに対応している。
（２）このトラキオールの進入に先駆けて、太い第一次気管が翅芽への進入をおえるが、前蛹期まではこの第一次気管内には空気は入っておらず、呼吸機能は示さないと考えられる。
（３）第一次気管は、幼虫期にその分岐パターンが決定されたあと、蛹期を通じて大きな分岐または融合は起こさない。これに対して、ラクナは蛹期になるとCu2脈および中室内において縮退するので、ラクナパターンは幼虫期と蛹期とで変化が起こるといえる。
（４）蛹初期に、先端が毛玉状になったトラキオールの顕著なランプブラッシ状構造が認められる。その一本一本は第一次気管から新たに発しており、翅の根元から伸びる幼虫期のトラキオールとは構造的に異なっている。この蛹期トラキオールのランプブラッシの数は鱗粉列の数とおおむね一致しており、鱗粉列の分化に関係が深いと考えられる。
（５）羽化直前の翅の鱗粉を脱色すると、空気で満たされた第二次気管が白く認められ、この走行パターンは成虫の翅脈パターンと完全に一致する。
（６）第二次気管は、蛹中期以降、翅脈原基の内部にシワ状におれたたまれた状態で認められ、羽化直前にここに空気が入ることによりパイプ状の中空構造となる。羽化時の翅の伸展は第二次気管の外側のラクナの空間内に、腹部から急速に体液が送られることにより起こる。第二次気管の中空構造によって翅は軽量化され、伸展後の翅脈の乾燥と相まって折れにくい頑丈さを獲得していると考えられる。
（７）将来翅脈となる部分（翅脈原基）は、蛹中期以降、ぶ厚いクチクラの波うった肥厚となり、他の翅面とは明瞭に区別することができる。翅脈の形成されない中室内では第一次気管のみ認められ第二次気管およびクチクラの肥厚は認められない。
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update: 24 March, 2000
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