ミツバチの全ゲノム解読完了～1

ミツバチ科学 27(2):93-96 HoneybeeScience(2006)

ミツバチの

全ゲノム解読完了

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佐々木 哲彦

昨年の秋, ミツバチの全ゲノム解読 (解説 参照)が完了 したことを報告する論文が,莱 国科 学 雑 誌 ネ イ チ ャー に発 表 され た (The HoneybeeGenomeSequencingConsortium･ 2006･Insightsintosocialinsectsfrom the genomeofthehoneybee

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･Nature 443:931-949).ゲノム とは生物が もつ全遺 伝情報の ことである.全ゲノム解読 はミツバ チを研究する多 くの者が切望 していたことで, 2006年はミツバチ研究の歴史のなかで,記念 すべき年であったといえる.そこで,ネイチャ ー誌に掲載された論文の内容を今月号 と次の号 の2回に分けて紹介 したい. 全ゲノム解読 には多大な労力 と費用がかか る.米 国イ リノイ大学 の GeneRobinson博士 が リーダー役を務めて遂行 したミツバチ ･ゲ ノムプロジェク トには, 日米欧を中心に

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研 究グループから総勢 230名の研究者が参画 し, 総額で10億円ほどの研究費が投 じられた (図

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)

.

これだけの労力 と費用を投入 してまで ミ ツバチのゲノムを解読することに,一体 どのよ うな価値があるのか ? 今回はネイチャー誌の 図1 ミツバチの観察巣箱とRobinson博士 論文の緒言をもとに,ミツバチのゲノム解読の 重要性について述べる. 昆虫 のゲノム プロジ ェク ト ミツバチは昆虫の仲 間 としては3番 目に全 ゲノムが解読された (コラム参照).最初に全 ゲノムが解読された昆虫はショウジョウバエで ある (図 2).ショウジ ョウバエは,一般の方々 にはあまり馴染がなく,台所の流 しの三角コー ナーの回りにわ く,少 しうっとうしいだけの小 さなハエであるが,生物学の重要な研究対象で あ り,研究データベースに ｢ショウジョウバエ｣ と入力 して検索すると,5万件を超える科学論 文がヒットする.ちなみに ｢ミツバチ｣で検索 結果は,その10分の 1ほどである.ショウジ ョウバエは,狭いスペースで簡単に大量に飼育 でき,卵か ら成虫になるまでの期間が

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週間 ほどと短いため,交配実験による遺伝学の研究 材料にはうってつけである.さらに人為的に遺 図2 最初に全ゲノム解読が完了したショウジョウバエ (写真提供 :安俳尚志博士)と 第2番目に解読が完了したハマダラカ (写真提供 :狩野繋之博士)

94 伝子を操作する方法論が確立されていて,最先 端の遺伝子研究にも理想的な実験材料になって いる. 昆虫で

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番 目に全ゲノムが解読 されたハマ ダラカは,マラリア原虫を媒介する衛生害虫で ある (図 2).マラ リア感染症はマラ リア原虫 とい う単細胞の微生物によって引き起 こされ, 原虫に感染 した患者の血液を吸ったハマダラカ が,次に別の人を刺す ことで感染が拡大する. 狂犬病 と同じく,海外旅行者を除けば,日本で マラリアが問題 となることはないが,アフリカ や東南アジアなどの熱帯,亜熱帯地方では,い までもマラリアの脅威は極めて深刻である.全 世界で1年間に3億- 5億人の患者,150万 人

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万人の死者があると推計されてお り, マラ リア制圧の新 しいアプローチの開拓に向 け,全ゲノムが解読された. では,ミツバチがゲノムプロジェク トの対象 者 に選ばれたのは何故か ? 遺伝子研究の理想 的な材料でもなければ,多 くの命を奪 う害虫で もない.もちろん,ミツバチはハチミツを生産 し,農作物の花粉を媒介する農業上の重要な有 用昆虫である. しか し,それだけではゲノム解 読の対象 とはな りえない.ゲノムが解読される までもな く,現 にミツバチはハチ ミツを生産 し,花粉媒介の仕事を果 して くれているのだか ら.実はミツバチは基礎生物学の研究対象 とし ての重要な特性をもち,そのために巨額の研究 資金を投 じてゲノム解読が実施されることにな った.もちろん,その成果は将来的に農業上の 有用昆虫としてのミツバチの応用研究にも還流 されることになる.

カース ト分化 と性決定

研究対象 としてのミツバチの最大の魅力は, 社会性をもつ ことであろう.巣内には一匹の女 王蜂 と数千から数万匹の働き蜂が同居 している (図 3).働き蜂は基本的には産卵能力をもたな いが,女王蜂 と同じく雌であ り,女王蜂 と同じ 遺伝子を持っている.このことは,ごくまれに

銅メダルは誰の手に ?

3番 目にゲノムが解読された昆虫につい て,実は ミツバチが3番 目かカイコが3番 目か とい う議論がある.カイコの研究者は, カイ コが3番 目に全ゲノムが解読 された昆 虫であると主張 している.たしかに

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004

年 に,日本 と中国のグループが,それぞれ独立 にカイコのゲノムを解読 した とい う論文を 発表 している. しか し,これは不完全な概要 版であ り,明らかにミツバチゲノムの論文よ り完成度が低いため,ミツバチの研究者はミ ツバチが3番 目である と考 える.カイコゲ ノムに関する完成度の高い論文は近い うち に発表されることになっている.一方,そも そもミツバチ もカイコも3番 目の昆虫では ないという意見もある.実は,最初にショウ ジ ョウバエの一種であるキイロシ ョウジ ョ ウバエのゲノムが解読されたあと,それに続 いてウスグロシ ョウジ ョウバエのゲノムが 解読された.キイロショウジョウバエ とウス グロショウジョウバエは別種の昆虫なので, 1番 と2番 目が ともにシ ョウジョウバエで, 3番 目がハマダラカであ るとい う考えであ る. しかし,ともにショウジョウバエである ことに変わ りはないことから,ミツバチとカ イコの研究者は,一番がシ ョウジョウバエ, 2番がハマダラカということで意見が一致 し ている.ミツバチの研究者にとっても,カイ コの研究者にとっても,自分たちが研究の対 象 とする生物のゲノムが解読されたことが 重要であって,それが 3番 目であろうが,4 番 目であろうが,実質的にはまったく意味の ないことである. しか し,オ リンピックで 3 番 まではメダルがもらえるが,4番や5番で はただの入賞であることに重ね合わせると, 自分たちが 3番手である と言いたい気持ち は互いに譲れない.

図3女王蜂を取りまくミツバチの働き蜂 ゲノム解読によってこのカースト分化の メカニズムの解明も進むであろう. 働き蜂 も産卵することや,働き蜂用の巣房の中 にいる,卯字化後まもない幼虫を王台に移虫すれ ば,女王蜂に育て上げることができることか ら も明 らかである.ミツバチの巣を見慣れた人に は,女王蜂 と働 き蜂 (不妊雌)がいることは, ごく普通の ことだ と思われるかもしれないが, 産卵能力をもつ雌 と,産卵能力を持たない雌に 分かれていること (カース ト分化 とい う)は, 他の動物にはないミツバチな どの蜂の仲間に特 有の際立った特徴である. 次に雌雄の決まり方に注 目してみたい.一部 の例外を除けば,動物には同一種内に雌 と雄 と い う生殖上の役割を異 にする個体が存在する. ヒ トを含む哨乳類では,雌 と雄は,性染色体が Xであるか Yであるかで決まる. ヒ トは 22対 の常染色体 (雌雄共通) と 1対の性染色体

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X

またはY)で合計46本の染色体をもつ.鳥類 や雁虫類では

,X

Y型の性染色体ではな く

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W

型の性染色体をもつが, 1本の性染色体で雌雄 が決まることに変わ りない.昆虫類でも,ほと ん どの場合

,X

Y型か

Z

W 型の性染色体で性決 定がおこる.ところが,ハチの仲間の性決定は, 受精卵が雌に,未受精卵が雄になるという仕組 みになっている.このよ うな性決定様式を半数 倍数性 とい う.交尾を終 えたミツバチの女王蜂 は,雄蜂か ら受け とった精子を貯精嚢に蓄 え, 働き蜂用の巣房に産卵するときは,この精子を 使って受精卵を産み,雄蜂用の少 し大きめの巣 房には,精子を使わないで末受精卵を産みつけ 95 ることで,働き蜂 と雄蜂を産み分ける.一度の 交尾飛行で蓄 えた精子を 1- 2年間 も使い続 けることができること,卯の段階で雌の半分の 遺伝子量 しかもたない未受精卵から雄個体が造 られることなど,ミツバチは他の多 くの動物に はない生命現象を研究者に提供 して くれる.

ミツバチの学習能力とダンス言語

21世紀 は脳 の時代 であ る と言われてい る. ミツバチは抜群に頭の良い昆虫であることも, ゲノム解読を実施する大 きな動機 となった.特 定の場所に巣をもたず,一匹だけで生活 してい る昆虫と違い,社会性昆虫であるミツバチには 立派な巣があ り,そこに大量の食物を蓄えてい る.花蜜や花粉を集 め る採餌蜂 は,巣か ら数 km離れた ところまで飛んでい くこともある. ミツバチの体長を 1cm として,5km先 まで 飛んだ とす ると,巣か ら体長の 500,000倍の ところまで出かけたことになる.この飛行距離 を身長 170cm の人に例 えれば,850km に相 当する.巣を起点 とする長距離飛行は,飛行中 に外界か らの多 くの情報を収集 し,それを脳に 蓄えることで初めて可能になる.さらに餌を集 めて巣にもどった蜂は,採餌に適 した花畑の場 所を,尻振 りダンスによって他の巣仲間に伝え る (図 4). この ミツバチの言葉では,お尻を 振る時間が巣か ら餌場までの距離を,重力方向 に対するダンスの向きが,巣か ら見た太陽 と餌 場の角度を表 している.実際の距離 と方向が, ダンスの時間と角度に抽象化されて表≡呪されて 図4 ミツバチの尻振りダンス 情報伝達手段として高度に発達している

96 図5動物の系統進化 ヒトは脊椎動物として 新口動物の頂点に,ミツバチは節足動物 として旧口動物の頂点に位置する. いることから,このような言語を抽象言語また は記号言語 という.動物の中でもっとも洗練さ れた抽象言語を用いるのは,いうまでもなく私 たち人間であるが,昆虫の中にも抽象言語を使 用するものいることは,驚 くべき発見であ り, ミツバチの言葉の発見者である

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は, 1973年にノーベル生理学 ･医学賞を受賞 した.当然

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は頬まれな卓越 した研究者 であったであろうが,そもそもミツバチが優れ た学習能力をもち,抽象言語まで使 うような, 類まれな昆虫だったのである. 動物は系統進化学的に,新口動物 と旧口動物 に大き く二分 される (図5).脊椎動物 (ヒト を含む)に代表される新口動物 と,節足動物 (昆 虫類など)などの旧口動物は,先カンブリア紀 の初期に分岐 したと推定されている.それから 数億年の進化を経た現在,脳の発達 という視点 か ら見れば,高度な社会生活を獲得 したヒトと ミツバチは,それぞれ新口動物 と旧口動物の頂 点に位置 している. 社会性,半数倍数性の性決定,優れた学習能 力 と抽象言語,さらに進化学的視点から見たヒ トとの関係など,基礎生物学の研究対象 として の重要性 と,農業上の有用昆虫としての重要性 を鑑みれば,ミツバチの全ゲノム解読が実施さ れたことは,むしろ当然のことであったといえ る.次回は,ゲノム解読で得 られた成果 と,そ の成果が今後 ミツバチの基礎研究や応用研究に どのように波及 していくかについて紹介する. 《次号に続 く》 (〒194-8610 町田市玉川学園6-1-1 玉川大学ミツバチ科学研究施設)

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肌 群 蹴 込 1t.Iが 和 服 肌 X紺 1つの遺伝子か らは 1つのタンパク質が作 られる.例えばヒトの体には3万種類を超え るタンパ ク質がある.すなわち ヒ トは3万 個以上の遺伝子をもっていることになる.そ して, これ らの3万個以上の遺伝子か らな る遺伝情報のすべてをゲノムという.したが ってゲノムという言葉 自体に,すでに ｢すべ て｣ という意味があ り,全ゲノムという表現 には重複があるが了すべて｣を強調する際に, 全ゲノムという言い方をすることがある.遺 伝情報をもつ物質はDNA(デオキシ リボ核 醍)で

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種類のヌクレオチ ドとよばれる化 合物が,2重 らせん構造をとりなが ら並んだ ひも状の物質である.4種類のヌクレオチ ド は, リン酸 と糖からなる共通の基本構造 と, アデニ ン (A),チ ミン (T), グアニ ン (G) またはシ トシン (C)とよばれる 4つの塩基 のいずれか 1つをもつ.別の言い方をすれば, 生物の遺伝子は 4つのアルファベッ トで書か れていることになる.全ゲノムが解読された ということは,ミツバのDNA上でA,T,G,C が どのように並んでいるかを,すべて明らか に したことを意味 し,そこからどのようなタ ンパク質がつ くられるかを予想することがで きる. 燕 ＼ ?甘 † DNAの2重 ら線構造.AとT,CとGが対を作 る (イ ラス ト :加々美貴弘)