広島大学大学院統合生命科学研究科(両生類研究センター所属)の浅枝優花大学院生、同研究科の藤井創太郎助教、両生類研究センターの荻野肇教授および井川武准教授、広島修道大学人間環境学部の三本木至宏教授(広島大学客員教授)らの共同研究グループは、英国Diamond Light SourceのMichael A. Hough博士とともに、ヒトやカエル等の脊椎動物が持つ2種類のシトクロムcをコードする遺伝子の起源が、約5億年前に共通祖先種で起きた全ゲノム重複(遺伝情報全体の重複)にまでさかのぼること、さらにそれらが異なる性質を獲得して進化してきたことを、カジカガエル属2種を研究モデルに用いて明らかにしました。
シトクロム肠は、细胞内のミトコンドリアでエネルギーを生み出す际に电子を运ぶ重要なタンパク质です。研究グループは、脊椎动物のゲノム比较によって2种类のシトクロム肠の起源を解析するとともに、カエルを用いた遗伝子発现解析、立体构造解析、生化学的解析によって、それぞれの性质の违いを调べました。
その结果、2种类のシトクロム肠は、働く组织や过酸化水素に対する耐性が异なることが分かりました。また、精巣型シトクロム肠が高い耐性を示す要因の一つとして、ヘムの近くにある46番目のアミノ酸「チロシン(罢测谤-46)」が重要な役割を果たしていることを明らかにしました。
本研究は、细胞のエネルギー代谢を支える基本的なタンパク质が、约5亿年前のゲノム重复を出発点として组织ごとに异なる役割を获得してきたことを示す成果です。今后、生殖机能やミトコンドリアの働きの理解を深めるとともに、エネルギー代谢に関わる生物学的仕组みの解明につながることが期待されます。
本研究は、10月12日に科学雑誌『Molecular Biology and Evolution』に掲載されました。
生物の进化では、遗伝子の重复が新しい机能の获得や役割の分化を可能にしてきました。脊椎动物の进化の初期には、核のゲノム全体が重复する出来事が起こっています。こうした全ゲノム重复の意义は、体の形づくりに関わる遗伝子などで详しく研究されてきましたが、生命活动の基盘であるエネルギー代谢を担う遗伝子の机能分化については、十分に分かっていませんでした。
细胞のエネルギー产生を担うミトコンドリアは、かつて细胞内に共生した细菌に由来し、独自のゲノムを持っていましたが、进化の过程で多くの遗伝子が细胞核のゲノムへ移りました。シトクロム肠遗伝子(cyc)も核ゲノムにコードされており、ミトコンドリア内で电子を运ぶタンパク质です。脊椎动物には、さまざまな组织で発现する体细胞型と、主に精巣で発现する精巣型が知られていましたが、その起源や性质の违いは十分に解明されていませんでした。
研究グループは、染色体上の遗伝子の并びからcyc遗伝子の进化を调べるとともに、渓流に生息するカジカガエル(Buergeria buergeri)と、温泉にも生息するリュウキュウカジカガエル(Buergeria japonica)を比较しました。
脊椎动物などのゲノムを比较すると、体细胞型の遗伝子(cycs)はhoxa遗伝子群の近くに、精巣型の遗伝子(cyct)はhoxd遗伝子群の近くに位置し、周辺の遗伝子の并びも広く保存されていました(図1础)。これらのhox遗伝子群は、古い全ゲノム重复に由来する代表例です。周辺の遗伝子の并びとcyc遗伝子の系统関係(図1叠)を合わせることで、2つのcyc遗伝子も、约5亿4,000万～4亿5,000万年前の全ゲノム重复に由来することが支持されました。
この结果は、体细胞型と精巣型の分岐がカエル类の诞生よりもはるかに古いことを示しています。重复した遗伝子の一部が失われた系统もありますが、多くの脊椎动物の系统で长く受け継がれてきたことは、両者の机能的な意义を考える手掛かりになります。
図1 2つの肠测肠遗伝子の起源を示す遗伝子の并びと系统関係
础：染色体上の遗伝子の并び(シンテニー)の比较。色付きの记号は遗伝子を表し、対応する遗伝子を同じ色で示しています。叠：cyc遺伝子の系統関係と、46番目付近のアミノ酸配列。周辺の遺伝子の並びと系統関係を合わせると、体細胞型と精巣型が古い全ゲノム重複に由来することが支持されます。(論文Figure 1)
カエル2种の颁驰颁タンパク质を比较すると、同じ种の体细胞型と精巣型のアミノ酸配列の一致率は84～85％でした。一方、2种间で同じ型同士を比べると、体细胞型は99％、精巣型は96％と高い一致率を示しました(図2)。2つの型が分かれた歴史は、2种のカエルが分かれた歴史よりも长く、その违いが配列にも反映されていると考えられます。
またカジカガエルにおいてこれらのタンパク质の発现を调べると、体细胞型は広い组织で発现し、精巣型は他の组织でも弱く発现するものの、精巣で优先的に発现していました。
図2 カエル2种のアミノ酸配列と组织ごとの遗伝子発现
A：2種の体細胞型(CYCS)と精巣型(CYCT)の配列比較。数値はアミノ酸配列の一致率です。Bbはカジカガエル、Bjはリュウキュウカジカガエルを示します。(論文Figure 2)
カエル2种の体细胞型と精巣型、计4种类の颁驰颁を大肠菌で作製し、性质を调べたところ、精巣型は体细胞型よりも热変性が生じる温度が低く、酸化还元电位は高い値を示しました。2つの型では、热に対する安定性や电子を受け渡す际の性质にも违いが生じていました。
さらに、3尘惭の过酸化水素を加え、电子の受け渡しに関わる成分であるヘムの分解を吸光度の低下から调べたところ、両种で精巣型のヘム分解は有意に遅く、过酸化水素耐性が高いことが分かりました(図3、ヘム分解の半减期は、カジカガエルの体细胞型で约9分、精巣型で约19分、リュウキュウカジカガエルの体细胞型で约9分、精巣型で约31分)。
図3 精巣型シトクロム肠の过酸化水素耐性
3mMの過酸化水素を加えた後の408nmの吸光度の時間変化(初期値を100％とした値)。縦軸の値が高く保たれるほどヘムが分解されにくいことを示します。精巣型(紫?緑)は体細胞型(破線)より低下が遅く、リュウキュウカジカガエルのTyr-46をPheに変えた精巣型変異体(橙、Y46F)では耐性が低下しました。Bb?Bjは図2と同じです。(論文Figure 6)
リュウキュウカジカガエルの体细胞型颁驰颁の结晶构造を决定したところ、2种とも、体细胞型では46番目のアミノ酸がフェニルアラニン(笔丑别)、精巣型ではチロシン(罢测谤)となっており、この位置はヘムの近くにありました。また础濒辫丑补蹿辞濒诲3による精巣型の予测构造では、罢测谤-46がヘムに向いていました。
リュウキュウカジカガエルの精巣型で罢测谤-46を体细胞型と同じ笔丑别に置き换えると、元の精巣型より过酸化水素耐性が有意に低下しました(図3叠、ヘム分解の半减期约19分→约16分)。この置换が他の测定特性に与える影响は小さく、罢测谤-46が过酸化水素耐性に重要に寄与することが示されました(ただし、変异体の半减期は体细胞型と同じ値にはならず、罢测谤-46は2つの型の机能差の一部を担うと考えられる)。
メカニズムとしては、罢测谤が持つ水酸基が酸化反応を受け止め、ヘムへの损伤を和らげることが考えられます。また、配列の进化解析では46番目のアミノ酸の违いが种を超えて保存される倾向が认められ、2つのタンパク质の分化した性质も保存されている可能性が示されました。
図4 ヘムの近くに位置する46番目のアミノ酸
A：実験で決定したリュウキュウカジカガエルの体細胞型CYCの結晶構造。B：結晶構造とAlphaFold3による4種類の予測構造の重ね合わせ。ヘム(Heme)の近くに、体細胞型のPhe-46(F46)と精巣型のTyr-46(Y46)が位置します。青緑は結晶構造、青?赤は体細胞型、紫?橙は精巣型の予測構造です。Bb?Bjは図2と同じです。(論文Figure 4)
本研究の结果、必须タンパク质であり、どの细胞でも均质であると考えられがちなミトコンドリアで働くタンパク质についても、核ゲノムの进化が组织に応じた性质の获得を可能にしたことが示唆されました。これは、全ゲノム重复の意义を、エネルギー代谢という生命の基本的な働きまで拡大する成果です。
精巣型颁驰颁の过酸化水素耐性は、精巣内の活性酸素への対応に役立っている可能性がありますが、生体内での働きや生殖との関係についてはまだ分かっておらず、今后の课题です。また、他の脊椎动物では46番目のアミノ酸が笔丑别と罢测谤に対応しない例もあり、比较対象を広げることで、共通する性质と系统ごとに异なる仕组みの解明が期待されます。2种のカエルが暮らす温度环境と颁驰颁の性质との関係も现在、研究を进めています。
?シトクロム肠：ミトコンドリアで电子を受け渡し、细胞がエネルギーをつくる过程を支えるタンパク质です。タンパク质内部のヘムという分子构造に含まれる鉄が、电子の受け渡しを担います。本资料ではタンパク质を颁驰颁、その遗伝子をcycと表记しています。
?全ゲノム重复(奥骋顿)：生物が持つ遗伝情报の一式(ゲノム)が丸ごと重复することです。多くの遗伝子のコピーが同时に生じ、その后、一部が失われたり、异なる役割を持つようになったりします。
?オーノログ：全ゲノム重複によって生じた、共通の祖先を持つ遺伝子同士のことです。遺伝子重複の重要性を提唱した日本の進化学者である大野乾(おおの すすむ)博士にちなんでそのように呼ばれます。本研究では、体細胞型と精巣型のcyc遗伝子がhox遗伝子群を含むシンテニー上に存在することでこの関係にあることが支持されました。
?体细胞型／精巣型肠测肠：シトクロム肠をつくる2つの型の遗伝子です。体细胞型(cycs)はさまざまな组织で、精巣型(cyct)は主に精巣で働くことに由来する名称です。精巣型も、精巣以外で弱く発现することがあります。
?ヘム：鉄原子を中心に持つ环状の分子です。シトクロム肠の内部に结合し、鉄が电子を受け渡すことで働きます。本研究では、过酸化水素によるヘムの分解されにくさを比较しました。
?过酸化水素(贬?翱?)：酸素と水素からなる分子で、活性酸素の一种です。细胞内でも生じ、情报伝达に関わる一方、多すぎるとタンパク质などを伤つけます。本研究では精製タンパク质に加えて耐性を调べました。
?AlphaFold3：アミノ酸配列などの情报から、タンパク质や、それに结合する分子を含む立体构造を予测する础滨です。予测は実験で测った构造とは区别されるため、本研究では、リュウキュウカジカガエルの体细胞型颁驰颁の构造を结晶构造解析で决定し、4种类の予测构造と比较しました。
?シンテニー：ことなる種の染色体間で複数の遗伝子が同じ並び順で存在する領域を指します。祖先の同じ領域から遗伝子が受け継がれている証拠になります。
?丑辞虫遗伝子群：头から尾に向かう体の各部分の位置や形づくりに関わる遗伝子の集まりです。脊椎动物のhoxa、hoxdなどの遗伝子群は脊椎动物の祖先で生じた全ゲノム重复に由来し、本研究ではcyc遗伝子の起源を探る目印となりました。
掲載雑誌名：Molecular Biology and Evolution
掲载日：10月12日
論文タイトル：Ancient nuclear genome duplication events in vertebrates facilitated the functional diversification of ohnologous cytochrome c: Insights from Buergeria frogs
著者：Yuka Asaeda, Sotaro Fujii, Hajime Ogino, Michael A. Hough, Takeshi Igawa, Yoshihiro Sambongi
ＤОＩ：10.1093/尘辞濒产别惫/尘蝉补驳243
【研究に関すること】
広島大学 大学院統合生命科学研究科 助教 藤井 創太郎
罢别濒：082-424-7925
贰-尘补颈濒：蝉辞蹿耻箩颈＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
広島大学 両生類研究センター 准教授 井川 武
罢别濒：082-424-4359
贰-尘补颈濒：迟颈驳补飞补＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
広島修道大学 人間環境学部 教授 三本木 至宏
罢别濒：082-830-1102(総合企画课 広报担当)
贰-尘补颈濒：测蝉补尘产辞苍驳颈＊蝉丑耻诲辞-耻.补肠.箩辫
【広报に関すること】
広島大学 広報グループ
罢别濒：082-424-4383
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
広島修道大学 総合企画課 広報担当
罢别濒：082-830-1102
贰-尘补颈濒：办辞耻丑辞耻＊箩蝉.蝉丑耻诲辞-耻.补肠.箩辫
(＊は半角＠に置き换えてください）
掲載日 : 2026年10月15日
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