Research

Welcome to Takano-Shimizu, Tomaru & Sanuki Lab

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「歴史を再現し、今を知り、そして明日を視る」; 明日のための進化ゲノム学

生命活動は正確であるとともに頑健(ロバスト)でなければなりません。遺伝子の調子がちょっと悪かろうが、間違いが起ころうが、私たちは少々の逆境にもへこたれません。
一方で、生命は進化することを止めることもありません。環境に適応する進化能を併せもちます。遺伝学や発生生物学などのウエットな実験と集団遺伝学を基盤とする理論生物学とコンピューターシミュレーションを駆使したドライな解析の両面から、頑健性と適応という一見、相反する生命現象を支える遺伝子と細胞の働きを明らかにします。

私たちが運営する Kyoto Stock Center (DGRC) は現在、25,000を超えるショウジョウバエ系統を維持・管理しています。豊富な遺伝資源と恵まれた研究環境を生かし、日々研究に励んでいます。
頑健さは年齢と無縁ではありません。頑健さを通して老いること、死をみつめなおします。不老不死ではなく、生と死、老いについての理解を深めることで減薬社会をめざします。

具体的には現在、次の研究課題に取り組んでいます(研究内容のページへ)。

  • 遺伝子発現を制御するシス−トランス因子間の分子共進化
  • 発生過程の頑健性を支えるメカニズム
  • 器官のサイズコントロールとサイズの進化
  • 生殖学:雑種不妊にみられる脆弱な精巣形成の理由
  • 配偶行動・雌雄のコミュニケーション
  • 遺伝子ネットワーク構築法の開発
  • お問い合せは 高野 敏行 まで。

    〒616-8354
    京都市右京区嵯峨一本木町1
    京都工芸繊維大学 昆虫先端研究推進センター
    ショウジョウバエ遺伝資源研究部門
    Tel: 075-873-2660 (代表)

    メールでのお問い合わせはこちら

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    遺伝子発現を制御するシス−トランス因子間の分子共進化

    これまでの進化学の考え方では、転写因子など遺伝子発現をトランスに制御する因子は保守的で、変化が遅いと信じられてきました。その理由は、例えば、転写因子が変化してしまうと、これが制御する多くの遺伝子の発現を一気に変えてしまい、生物に重篤な影響をおよぼすと予想されたからです。この予想と一致して、進化の過程では、各遺伝子の発現調節領域に起こるシス変異が重要であり、これにより個々の遺伝子レベルでの発現進化が起こったと報告されてきました。本研究では、これまで無視されてきたトランス因子とシス調節領域との補償的な変化も考慮して、進化のシミュレーションを行いました。その結果,これまでの研究ではシス変異が過大に評価されすぎていたことがわかりました。実際、約40万年前に分岐したショウジョウバエ近縁種を用いて実験を行ったところ、遺伝的背景を異種のものに置き換えた”アウェイ”の状況よりも、本来の”ホーム”の遺伝的背景でしばしば発現量が高くなる(図を参照)ことを見つけました.これは、これまで考えられているよりもずっと速い速度で、トランス因子と遺伝子本体(シス)とが協調しながら進化していることを示しています。つまり、トランス因子(細胞内環境)も変わるのです。

    進化するトランス因子を同定することで細胞の発現環境をよりよく理解することに繋げます。

    図:3つの異なる遺伝的背景で2種( A と B )の遺伝子の相対発現量。いずれの場合も親種に由来する2つの対立遺伝子は一つの細胞という同じ環境に置かれている。そのため発現量の違いはすべて遺伝子本体のシス調節領域(CRE)の違いによると考えられてきた。しかし、それぞれの種でトランスに働く転写因子(TF)とシス調節領域が互いに補償的に進化してきたとすると、トランス因子は違う種のシス調節領域にはうまく働けないかもしれない(破線で示す)。例えば、A 種にとってのホームの遺伝的背景(左図)では A 種の遺伝子の発現量が高く(発現量を矢印の大きさで示す)、B 種のホームの遺伝的背景(右図)では逆にB 種の遺伝子の発現量が高くなるかもしれない。この場合、雑種での対立遺伝子の相対発現量は必ずしもシス変異の効果だけを表していないことになる。

    Two types of cis-trans compensation in the evolution of transcriptional regulation. Takahasi, K. R., Matsuo, T. and Takano-Shimizu-Kouno, T. (2011) Proceedings of the National Academy of Sciences USA 108, 15276-15281


    発生過程の頑健性を支えるメカニズム

    生命システムの特徴はその正確さと頑健さにあります。エラーを低く抑えるだけでなく、ノイズに対して頑健であることで正常な発生は保障されています。頑健性(ロバストネス)もまた、2つの要素で成立しています。ひとつは冗長性です。その最も単純な機構は遺伝子重複です。私達のゲノム中にもコピー数変異として知られる多型的な重複が数多く存在しています。私達はこの重複の生起率がゲノム比較から推定されるものより3桁高いこと(1)、さらに生じた重複の運命、殊に集団に固定、維持される条件を明らかにしました(2)。突然変異の多くが劣性であることの理由は自然淘汰によって冗長性が保たれていることにあるのかもしれません。

    図:新たに生じた重複が機能を保持しながら集団に固定する確率。突然変異の優性の度合い(h、機能遺伝子が1コピーしかない、つまりヘテロ接合の不具合の程度)に対してプロットしている。s は選択係数(機能遺伝子が1コピーもない時の不具合の程度。s = 1 は致死遺伝子)。ショウジョウバエでは致死遺伝子についてh は平均して0.02程度と推定されている(向井、集団遺伝学、1978、講談社サイエンティフィク)。固定確率はこの程度の小さな値で最大値2u(u は突然変異率)となる。

    1. Molecular spectrum of spontaneous de novo mutations in male and female germ line cells of Drosophila melanogaster. Watanabe, Y., Takahashi, A., Itoh, M. and Takano-Shimizu, T. (2009) Genetics 181, 1035-1043.
    2. Enhanced fixation and preservation of a newly arisen duplicate gene by masking deleterious loss-of-function mutations. Tanaka, K. M., Takahasi, K. R. and Takano-Shimizu, T. (2009) Genetics Research 91, 267-280.

    2つ目の要素はノイズや撹乱によって生ずる歪みやエラーを能動的に修復する機構です。初期胚の発生はまず前後と背腹の軸をつくることから始まります。ショウジョウバエの前後軸は母親から与えられた bicoid が作る前高後低の濃度勾配によって形成が始まります。人工的に6個の bicoid 遺伝子をもった母親から生まれた胚は頭部が拡大し、尾部側が圧縮されたかたちになります。しかし、こうした撹乱にも関わらず成虫のアロメトリはほぼ正常です。これは拡大した頭部予定領域が過剰な細胞死で相殺,修復されているためです。しかし、どのような遺伝子が細胞死の引き金を引くのか、そもそもどうやって頭部が拡張したことを組織が、細胞がセンスするのかまったく分かっていません。私達はスクリーニングからこの組織の拡大によって起こる細胞死に関わる遺伝子を同定し、Mabiki と名付けました。この遺伝子はカスペース非依存的に、未分化の細胞に細胞死を誘導します。冗長な細胞死経路が頑健さの基盤を作っていると私達は考えています。

    ゲノムに潜む、システムの頑健性を支えるメカニズムの全貌の解明に挑戦します。

    図:濃度依存的に作用する bicoid 遺伝子のコピー数を人工的に変動させると、それに応じて細胞運命地図が変化する。頭褶(CF)は胚の頭部と胸部の境界に一過的に形成される。bicoid 遺伝子のコピー数が増えると頭部は拡大する。一方、野生型の2コピーより少ない1コピーでは頭部は小さくなる。しかし成虫ではほとんどアロメトリは変わらない。このサイズの歪みを修復する機構があることを示している。ここで卵は左を前にしていて,数字は後端からの頭褶の位置を%で表示したもの。

    器官のサイズコントロールとサイズの進化

    体や器官のサイズは生存確率や競争の勝敗を決めてしまう要因で、遺伝的に制御されています。驚くことに器官は自律的に”正しい”サイズを知っているかのように振る舞いますが、その機構はよく分かっていません。器官サイズの制御と進化の機構の理解を深める上でショウジョウバエの複眼は優れたモデル系です。実際、ショウジョウバエの個眼数は近縁種のなかでも700から1000を超えるまで変異性に富んでいます。私達は成虫原基のなかで異なる組織への細胞の分配が種間のサイズ変異の主因となっていることを明らかにしました。これは翅で想定されるサイズの制御機構とは大きく異なります。サイズ制御の仕組みは区画化の時期に大きく依存することを示しています。

    器官などの細胞集団のもつ自律的なサイズ制御の機構を明らかにしていきます。

    生殖学:雑種不妊にみられる脆弱な精巣形成の理由

    配偶行動・雌雄のコミュニケーション

    遺伝子ネットワーク構築法の開発

    Sorry! Most parts are in Japanese…

    Professor

    Takano-Shimizu-kouno,Toshiyuki

    19年在職した国立遺伝学研究所をはなれ、2012年4月に嵯峨にやってきました。本人としてはかなり思いきった決断。 「歴史を再現し、今を知り、そして明日を視る」明日のための進化ゲノム学を遂行中。理論と実験に想像力で、目には直接みえない生命の動き、働きや進化を明らかにする。 科学の世界に肩書き不要。相手への礼節は必要。ジャーナル・クラブは自分の売りと売りかたを身につける修練道場。

    一言本音 小学生時代の愛読書は世界動物図鑑(いまでもカタログ好き)。サファリの野生動物を守ることに憧れてこの世界に入るも、実は小学校時代から生物学は苦手。ライオンの仲間に加えてもらって一緒に食事にありつきたいと思う。生態学に進むはずが、土壇場で集団遺伝学の分野へ。大学時代のPIは一時、病気療養中であったため、研究室に配属された時が初対面。輝美という名前であったが、男性。ゴッホの自画像に感動。100年生きる研究を残すことが目標。神話が息づく島根県立出雲高校卒。

    Assistant Professor

    Tomaru, Masatosh ⇒ Tomaru’s page

    Sanuki, Rikako

    Master’s Program of Applied Biology

    Tanaka Tomoya
    Monden Masaki
    Oiwa Kazuharu
    Sato Katsunori
    Suzuki Fumiko

    Undergraduate Program of Applied Biology

    Matsumoto Kanki
    Okano Souta
    Yamamura Tomonori


    Former members of Takano-Shimizu , Tomaru & Sanuki Laboratories including National Institute of Genetics

    2019 < Completed Master’s Program >
    Ibaraki Kimihide

    2018 < Completed Master’s Program >
    Kawashima Shota, Shirakami Machi

    < Undergraduate Program Graduation >
    Kawachi Shugetsu, Kimura Yuki

    2017 < Undergraduate Program Graduation >
    Wakada Haruka

    2016 < Completed Master’s Program >
    Matsuda Takeru, Miyazaki Yu, Nakatsuka Mihoko, Sasazaki Daisuke

    < Undergraduate Program Graduation >
    Tamura Ryoma, Yamamoto Syunsuke

    2015 < Undergraduate Program Graduation >
    Murakami Ginga, Tachibana Eiichi


    Timothy L. Karr Arizona State University
    森田 俊平 筑波大学大学院 小林 悟 研究室
    田中 健太郎 首都大学東京学術振興会博士研究員(2015年4月より)
    高橋 文 首都大学東京 理工学研究科 准教授(2012年4月1日より)
    高橋 亮 京都産業大学総合生命科学部生命資源環境学科 助教(2010年4月1日より)
    河邊 昭 京都産業大学総合生命科学部生命資源環境学科 准教授(2010年4月1日より)
    藤川 和世 (株)エヌビィー健康研究所(2009年11月1日より)
    高橋 一男 国立大学法人 岡山大学大学院 環境生命科学研究科 准教授(2013年4月1日より)
    渡邊 豊 イルミナ株式会社
    立田 晴記 琉球大学 農学部生産環境学科 亜熱帯動物学講座 教授(2015年8月1日より)

    2018

    Itoh, M., Kajihara, R., Kato, Y., Takano-Shimizu, T., and Inoue, Y. (2018) Frequencies of chromosomal inversions in Drosophila melanogaster in Fukushima after the nuclear power plant accident. PLoS ONE 13(2): e0192096

    植田充美 監修/高野敏行他36名 バイオテクノロジーシリーズ – AI導入によるバイオテクノロジーの発展 Development of Biotechnology by the Introduction of AI シーエムシー出版 2018年2月9日発行

    Tomaru, M., Ohsako, T., Watanabe, M., Juni, N., Matsubayashi, H., Sato, H., Takahashi, A., & Yamamoto, M.-T. 2018. Severe fertility effects of sheepish sperm caused by failure to enter female sperm storage organs in Drosophila melanogaster. G3 (Bethesda) 8: 149–160 https://doi.org/10.1534/g3.117.300171

    2017

    Matsumoto, Y., Goto, T., Nishino, J., Nakaoka, H., Tanave, A., Takano-Shimizu, T., Mott, R. F., and Koide, T. (2017) Selective breeding and selection mapping using a novel wild-derived heterogeneous stock of mice revealed two closely-linked loci for tameness. Scientific Reports 7, 4607

    鷲谷いづみ 監修/桂勲 編 高野敏行他7名 遺伝学 –遺伝子から見た生物– 培風館 2017年1月20日発行

    2014

    Kanamori, T., Yasuno, Y., Tomaru, T., and Takano-Shimizu-Kouno, T. Reduced male fertility of the Canton-S strain due to spermiogenic failure. (2014) Drosophila Information Service 97, 21-24

    遺伝子が語る生命38億年の謎 - なぜ、ゾウはネズミより長生きか?、2014年6月、悠書館(国立遺伝学研究所 編 第1章を執筆)

    Tanaka,K.M.*,Takahashi,A.,Fuse,N.,and Takano-Shimizu-Kouno,T.* (2014)A novel cell death gene acts to repair patterning defects in Drosohila melanogaster.Genetics 197,739-742. doi:10.1534/genetics.114.163337.Text Shirata, M., Araye, Q., Maehara, K., Enya, S., Takano-Shimizu, T., and Sawamura, K. (2014) Allelic asymmetry of the Lethal hybrid rescue (Lhr) gene expression in the hybrid between Drosophila melanogaster and D. simulans: confirmation by using genetic variations of D. melanogaster. Genetica 142, 43-48.Text

    2013

    遺伝子図鑑、2013年10月、悠書館(国立遺伝学研究所「遺伝子図鑑」編集委員会、斉藤成也、荒木弘之、角谷徹仁、小林武彦、高野敏行 編集)

    岩波 生物学辞典 第5版、2013年2月、岩波書店(新項目「量的形質遺伝子座」の執筆と50項目の校閲を担当)

    2012

    Koide, T., Goto, T., and Takano-Shimizu T. (2012) Genomic Mixing to Elucidate the Genetic System of Complex Traits. Experimental Animals 61, 503-509.

    Nishimura, A., Ishida, Y., Takahashi, A., Okamoto, H., Sakabe, M., Itoh, M., Takano-Shimizu, T., and Ozaki M. (2012) Starvation-induced elevation of taste responsiveness and expression of a sugar taste receptor gene in Drosophila melanogaster. Journal of Neurogenetics 26, 206-215.

    進化学事典、2012年4月、日本進化学会編、共立出版(16.1「遺伝子とは」と20.21「形質の遺伝的変異」を担当)

    Takahashi, A., Fujiwara-Tsujii, N., Yamaoka, R., Itoh, M., Ozaki, M. and Takano-Shimizu, T. (2012) Cuticular hydrocarbon content that affects male mate preference of Drosophila melanogaster from West Africa. Int. J. Evol. Biol. Volume 2012, Article ID 278903.

    2011

    Takahashi, A. and Takano-Shimizu, T. (2011) Divergent enhancer haplotype of ebony on inversion In(3R)Payne associated with pigmentation variation in a tropical population of Drosophila melanogaster. Molecular Ecol. 20, 4277-87.

    Takahasi, K. R., Matsuo, T. and Takano-Shimizu-Kouno, T. (2011) Two types of cis-trans compensation in the evolution of transcriptional regulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 15276-15281

    Takahashi, K. H., Daborn, P. J., Hoffmann, A. A., and Takano-Shimizu, T. (2011) Environmental stress-dependent effects of deletions encompassing Hsp70Ba on canalization and quantitative trait asymmetry in Drosophila melanogaster. PLoS ONE 6, e17295

    2010

    Itoh, M., Nanba, N., Hasegawa, M., Inomata, N., Kondo, R., Oshima, M. and Takano-Shimizu, T. (2010) Seasonal changes in the long-distance linkage disequilibrium in Drosophila melanogaster. J. Hered. 101, 26-32.

    Sawamura, K., Maehara, K., Mashino, S., Kagesawa, T., Kajiwara, M., Matsuno, K., Takahashi, A., and Takano-Shimizu, T. (2010) Introgression of Drosophila simulans nuclear pore protein 160 in Drosophila melanogaster alone does not cause inviability but does cause female sterility Genetics 186, 669-676

    Takahashi, K. H., Rako, L., Takano-Shimizu, T., Hoffmann, A.A., and Lee, S.F. (2010) Effects of small Hsp genes on developmental stability and microenvironmental canalization. BMC Evol. Biol. 10, 284

    2009

    Tatsuta, H. and Takano-Shimizu, T. (2009) High genetic differentiation between an African and a non-African strain of Drosophila simulans revealed by segregation distoration and reduced crossover frequency. Genetica 137, 165-171.

    Fujikawa, K., Takahashi, A., Nishimura, A., Itoh, M., Takano-Shimizu, T. and Ozaki, M. (2009) Characteristics of genes up-regulated and down-regulated after 24 h starvation in the head of Drosophila. Gene 446, 11-17

    Tanaka, K. M., Takahasi, K. R. and Takano-Shimizu, T. (2009) Enhanced fixation and preservation of a newly arisen duplicate gene by masking deleterious loss-of-function mutations. Genetics Research 91, 267-280.

    Watanabe, Y., Takahashi, A., Itoh, M. and Takano-Shimizu, T. (2009) Molecular spectrum of spontaneous de novo mutations in male and female germline cells of Drosophila melanogaster. Genetics 181, 1035-1043.

    Takahashi, K. H., Tanaka, K., Itoh, M. and Takano-Shimizu, T. (2009) Reduced X-linked rare polymorphism in males in comparison to females of Drosophila melanogaster. J. Heredity 100, 97-105.

    進化 — 分子・個体・生態系、宮田隆、星山大介 監訳、メディカル・サイエンス・インターナショナル(第14章) p.413-445 (ISBN 4895926214) (“Evolution” (Barton, N. H., Briggs, D. E. G., Eisen, J. A., Goldstein, D. B., and Patel, N. H., 2007, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York), の第14章, “Variation in Genetically Complex Traits”, p. 381-412の日本語訳)

    2008

    Inomata, N., Itoh, M., Kondo, R., Ohshima, M., Inoue, Y., and Takano-Shimizu, T. (2008). A new test for detecting ongoing selection. Genetica 133, 321-334

    2007

    Takahashi, A., Takahashi, K., Ueda, R., and Takano-Shimizu, T. (2007). Natural variation of ebony gene controlling thoracic pigmentation in Drosophila melanogaster. Genetics 177, 1233-1237.

    Noro,Y., Takano-Shimizu,T., Syono, K., Kishima,Y., and Sano, Y. (2007). Genetic variations in rice in vitro cultures at the EPSPs-RPS20 region. Theor. Appl. Genet. 114, 705-711. Text

    2006

    Tatsuta, H., and Takano-Shimizu, T. (2006). Genetic architecture of variation in sex-comb tooth number in Drosophila simulans. Genet. Res. 87, 93-107.

    Takeuchi, T., Watanabe, Y., Takano-Shimizu , T., Kondo, S. (2006). Roles of jumonji and jumonji family genes in chromatin regulation and development. Dev. Dyn. 235, 2449-2459.

    2005

    Kobayashi, S., Noro, Y., Nagano, H., Yoshida, K., Takano-Shimizu, T., Kishima, Y., and Sano, Y. (2005). Evidence for an evolutionary force that prevents epigenetic silencing between tail-to-tail rice genes with a short spacer. Gene 346, 231-240.

    Takahashi, A., and Takano-Shimizu, T. (2005). A high frequency null mutant of an odorant-binding protein gene, Obp57e, in Drosophila melanogaster. Genetics 170, 709-18.

    遺伝学事典、2005年、東江昭夫、徳永勝士、町田泰則 編、朝倉書店(ISBN 4254171242) (対立遺伝子、優性、不完全優性、表現型、交雑、雑種、雑種強勢、他家受精、両性雑種、モルガン単位、異型接合の11項目について執筆)

    2004

    Takano-Shimizu, T., Inomata, N., Nanba, N., Kondo, R., Inoue, Y., and Itoh, M. (2004). Inter-locus nonrandom association of polymorphisms in Drosophila chemoreceptor genes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 14156-14161.

    Oka, A., Mita, A., Sakurai-Yamatani, N., Yamamoto, H., Takagi, N., Takano-Shimizu, T., Toshimori, K., Moriwaki, K., and Shiroishi, T. (2004). Hybrid breakdown caused by substitution of the X chromosome between two mouse subspecies. Genetics 166, 913-924. Text

    2002

    Sakai, T., Isono, K., Tomaru, M., Fukatami, A., and Oguma, Y. (2002). Light wavelength dependency of mating activity in the Drosophila melanogaster species subgroup. Genes Genet. Sys. 77, 187 – 195.

    Yamada, H., Sakai, T., Tomaru, M., Doi, M., Matsuda, M., and Oguma, Y. (2002). Search for species-specific mating signal in courtship songs of sympatric sibling species, Drosophila ananassae and D. pallidosa. Genes Genet. Sys. 77, 97 – 106.

    Furuse, T., Takano-Shimizu, T., Moriwaki, K., Shiroishi, T., and Koide, T. (2002). QTL analyses of spontaneous activity by using mouse strains from Mishima battery. Mamm. Genome 13, 411-415.

    2001

    Takano-Shimizu, T. (2001). Local changes in GC/AT substitution biases and in crossover frequencies on Drosophila chromosomes. Mol. Biol. Evol.18, 606-619.

    Doi, M., Matsuda, M., Tomaru, M., Matsubayashi, H., and Oguma, Y. (2001). A locus for female discrimination behavior causing sexual isolation in Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 6714 – 6719.

    2000

    Takano-Shimizu, T. (2000). Genetic screens for factors involved in the notum bristle loss of interspecific hybrids between Drosophila melanogaster and D. simulans. Genetics 156, 269-282

    Tomaru, M., and Oguma, Y. (2000) Mate choice in Drosophila melanogaster and D. sechellia: criteria and their variation depending on courtship song. Anim. Behav. 60, 797 – 804

    Tomaru, M., Doi, M, Higuchi, H., and Oguma, Y. (2000) Courtship song recognition in the Drosophila melanogaster complex: Heterospecific songs makes females receptive in D. melanogaster but not in D. sechellia. Evolution 54, 1286 – 1294 .

    1999

    Takano-Shimizu, T. (1999). Local recombination and mutation effects on molecular evolution in Drosophila. Genetics 153, 1285-1296.

    Yamashita, S., Takano-Shimizu, T., Kitamura, K., Mikami, T., and Kishima, Y. (1999). Resistance to gap repair of the transposon Tam3 in Antirrhinum majus: A role of the end regions. Genetics 153, 1899-1908. Text .

    1998

    Takano, T. S. (1998). Loss of notum macrochaetae as an inter-specific hybrid anomaly between Drosophila melanogaster and D. simulans. Genetics 149, 1435-1450.

    Takano, T. S. (1998). Rate variation of DNA sequence evolution in the Drosophila lineages. Genetics 149, 959-970.

    Tomaru, M., Matsubayashi, H., and Oguma, Y. (1998) Effects of courtship song in inter-specific crosses among the species of the Drosophila auraria complex (Diptera: Drosophilidae). J. Insect Behav. 11, 383 – 398.