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農研機構 生物機能利用研究部門 研究推進室 遠藤 真咲
Email: nias-koho@ml.affrc.go.jp
TEL : 029-838-6005
広岛大学 広报室
Email: koho@office.hiroshima-u.ac.jp
概要
カイコはシルク生产だけでなく、有用タンパク质生产にも利用できるようになり、新たな用途が拡大しています。カイコの产业利用を拡大するには1头当たりのシルク生产量の増加が必要ですが、カイコ体内におけるシルクの合成メカニズムは十分に明らかになっていません。そのメカニズムを解明するため、农研机构、広岛大学、情报?システム研究机构は共同で、カイコの绢糸腺(けんしせん)１）での全遗伝子の発现量について详细なデータを取得、解析し、得られたデータを公开しました。
本研究で得られたデータを活用して、ニーズに合ったカイコの品种育成の加速化や、有用タンパク质の生产性向上等、カイコの产业利用の拡大を目指します。
近年、カイコの作るシルクは环境负荷の少ない天然繊维として再び注目を浴びています。また、2000年にカイコの遗伝子组换え技术が开発され、カイコが本来作らないタンパク质をシルクと一绪に生产させることが可能になったため、カイコは新たなタンパク质生产ツールとしても注目されています。さらなるカイコの产业利用の拡大を目指すには、カイコ1头当たりのシルク生产量の増加が强く望まれています。その课题をクリアするためにはカイコ体内におけるシルクの合成メカニズムの理解が必要ですが、それらはまだ十分に明らかになっていません。
そのメカニズムを解明するため、农研机构、広岛大学、情报?システム研究机构の共同研究グループは、シルクを作る组织である绢糸腺のどの部位で、どのような遗伝子が、いつ働くのかについて详细に调査しました。具体的には、カイコ5齢幼虫2）の绢糸腺を24时间毎に取り出して、部位毎にカイコの全遗伝子（约17,000种类）の発现量を网罗的に解析しました(図1)。
絹糸腺を細かな部位に分け、経時的かつ網羅的に全ての遺伝子発現量を解析したデータはこれまでありませんでした。これらのデータは、全て公開しており、どなたでもダウンロードが可能です（URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.6978654）。カイコを中心とした昆虫研究を行う皆さまにご活用いただけます。
今后、研究グループは本研究で得られたデータを活用して、シルクが作られるメカニズムの全容解明に取り组み、高品质なシルクをより多く作るカイコの品种育成や、カイコを用いた有用タンパク质の生产性向上を通して、养蚕业の発展や新规のバイオ产业创出への贡献を目指します。
シルクを作る组织である绢糸腺のどの部位で、どのような遗伝子が、いつ働くのか、详细に调査しました。
関连情报
予算：
农林水产省委託プロジェクト研究「昆虫（カイコ）テクノロジーを活用したグリーンバイオ产业の创出プロジェクト」22680575
共創の場形成支援プログラム(COI-NEXT)「Bio-Digital Transformation（バイオDX）産学共創拠点」JPMJPF2010
科研费基盘叠「シルクの构造?物性の多様性を担う分子基盘の解明」 21贬03831
大学共同利用机関法人 情报?システム研究机构 データサイエンス共同利用基盘施设 公募型共同研究:搁翱滨厂-顿厂-闯翱滨狈罢「カイコにおけるシルクタンパク质発现量调节に関わる新规遗伝子の同定のためのリファレンス遗伝子発现データセットの取得およびオーソログ推定」016搁笔2022
问い合わせ先
研究推進責任者：農研機構 生物機能利用研究部門 所長 立石 剣
同 基盤技術研究本部 農業情報研究センター センター長 高山 茂伸
研究担当者：農研機構 生物機能利用研究部門 昆虫利用技術研究領域
主任研究員 横井 翔
(基盤技術研究本部 農業情報研究センター兼任 (当時))
上級研究員 上樂 明也
同 絹糸昆虫高度利用研究領域 上級研究員 坪田 拓也
研究領域長 瀬筒 秀樹
同 植物防疫研究部門 果樹茶病害虫防除研究領域
主任研究員 増岡 裕大
（生物機能利用研究部門 昆虫利用技術研究領域 兼
基盤技術研究本部 農業情報研究センター（当時））
広島大学大学院 统合生命科学研究科 教授 坊農 秀雅
情報?システム研究機構 データサイエンス共同利用基盤施設
ライフサイエンス统合データベースセンター
特任助教（当時） 小野 浩雅
特任助教 千葉 啓和
広報担当者：農研機構 生物機能利用研究部門 研究推進室 遠藤 真咲
TEL 029-838-6005
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开発の社会的背景
农研机构は蚕糸业に贡献できる新たなカイコ系统の作成?育成のための试験研究を进めてきました。特に、2000年に开発したカイコの遗伝子组换え技术は、カイコが本来作らないタンパク质をシルクと一绪に生产させることを可能にし、カイコにシルク生产以外の产业価値を生み出しました。実际に、遗伝子组换えカイコを用いて有用タンパク质を作る技术はヒト体外诊断薬や研究用试薬の製造に利用され、それらの製品はすでに市贩されています。また、遗伝子组换えカイコの作出?タンパク质生产の受託サービスを提供する公司もあります。
今后、カイコの产业利用をさらに拡大させるには、有用物质の生产効率を高め、より低コスト化することが必须であり、シルクの生产量がより多いカイコの品种育成が望まれています。それには、カイコ体内におけるシルクの合成メカニズムの理解が必要ですが、まだ十分に明らかにはなっていません。
研究の経纬
カイコのシルクは、フィブロインという繊维タンパク质が、セリシンという糊に相当するタンパク质で覆われている构造をしており、これらのシルクの“素”となるタンパク质はカイコの幼虫体内の绢糸腺という组织において作られます。まず幼虫の尾部に近い后部绢糸腺でフィブロインが合成されて中部绢糸腺に送られ、中部绢糸腺でセリシンが合成されフィブロインを覆ったのち、头部に近い前部绢糸腺に送られ、头部に存在する吐糸口（としこう）という部位からシルクが吐き出されます（図1）。シルクの合成に重要な遗伝子はいくつか知られていますが、绢糸腺のどの部分で、いつ、どのような遗伝子がどのくらい発现することでシルクが合成されるのか、その详细は明らかになっていません。
近年、ゲノムの塩基配列を解析する装置であるDNAシーケンサーの技術革新により、膨大な塩基配列データを極めて低コストで得ることができるようになりました。これによって、RNA Sequencing(RNA-Seq)3)を大量に行い、高精度に各遺伝子の発現量データを取得することが可能になった結果、特定の組織において、カイコの全ての遺伝子1つ１つについて、いつ、どこで、どのくらい発現しているかを知ることができるようになりました。
そこで共同研究チームは、カイコ体内におけるシルクの合成メカニズムの理解に资することを目的として、シルクの合成が行われる时期の绢糸腺における、カイコの全遗伝子の発现量データを网罗的に解析しました。
研究の内容?意义&苍产蝉辫;
1. カイコ絹糸腺のサンプルの準備
遺伝子組換えカイコの研究等でよく利用される「w1 pnd 」というカイコ系統を用い、シルクが作られる中部絹糸腺、後部絹糸腺に着目して実験を行いました。同日に産卵されたカイコ集団が5齢0日目幼虫になってから8日間、毎日同時刻に幼虫から絹糸腺を取り出し、中部絹糸腺をさらに前部、中部、後部の3つの部位に分け(それぞれ、中部絹糸腺前部、中部絹糸腺中部、中部絹糸腺後部)、後部絹糸腺を加えた合計4種類の部位を遺伝子発現解析用のサンプルとして準備しました。(図1)。
2. 網羅的遺伝子発現量データの取得、解析
1．の方法で準备した绢糸腺サンプルから搁狈础を抽出し、搁狈础-厂别辩を行い、カイコの全遗伝子(约17,000种类)の网罗的な遗伝子発现量データを取得しました。主要なシルク遗伝子のうち、セリシンの合成に関わるセリシン1、2、3遗伝子について、部位毎に発现量の経时的変化を调べたところ、いずれの遗伝子も、绢糸腺部位毎に异なる発现パターンを示しました(図2)。この结果は先行研究と齟齬が无く、本研究で得られた遗伝子発现量データの信凭性が高いことを确认できました。
図2. 主要なシルク遺伝子の発現量変化の例
横轴は5齢幼虫になってからの日数、縦轴の数値は遗伝子の発现量を表しています。
3. 得られたデータおよび関連データの公開
このように绢糸腺を细かな部位に分け、経时的かつ网罗的に全ての遗伝子発现量を解析したデータはこれまでありませんでした。今回取得した遗伝子発现量データ、およびこれらの関连データ(発现量データの元となった搁狈础-厂别辩のデータ、遗伝子発现量を求める际に行ったデータ解析の过程で得られた中间データを含む)は、全て公开しており、どなたでもダウンロードが可能です。カイコを中心とした昆虫研究を行う皆さまにご活用いただけます。
URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.6978654
今后の予定?期待&苍产蝉辫;
本研究で得られたカイコの中部绢糸腺および后部绢糸腺における遗伝子発现量データを元に、シルク生产の键となる遗伝子の同定を进める予定です。それらの遗伝子情报を活用することで、交配に适した亲の组み合わせ决定や、交配で得られた个体の中からシルク生产量が多いと考えられる个体の选抜を迅速に行えるようになり、ニーズに合った新品种をより短期间で作出することが可能になります。
また、シルク生产の键となる遗伝子を改変して1头当たりのシルク生产量を増やし、有用タンパク质分泌システムと组み合わせることで、有用タンパク质の生产量を向上させることも可能になると考えられます。それにより、医薬品原体などの有用タンパク质产出のコスト低减を目指します。
さらに、本成果で得られた発现量データを活用することで野蚕など、家畜化されたカイコ以外の昆虫におけるシルク合成メカニズムの解明が进み、昆虫シルクの产业利用への道が広がることが期待されます。
本研究で得られたデータは広く公开しており、シルク生产性や有用タンパク质生产に関する研究の加速を通じて、养蚕业の発展や新规のバイオ产业の创出に贡献します(図3)。
図3. 本成果を用いた今後の展開
写真、イラストはTogoTVより引用、改変（? 2016 DBCLS TogoTV, CC-BY-4.0 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ja）
用语解説
1)&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;绢糸腺
シルクはカイコの幼虫体内の绢糸腺という组织において合成され、绢糸腺は、头に近い位置から顺に、前部绢糸腺、中部绢糸腺、后部绢糸腺という3つの部位に分けられます。本研究ではシルクが作られる中部绢糸腺、后部绢糸腺に着目して详细な遗伝子発现解析を行いました。
2)&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;5齢幼虫
カイコは、卵（蚕种（さんしゅ））からふ化すると、1齢幼虫（毛蚕（けご）、蚁蚕）となり、脱皮をするごとに2齢、3齢、となります。4回の脱皮を経て、5齢（终齢）幼虫になると绢糸腺で活発にシルクが合成され、1週间ほどで茧を作り始めます。
3) RNA-Sequencing
生物由来の组织に存在する搁狈础の配列情报を次世代シーケンサーと呼ばれる机械を用いて読み取る解析手法です。搁狈础の种类と量を调べることにより、どの遗伝子がどの程度発现しているか调べることができます。
発表论文
Time-course transcriptome data of silk glands in day 0-7 last-instar larvae of Bombyx mori (w1 pnd strain)
Yudai Masuoka, Akiya Jouraku, Takuya Tsubota, Hirokazu Chiba, Hiromasa Ono, Hideki Sezutsu, Hidemasa Bono, Kakeru Yokoi
2024 Scientific Data 11, Article number: 709
https://doi.org/10.1038/s41597-024-03560-1
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