胎生がどうして面白いのか？

我々ヒトを含む哺乳類の大部分（真獣類、有袋類）は赤ちゃんを産む“胎生”で子孫を増やします。一方でカモノハシやハリモグラなどの単孔類では、例外的に卵を産むことで子孫を増やします。これは、哺乳類の共通祖先である卵生動物の一部で胎生が獲得され、胎生に変化した種の子孫が現在の真獣類や有袋類に、変化しなかった種の子孫が単孔類となったと考えられています。加えて、哺乳類の生息環境において胎生繁殖が適応的だったため、胎生哺乳類（真獣類、有袋類）が繁栄して現在の状況に至ったと推測されます。

これは哺乳類に限った変化なのでしょうか？ 胎生種は哺乳類だけではく、魚類、爬虫類、両生類でも報告されています。残念ながら、ほとんどの分類群では胎生は少数派に止まっています。一方で、彼らは哺乳類とは独立に“赤ちゃんを産む”という形質を獲得した興味深い存在でもあります。長い時間軸で考えた場合、現時点で少数派である非哺乳類の胎生種が、これからの地球環境に適応的となり、未来の多数派になる可能性もゼロではありません。このような学術的興味に基づいて、私は2012年頃からグーデア科胎生真骨魚を用いた研究を展開しています。

グーデア科胎生魚を使った研究の開始

真骨魚類は現生魚類の最も多数を占めるグループで、20,000種余りが記載されています。そのうち胎生種はおよそ500種であり、全体の2~3%に止まります。そのなかでカダヤシ目は150種ほどの胎生種を含み、種数では胎生真骨魚の最大派閥といえます。有名どころでは、観賞魚として有名なグッピー（カダヤシ科）や、水族館でお馴染みのヨツメウオ（ヨツメウオ科）が含まれます。グーデア科はその一派で40種ほどの胎生種を含み、すべてがメキシコを中心とした中米地域に棲息する淡水魚で構成されます。

グーデア科胎生魚の学術研究への適用は、原産地での生態学や形態学が盛んな一方、胎生形質そのものを分子生物学的に解析する試みは盛り上がりに欠けていました。そこで私は、“ハイランドカープ（学名：Xenotoca eiseni）”を材料とし、胎生形質の分子基盤、特に【母体と胎仔（たいし）の相互作用】を探求する研究を立案しました。

グーデア科胎生魚のメスは子宮を持たず、卵巣内で胎仔を育てます。卵巣内の胎仔もまた、哺乳類の胎盤とへその緒のような母体との癒着構造は持たず、肛門付近から伸長した“栄養リボン（trophotaenial placenta）”と呼ばれる非接着の偽胎盤構造を介し、卵巣内腔に分泌された栄養分を吸収して成長すると考えられていました。

私は2012年に採択された科学研究費補助金を原資に研究を立ち上げ、栄養リボンで起こる細胞死に関する論文を2015年に発表しました。しかし、この成果は当初の目標である【母体と胎仔の相互作用】に迫るものとは言い難く、またグーデア科胎生魚の知名度の低さも相まって、その後の展開は資金不足という壁に直面することになりました。

グーデア科胎生真骨魚ハイランドカープ（Xenotocae eiseni）
A. 出産間際のメス成魚。お尻の辺りに胎仔の目が透けて見える。
B. 妊娠4週目の胎仔。肛門から伸長した枝分かれ構造が栄養リボン（trophotaenial placenta）。

クラウドファンディングへの挑戦と躍進

そんな折、当時所属する京都大学でacademistの説明会に参加し、資金調達とアウトリーチを兼ねたプロジェクトを提案する機会を得ました。さまざまな方から支援と応援を頂き、70万円弱の資金調達と研究の知名度向上を達成することができました。

その後、民間財団からの支援にも恵まれ、妊娠中に母仔間で供給される栄養分に関する論文を2019年に発表しました。この論文は、卵生生物で卵黄に備蓄される栄養素の1つであるタンパク質Vitellogeninが、グーデア科胎生魚では妊娠母体でも合成され、卵巣内腔への分泌を介して、胎仔の栄養リボンから吸収されるという内容でした。つまり、私の目指した【母体と胎仔の相互作用】の母体側の分子基盤を明らかにした内容でした。

一方で、胎仔側の仕組みに関しては、栄養リボンでの吸収自体は確認できたものの、関連する分子機構はわからないままでした。そこで次の段階として、胎仔側での栄養吸収に関わる分子機構の探索に着手しました。クラウドファンディングから4年ほどが経過し、所属機関も京都大学から現職の名古屋大学へと変わっていました。

次世代シーケンスからの展開

実は栄養リボンでの物質吸収について、組織観察からある程度の目処はついていました。Vitellogenin分子が吸収上皮細胞の細胞小胞（エンドソーム、リソソーム）内で観察されたことから、エンドサイトーシス機構が最有力候補と目されました。

そこで私は、栄養リボンからRNAを抽出し、RNA-Seq解析によりエンドサイトーシス関連遺伝子の発現を調査しました。その結果、Cubilinが関与するエンドサイトーシス関連遺伝子の高発現を見出し、栄養リボンでのタンパク質局在やプロテアーゼ活性から一連の分子機構を推測して、論文として発表しました。

エンドサイトーシスによる栄養分の吸収は、消化能力の弱い授乳期の哺乳類新生仔や、無胃魚に分類されるゼブラフィッシュの消化管でも報告されています。このことから、栄養リボンによる物質吸収は、脊椎動物の消化管が持つ祖先的な機能を、胎生形質へと転用したものだと仮説を立てました。これで荒削りながら、栄養授受に関しては【母体と胎仔の相互作用】の役者が見えてきました。仮説の実証には、より精緻な機能解析が必要であり、現在進行中となっています。

一連の栄養供給に関わる分子機構は「妊娠の維持に関わる機構」と言い換えることもできます。適切な期間の妊娠維持（＝胎仔成長）の後、母体の生理状態を出産へと変化させるには、別の制御機構が必要だと考えられます。そこで私は、妊娠の完了と出産の開始を司る分子基盤を次のターゲットとして、グーデア科胎生魚の繁殖様式における【母体と胎仔の相互作用】の全容解明を目指しています。

ハイランドカープの妊娠における母仔間での栄養授受
妊娠メスはVitellogeninタンパク質を合成し、胎仔のいる卵巣内腔へと運搬・放出する。Vitellogeninjは胎仔の栄養リボンの表面でCubilinと会合し、エンドサイトーシス機構により細胞内に取り込まれた後に、プロテアーゼによる分解を受ける。

ちょっとした議論と気づきから生まれるスピンオフ

母仔間の栄養分としてVitellogeninを扱い始めた頃から、ある質問をよく受けるようになりました。それは「卵巣内腔に栄養分が充填されていたら、それを使って細菌が感染・増殖してしまうのでは？」というものでした。自身の興味として優先度が低かったこともあり、この疑問は長年放置されていました。

そこに突如光明が差し込んだのは、2020年のことでした。当時進めていた栄養授受の研究に際して、栄養リボンの比較試料として卵巣組織でもRNA-Seq解析を実施していました。その遺伝子発現リストをボンヤリと眺めていたとき、あることに気が付きました。LEAP（liver-expressed antimicrobial peptides）に属する抗菌ペプチド遺伝子のひとつが、卵巣で高発現していたのです。これは何か意味があるだろうと考え、遺伝子発現と抗菌機能の検証を実施しました。その結果、leap1a遺伝子が卵巣で最も多く発現しており、翻訳産物が強い抗大腸菌活性を持つことがわかってきました。

この研究もまだ途上であり、大腸菌以外の菌・細菌類への抗菌活性や、LEAP以外の抗菌ペプチド因子の関与も検討する必要があります。しかし少なくとも「グーデア科胎生魚の母体は、抗菌ペプチドを活用して妊娠環境を整えている」と主張できる土台ができたと考えています。

学会や研究会でのちょっとした議論をヒントにして、データの目的外利用が思わぬスピンオフに発展する。このような筋書きのないアドリブ展開もまた、研究の醍醐味のひとつだと私は考えています。

抗菌ペプチド産生による妊娠環境の整備
卵巣内の閉鎖空間では、胎仔に与える栄養分が体外から侵入した細菌類の増殖を助けてしまうリスクがある。そこで母体が抗菌ペプチドを産生して、卵巣内における細菌増殖の制御を介して妊娠環境（胎仔の成長環境）を整備していると予想している。

非哺乳類の胎生を探求する面白さ

私の研究は、胎生魚の妊娠機構の研究を通じて「脊椎動物の形態変化の裏で暗躍する分子基盤の由来」を探求していると言い換えることもできます。Vitellogeninは卵生動物が卵への蓄積に用いる因子を母仔間栄養として『転用』している例です。その他にも、Cubilinは消化管機能からの『転用』であり、LEAP因子も肝臓で分泌される抗菌因子の『転用』です。

一方で哺乳類の胎生の分子基盤では、遺伝子の『追加と喪失』が特徴的だと私は考えています。たとえばVitellogenin遺伝子は、胎生哺乳類のゲノム配列からは失われています。哺乳類の受精卵は着床により早い段階から母体に栄養依存できるため、卵由来の栄養分の備蓄が不要となったと考えることができます。加えて哺乳類の胎盤形成では、レトロトランスポゾン由来の新規遺伝子（Peg10）の獲得が端緒とされています。このような遺伝子の追加や喪失は、今のところグーデア科胎生魚の解析では見出されていません。

結論付けには時期尚早ですが、グーデア科の胎生が遺伝子の『転用』の積み重ねの結果であるのに対し、哺乳類の胎生が遺伝子の『追加と喪失』を原動力とするというのは、私にとっては魅力的な仮説となります。この問いに、残りの研究者人生で何かしらの回答が捻り出せれば、我が生涯に一片の悔い無しです。

独立した複数の胎生獲得における分子基盤の予想
現生種の共通祖先と考えられる卵生生物の遺伝子セットとその機能をデフォルト（初期値）だと仮定する。グーデア科胎生魚では遺伝子の種類と機能はそのままで、使い方を変化させることで胎生形質に貢献している傾向が見出されている。一方で、胎生哺乳類ではVittelogeninの喪失やPeg10の追加など、遺伝子の増減を伴う変化が現在までに報告されている。このギャップに私は、得も言われぬ学術的ロマンを感じている。

参考文献

  • Iida A, Sano K, Inokuchi M, Nomura J, Suzuki T, Kuriki M, Sogabe M, Susaki D, Tonosaki K, Kinoshita T, Hondo E. (2021). Cubam receptor-mediated endocytosis in hindgut-derived pseudoplacenta of the intraovarian embryo in a viviparous teleost Xenotoca eiseni. J. Exp. Biol. 224, jeb242613
  • Iida A, Nakai R, Yoshida J, Sano K, Hondo E. (2021). Expression and antimicrobial activity of liver-expressed antimicrobial peptides in the ovaries of the viviparous teleost Xenotoca eiseni. Fish Shellfish Immunol. 118, 405-410.
  • Kaneko-Ishino T, Ishino F. (2012). The role of genes domesticated from LTR retrotransposons and retroviruses in mammals. Front. Microbiol. 3, 262.

この記事を書いた人

飯田敦夫
飯田敦夫
愛知県名古屋市生まれ。牡羊座。AB型。名古屋大学大学院理学研究科 修了。博士（理学）。京都大学での博士研究員や助教を経て、2019年9月より現職の名古屋大学大学院生命農学研究科テニュアトラック助教。2021年夏、日々感じていたドキドキが不整脈によるものだと健康診断で指摘され、惜しまれながらも治療を済ます。座右の銘は「楽するための努力は惜しまない」。