研究内容
これまでの主な研究成果
種分化の原因の一つに、同じ場所に棲む複数の生物種がお互いに交配できなくなる「生殖隔離」があります。これまで特に昆虫や両生類などにおいて、フェロモンとその受容体の遺伝的変化が新しい種の誕生を引き起こすという仮説が提唱されてきましたが、未だ明確な証拠は得られていません。その主な理由として、これらの生物におけるフェロモンが複雑な化学物質であったり、受容体遺伝子が未同定であることが多い点、さらには遺伝子操作による人為的改変が困難であることが挙げられます。そこで私は、遺伝子操作が容易なモデル生物である分裂酵母Schizosaccharomyces pombeに注目し、フェロモンと受容体の変化が生殖隔離を引き起こすかどうかを実験的に検証する研究を進めてきました。
分裂酵母には、動物と同様に2つの交配型 (Plus型とMinus型) があり、外見では区別できませんが、それぞれが異なるペプチド性フェロモンを分泌し、異なる交配型間でフェロモンを介した認識・交配を行います。私はこれまでに、M型細胞が分泌するフェロモンとその受容体を協調的に改変することで、野生型とは交配できない新しい生殖群の創出に成功しました (Seike et al., PNAS, 2015)。まず第1段階では、M型フェロモンに網羅的な突然変異を導入し、152種類の変異型株を作製しました。その中から、野生型受容体に認識されなくなった35種類の変異型フェロモンを同定しました。興味深いことに、これらは全てフェロモンのC末端側のアミノ酸に置換が生じていました (Seike et al., Genetics, 2012)。次に第2段階として、受容体にランダムな突然変異を導入し、変異型フェロモンのいずれかを特異的に認識し、かつ野生型フェロモンには反応しない受容体変異体を、大規模なスクリーニングから発見しました。これらの受容体は、第6番目の膜貫通ドメイン内に変異を有していました。このようにして得られた野生型細胞と変異型細胞の4種類を混合して交配を行ったところ、野生型同士および変異型同士では子孫が得られましたが、それ以外の組み合わせでは一切交配が起こらず、新たに創出した変異型細胞は野生型と完全に生殖隔離されていることが明らかになりました。このような遺伝子のやりとりを行わない2つの集団は、生物学的には異なる種と見なすことができます。したがって、この変異型交配型細胞は、人為的に創出された「新種」と位置づけることが可能です。この成果により、フェロモンやその受容体における遺伝的な変化が生殖隔離を引き起こし、種分化を促進する可能性があることを分裂酵母を用いて実証的に示すことに成功しました。
では自然界において、フェロモンと受容体の遺伝的変化はどのように生じるのでしょうか? フェロモンまたは受容体の片方のみに変異が起こると、交配能力の低下を招くため、両者が同時に変化 (=共進化) する必要があります。こうした共進化的な変化が、生殖隔離や種分化を自然界でも引き起こしている可能性は十分に考えられます。この仮説をさらに検証するため、私は世界各地から単離された野生の分裂酵母株を解析しました。その結果、M型フェロモンは非常に高い保存性を示す一方で、P型フェロモンは著しく多様化していることが判明しました (Seike et al., PLoS Biol., 2019)。このような非対称なフェロモン認識システムは、酵母が同種間での交配能力を維持しつつ、フェロモンの変化を可能にする仕組みとして機能していると考えられます。さらに近年、近縁種Schizosaccharomyces octosporusとの種間比較解析を通じて、M型フェロモンが種特異的に作用する一方で、P型フェロモンは種を超えて作用することを明らかにしました。また、M型フェロモン受容体において、やはり第6番目の膜貫通ドメインがフェロモン認識における鍵領域であることも示されました (Seike et al., Genetics, 2021)。しかし、なぜこのような非対称性が進化的に維持されているのか、またフェロモンと受容体の共進化がどのようにして起こるのかについては、依然として多くの謎が残されています。
※右図はNHK BS「ヒューマニエンス」に出演した時のスタジオの様子です。
「"ホルモン" 生命をあやつる超絶パワー」(初回放送日：2022年7月5日) [Link]
現在の主なテーマ
フェロモン認識の進化と生命システムの設計
酵母が交配相手を見分ける際に使う性フェロモンとその受容体は、「鍵と鍵穴」のように特異的に結びつきます。私たちはこのフェロモン認識の仕組みがどのように進化し、生殖隔離や環境適応に関与してきたのかを明らかにしようとしています。次世代シークエンシング (NGS) などの分子情報を基盤に、情報科学的手法を用いたデータ解析を組み合わせて、フェロモンと受容体の分子適合性を可視化します。この研究は、進化の理解のみならず、合成生物学による生命システムの設計や応用技術の開発にも繋がると考えています。
昆虫との共生環境がもたらす酵母の多様化
フェロモンの多様化に影響を与える要因の一つとして、私たちはショウジョウバエの体内環境に着目しています。昆虫の腸内では、酵母の胞子形成が促進されることが報告されており、このような特殊な環境が、酵母の性や交配機構の進化にどのように寄与しているのかを調査しています。酵母と昆虫との相互作用を通じて、生態と分子進化をつなぐ研究を進めており、酵母の進化的柔軟性を読み解く鍵となると考えています。
野生酵母の探索と潜在能力の可視化・応用
自然界には、まだ未発見の酵母が数多く存在しており、それらは高い耐性やユニークな代謝機能を秘めています。私たちは、ショウジョウバエや果実、植物などから野生酵母を単離し、独自のライブラリを構築しています。これらの酵母について、情報解析を駆使して代謝プロファイルや環境応答性を定量化・可視化し、潜在的な機能を引き出すことを目指しています。さらに、有用な株は交配や育種を通じて改良し、環境保全や発酵産業、バイオエタノール生産などへの応用展開を進めています。特に、昆虫との共生に適応した新種酵母Hanseniaspora drosophilae (Seike et al., Int J Syst Evol Microbiol, 2025) の発見と分類は、微生物の多様性研究における重要な成果の一つです。