不以卵增加的胎生鲨鱼也具有卵黄基因

-通过“绉鳃鲨属”等12种鲨鱼类的比较分析发现-

理化学研究所(理研)生命功能科学研究中心分子序列比较分析小组组长工乐树洋(国立遗传学研究所分子生命史研究室教授)、大石雄太研究生研究助理(研究当时，现代形态进化研究小组研究生研究助理、 神户大学研究生院理学研究科生物学专业研究生)、东京大学大气海洋研究所的兵藤晋教授、东海大学海洋学系海洋生物系的堀江琢副教授、该海洋科学博物馆的山田一幸馆员、福岛海洋科学馆的山内信弥首席技师的共同研究小组认为，包括人在内的哺乳类动物为胚胎[1] 在获得的进化过程中失去的“制造蛋黄蛋白质的基因”，在胎生的鲨鱼类中被保存，明确了有可能为母体内的胚胎提供营养。 本研究成果有望为从分子水平理解从卵生到胎生的脊椎动物繁殖方式的多样性提供重要的见解。 软骨鱼类[2] (鲨鱼类)半数以上在胎生中繁殖，从胎内的胚胎由蛋黄营养产生到依赖母体营养供给的各种类型存在，但包括卵生在内的各种繁殖方式之间的分子水平的比较几乎没有进行。 这次，共同研究小组着眼于蛋黄蛋白质“卵黄蛋白原[3]”，对胎生鲨鱼的绉鳃鲨属[4]等进行了分析。 结果显示，在胎生鲨鱼类中，基因组中存在多个卵黄蛋白原基因，卵黄蛋白原可能被用作母体内胚胎的营养供应源。 本研究刊登在科学杂志《Genome Biology and Evolution》3月号( 3月15日)上。

拥有巨大蛋黄的胎生鲨鱼“绉鳃鲨属”的胚胎

背景

动物的繁殖方式大致分为两种，一种是产下包在外壳里的蛋并在体外孵化的“卵生”，另一种是在父母体内生孩子的“胎生”。 胎生动物的代表哺乳动物是父母对胚胎积极进行发生所需的营养供给等的“母体依存型胎生”。 另一方面，哺乳类以外的胎生动物中，以蛋黄为营养源的“蛋黄依赖型胎生”不是来自父母的营养供给，而是主流。 众所周知，软骨鱼类，包括鲨鱼和魟的同类，有着前所未有的多样化繁殖方式，从卵生到卵黄依赖型胎生、母体依赖型胎生等。 软骨鱼类的繁殖方式中，半数以上的物种为胎生，胎生又可分为卵黄依赖型胎生和后述的三种母体依赖型胎生(图1 )。 卵黄依赖型胎生是深海鲨鱼“绉鳃鲨属 ( chlamydoselachus anguineus )”等的繁殖方式，主要由胚胎拥有的巨大卵黄提供营养。 母体依赖型胚胎包括:将子宫分泌的牛奶等液体提供给胎儿的“组织营养型”、将未受精卵和同一子宫内的兄弟喂给胚胎的“蛋蚀共生型”、以及制作哺乳动物一样的胎盘并从中进行营养供给的“胎盘型”。 这种软骨鱼类多样化的繁殖方式被认为是进化过程中卵生和胎生之间发生多次转换的结果。

图1软骨鱼类繁殖方式的分类

软骨鱼类半数以上的物种采取胎生繁殖方式。 根据对卵黄的依赖程度，将胎生分为卵黄依赖型胎生和3种母体依赖型胎生(组织营养型、卵食.共食型、胎盘型)。 哺乳类进化胎儿时，随着胎盘的获得而从基因组中缺失的基因，已知是制作蛋黄主要成分蛋白质“卵黄蛋白原”的基因。 卵黄蛋白原在鸡等卵生的脊椎动物中，由肝脏合成，通过卵黄蛋白原受体( VLDLR ) [3]的作用进入卵母细胞内，作为蛋黄发挥作用。 卵生脊椎动物的基因组中存在多个卵黄蛋白原基因，但鸭嘴兽以外的哺乳动物卵黄蛋白原基因丢失注1 )。 另一方面，胎生的软骨鱼类是否具有卵黄蛋白原基因还不清楚。 因此，在本研究中，除了近年来积累的软骨鱼类的全部基因组信息外，还新获得了2种胎生软骨鱼类的基因序列信息，关注软骨鱼类的卵黄蛋白原及VLDLR进行了分析。 注1 ) Brawand，d.et al.2008.loss of egg yolk genes in mammals and the origin of lactation and placentation.PLoS biol.6，e63。

研究方法和成果

联合研究小组新获得基因序列信息的胎生软骨鱼类是卵黄依赖型胎生的绉鳃鲨属和胎盘型胎生的白鲨( Mustelus griseus ) [5]。 通过东海大学海洋科学博物馆和福岛海洋科学馆的共同项目“绉鳃鲨属研究项目注2 )”，利用骏河湾采集冷冻保管的雌性个体，绉鳃鲨属成功地从特别难以确保研究用试样的怀孕个体中采集到了包括子宫在内的各个内脏器官。 另一方面，白鲨从在濑户内海混捕的雌个体中采集了子宫和肝脏。 利用使用了超并行DNA序列发生器[6]的RNA-seq[7]读取从各个内脏器官提取的RNA，通过计算机处理重构序列，结果，成功地毯式地取得了在各个内脏器官表达的基因的序列信息。 结合前期研究中得到的其他种类鲨鱼的基因序列信息，对共计12种软骨鱼类探索了卵黄蛋白原基因及VLDLR基因。 结果，在软骨鱼类中，无论繁殖方式如何，基因组中至少鉴定到了两个卵黄蛋白原基因( VTG1和VTG2)。 这意味着，与哺乳类不同，软骨鱼类在获得胚胎后仍维持卵黄蛋白原基因(图2 )。 此外，对VLDLR基因进行详细的分子系统分析后，发现在其他鱼类和陆地脊椎动物的基因组中只能看到一个的VLDLR基因，软骨鱼类的基因组中被发现含有三个(命名为VLDLRc1、VLDLRc2、VLDLRc3) (图2 )。到目前为止，人们已经知道软骨鱼类的基因组在进化过程中几乎看不到基因的增减，所以这个结果令人意外。 VLDLR有使卵黄蛋白原进入卵母细胞的作用，VLDLR基因数量的增加可能与鲨鱼类往往制造出蛋黄比其他脊椎动物更巨大的卵有关。

注2 )东海大学海洋科学博物馆×海蓝宝石福岛“绉鳃鲨属研究项目”

图2软骨鱼类( 12种)卵黄蛋白原( VTG )基因和VLDLR基因

蓝色和绿色的方形表示各个动物所具有的基因的数量，用虚线包围的“？ 表示虽然这次没能发现，但是通过今后基因组信息的充实很有可能被发现的基因。 各物种的繁殖方式及物种间的系统关系基于已有报告注3、4 )。

• 注3 ) Buddle，a.l.et al.2019.evolution of placentotrophy:using viviparous sharks as a model to understand vertebrate placental eve 注4 ) Naylor，g.et al.2012 elasmobranch phylogeny:a mitochondrial estimate based on 595 species.biology of sharks and their relativer

而且，为了调查每个内脏器官的卵黄蛋白原基因及VLDLR基因的表达量，加入了卵生种虎鲨( Scyliorhinus torazame )进行了比较。 在这个虎鲨中，我们活用了从以前开始推进的基因组信息注5 )。 结果表明，在虎鲨中主要在肝脏中发现明显表达的卵黄蛋白原基因，在胎生种绉鳃鲨属和白鲨的子宫中也有强烈表达。 此外，研究表明，在虎鲨卵巢中主要表达的VLDLR基因，在绉鳃鲨属和白鲨的子宫中也有较强表达。 以上结果提示，卵黄蛋白原在胎生软骨鱼类中不仅作为卵黄营养，而且作为子宫内胚胎的营养供应源(图3 )。

图3脊椎动物繁殖方式与卵黄蛋白原的关系

制造卵黄蛋白卵黄蛋白原的基因在硬骨脊椎动物组(左)和软骨鱼类组(右)中共有，但在胎生哺乳类动物的进化过程中缺失(假基因化)。 另一方面，独自进化胎生的鲨鱼类，无论对蛋黄的依赖程度如何，都保存着卵黄蛋白原基因，卵黄蛋白原有可能成为子宫内胚胎的营养供给源。 此外，软骨鱼类携带多个卵黄蛋白原受体( VLDLR )基因可能与部分卵生鲨鱼和卵黄依赖型胎生鲨鱼中出现的巨大卵黄有关。

• 注5 ) 2018年10月9日新闻发布会《解读鲨鱼基因组》

今后的期待

本研究是在幸运地可以访问近年来迅速积累的软骨鱼类的DNA序列信息和难以确保研究用试样的未解析种的情况下实现的。 此次分析显示，哺乳类在进化过程中缺失的卵黄蛋白原卵黄蛋白原的基因在胎生鲨鱼类中维持在基因组中，可能作为子宫内胎儿的营养源之一被转用。 现在，鲨鱼和魟类大多濒临灭绝，从维持海洋生态系统的观点出发，指出了全球保护的必要性。注6 )。 但是，这类物种大多是胎生的，繁殖机制不太清楚。 近年来，鲨鱼和魟类的人工子宫辅助繁殖的尝试也开始进行。注7 )。 本研究中获得的基因序列信息和卵黄蛋白原基因相关知识，也有望为理解濒危物种的繁殖机理和在水族馆等地确立饲养繁殖技术做出贡献。

• 注6 ) Stein，r.w.et al.2008.global priorities for conserving the evolutionary history of sharks，rays and chimaera s.NAT.ecol 注7 ) Tomita，t.et al.2022.five-month incubation of viviparous deep-water shark embryos in artificial uterine fluid.front.mont.mid

补充说明

• 1 .胎生 以未包在外壳里的形式生孩子的繁殖方法。 卵生用语。 2 .软骨鱼类 软骨鱼类(软骨鱼纲)是约4.5亿年前与包括哺乳类祖先在内的硬骨鱼类(硬骨脊椎动物)分支而成的群体，得名于全身骨骼为软骨性。 但是，这个特征并不反映祖先的状态，次要失去硬骨的说法现在是主流。 3 .卵黄蛋白原、卵黄蛋白原受体( VLDLR ) 卵黄蛋白是成为蛋黄营养成分的蛋白质的前体。 由雌性肝脏合成，通过血液进入卵母细胞后被分解为磷脂和脂蛋白等，作为蛋黄蛋白质储藏。 卵黄蛋白原受体表达于卵母细胞膜，具有通过内吞整合卵黄蛋白原的功能。 VLDLR是very low density lipoprotein receptor的缩写。

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• 4 .绉鳃鲨属 ( Chlamydoselachus anguineus )

• 属于六鳃鲨目绉鳃鲨科，是生活在深海的鲨鱼的一种。 据推测，怀孕期间为2年以上。 由于鳃孔的数量和齿口形态与灭绝的鲨鱼类类似，所以也经常作为“活化石”被介绍。 但近年来的研究表明，它们的特征并非来源于祖先的形态，而是次要获得的。 5 .白鲨( Mustelus griseus )属于真鲨目皱唇鲨科，是生活在日本近海到亚洲沿岸海域的比较小型的鲨鱼类的一种。 为了便于饲养，经常在水族馆等地展示。 同属一类，有不具有胎盘的白斑星鲨( Mustelus manazo )，提示胎盘起源相当新。 在环境省版海洋生物红色名录( 2017 )新标签中打开的话，虽然是目前灭绝危险度较低的物种，但是根据生存条件的变化有可能转移到“濒危”(准濒危物种: Near Threatened )。 6 .超并行DNA序列发生器 也称为新一代可编程控制器。 一次解读碎片化的数千万~数亿条DNA序列的装置。 除基因表达量化和转录产物序列获取外，还广泛应用于现代生物学医学，包括全基因组信息读取和遗传信息个体差异鉴定。 7.RNA-seq 使用超并行DNA序列发生器，全面分析从基因组转录的RNA的方法。

联合研究组

理化研究所生命功能科学研究中心分子序列比较分析小组 队长工乐树洋 (国立遗传学研究所分子生命史研究室教授)

 研究生研究协会大石雄太 (研究当时，现形态进化研究小组研究生研究助理，神户大学研究生院理学研究科生物学专业研究生) 东京大学大气海洋研究所海洋生命科学部门 教授兵藤晋 研究生有村省吾 研究生下山纮也 东海大学 海洋学系海洋生物学科 副教授堀江琢 海洋科学博物馆 博物馆研究员山田一幸

  公益财团法人福岛海洋科学馆(海葵福岛) 高级技师山内信弥

研究支援

本研究由理化学研究所运营费补助金(生命功能科学研究)实施，日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( b )“从分子进化和表基因组逼近关于Hox集群的全局控制所遗留的谜团(研究代表者:工乐树洋)”，以及神户大学“基于不同领域共创的新一代卓越博士人才培养项目(研究代表者:大石雄太)”的资助下进行。

原论文信息

• Yuta Ohishi, Shogo Arimura, Koya Shimoyama, Kazuyuki Yamada, Shinya Yamauchi, Taku Horie, Susumu Hyodo, and Shigehiro Kuraku, "Egg yolk protein homologs identified in live-bearing sharks: co-opted in the lecithotrophy-to-matrotrophy shift?", Genome Biology and Evolution, 10.1093/gbe/evad028

  

主讲人

理化研究所 生命功能科学研究中心分子序列比较分析小组 队长工乐树洋 (国立遗传学研究所分子生命史研究室教授) 研究生研究协会大石雄太 (研究当时，现形态进化研究小组研究生研究助理，神户大学研究生院理学研究科生物学专业研究生) 东京大学 大气海洋研究所海洋生命科学部门 教授兵藤晋 东海大学 海洋学系海洋生物学科 副教授堀江琢 海洋科学博物馆 博物馆研究员山田一幸

  公益财团法人福岛海洋科学馆 高级技师山内信弥

工樂 樹洋

大石 雄太

兵藤 晋

堀江 琢

山田 一幸

山内 信弥

新闻发言人

理化研究所宣传室新闻发言人 

  国立遗传学研究所研究管理员室宣传小组 Email: prkoho [at] nig.ac.jp 东京大学大气海洋研究所宣传战略室 email:kou Hou [ at ] aori.u-Tokyo.AC.jp 东海大学斯卢加贝学院静冈办公室(企划宣传负责人) Tel: [phone] Email: ngkkoho [at] ml.tokai-u.jp 神户大学总务部宣传科 Tel: [phone] email:PPR-kouhoushitsu [ at ] office.Kobe-u.AC.jp ※请将上述[at]替换为@。