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2021年2月24日 (水)

脊椎動物の半規管の進化 -脊椎動物の共通祖先の内耳は、思いのほか複雑だった

リンク一部転載

(開拓研究本部倉谷形態進化研究室主任研究員)、兵庫医科大学の菅原文昭講師、東京大学大気海洋研究所の高木亙助教らの共同研究グループ※は、顎
(あご) を持たない脊椎動物であるヌタウナギ[1] とヤツメウナギ[2] の内耳の発生を解析し、単一の半規管[3]
から段階的に複雑に進化したと考えられてきた三つの半規管 ( 三半規管[3] )
の構成要素の大部分が、すでに5億年以上前の共通祖先において獲得されていたことを明らかにしました。

 本研究成果は、ヒトの聴覚・平衡感覚を担う内耳の進化について理解を深めるとともに、感覚器の発生生物学研究にも貢献すると期待できます。

 今回、共同研究グループは、ヒトと5億年以上前に分岐した、顎を持たない脊椎動物であるヌタウナギとヤツメウナギにおける内耳の形成過程を詳細に観察し、前半規管と後半規管の位置を決める遺伝子の発現が、両動物でよく似たパターンを示すことを見いだしました。さらに、両動物胚には三つ目の半規管である水平半規管がまだないものの、そのセンサーとなる感覚上皮[4]に相当する構造がすでに存在することを確認しました。これにより、脊椎動物の共通祖先が、前後二つの半規管を形成する発生プログラムをすでに持っており、さらに既存の感覚上皮を転用して三つ目の水平半規管とその検出器を獲得し、3次元方向の回転に対応した三半規管へと進化したことが明らかになりました。

背景
 動物は、光、音、化学物質など身の回りの情報を得るために、目、耳、鼻といった感覚器を進化させてきました。これらの中で耳
(内耳)
は、ヒトでは聴覚器としても働きますが、脊椎動物の進化の歴史においては、重力や頭部の回転運動を感知する平衡感覚器として出現しました。ヒトやカエル、サメなど顎
(あご) を持つ脊椎動物 (顎口類) の内耳には、平衡感覚を担う三半規管があります。三半規管はその名のとおり、三つの半円状の管 (半規管)
が互いに直交し、それぞれに検出器である感覚上皮が一つずつ付属し、三次元方向の回転を感知しています。これに対し、顎を持たない脊椎動物であるヌタウナギは一つの半規管、ヤツメウナギは二つの半規管しか持たず、古典的には半規管の数が1→2→3と段階的に進化したと解釈されてきました
(図1左)。しかし近年、ヌタウナギとヤツメウナギが「円口類」(顎を持たない現生の脊椎動物)
という一つのグループに属し、どちらかがより「古い」とはいえないことが分かり
(図1右)、それとともに三半規管の進化過程は再び謎に包まれることになりました。

古典的には、左側の系統樹で示すように、ヌタウナギは他の脊椎動物よりも「古い」グループであり、半規管の数は1→2→3
(赤)
と進化したと考えられてきた。ところが、遺伝子配列の比較により、ヌタウナギとヤツメウナギは「円口類」という一つのグループであることがわかった。つまり、右側の系統樹で示すように、単純な構造に見えるヌタウナギの一つの半規管は、必ずしも「祖先的だ」とはいえない。

※研究手法と成果は省略

今後の期待
 今回の研究により、内耳はこれまで考えられてきたよりも複雑な進化の歴史を辿って現在の形が成立したことが分かりました。すなわち、ヒトがもつような複雑な三半規管の形態を作り出す材料の起源は、円口類と顎口類の分岐以前の段階である5億年以上前にまで遡ることになります。しかしながら、一見単純な構造に見える円口類の内耳とヒトが持つ複雑な内耳には、どのような発生プログラムの違いがあり、おのおのがいかに進化したかについては未解決の問題です。

 内耳の構造は化石として残りやすく、古脊椎動物学において、化石魚類の同定や進化過程を推定する上での鍵となる形質として着目されます。脊椎動物の進化の初期に現れた化石魚類の内耳を本研究で得られた理解に基づいて研究することで、これまで未分類であった化石動物の研究に貢献すると期待できます。

 

 
キムナリ

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