昆虫の多様な染色体構造

染色体の維持に必要な３つの構造：「複製起点・テロメア・動原体」の中でも、動原体とテロメアの多様性と進化に着目して研究を行っています。昆虫は、動原体やテロメアが多様化しているため、染色体維持機構の進化を研究する上で非常に適した素材と考えています。

動原体

動原体は、染色体分配の際に染色体を娘細胞に引っ張る紡錘糸が結合するタンパク質複合体です。娘細胞への正確な染色体の分配が、染色体数の異常を防ぐために重要となりますが、動原体はその要の一つです。

染色体に動原体が一か所だけに局在して存在する局在型動原体が有名ですが、カイコ、カメムシ、トンボなどの染色体は、動原体が染色体中に散らばって存在する『分散型動原体』の様式をとっており、しかも昆虫の進化の過程で独立に複数回分散型動原体が出現したと考えられています。

機能的に重要であるにもかかわらず、どのようにして動原体の構造は、変化してきたのか？に主な焦点を置いて、

分散型動原体の構成要素、減数分裂の際の振舞い、局在型動原体との相違点を中心に研究を進めています。

テロメア

多くの真核生物では、テロメラーゼ逆転写酵素が染色体末端にテロメア反復配列を付加することによりテロメアを維持しています。

ところが、昆虫では、テロメラーゼが失われて特殊なレトロトランスポゾンによりテロメアを維持しているキイロショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)や、テロメア反復配列に特異的に転移するレトロトランスポゾンを持つカイコ(Bombyx mori)など、テロメア構造や維持機構が多様化しています。さらに、節足動物の祖先的テロメア反復配列は(TTAGG)nが検出できない昆虫のグループは、双翅目以外にも複数存在します。この中には、未だテロメア反復配列が同定されていないものもあります。

これまでの研究により、昆虫の進化の過程でテロメラーゼ構造が変化していることや、テロメア配列が変化した昆虫では、テロメア特異的レトロトランスポゾンの標的配列特異性の共進化が起きていることが分かってきました。

トンボ目も(TTAGG)nが検出されず、テロメア配列が未解明でした。近年飛躍的に解読が進んだゲノム配列の情報から、テロメア配列を推測し、さらにFISHとサザンハイブリダイゼーションという古典的な解析手法を組み合わせて日本産トンボ目63種の解析を行った結果、トンボ目の祖先的なテロメア反復配列は (TTGGG)n であること、さらにトンボ目の種分化の過程でテロメア反復配列が変化していることを明らかにしました（Gotoh et al., 2025）。また、ムカシヤンマではテロメラーゼ遺伝子が遺伝子重複によって増加していることや、カイコやショウジョウバエとは異なり、減数分裂においてテロメアがブーケ構造をとることも確認されました。

関連業績

原著論文

11)        Osanai-Futahashi M, Fujiwara H. (2011) 

Coevolution of telomeric repeats and telomeric repeat-specific non-LTR retrotransposons in insects. 

Molecular Biology and Evolution 28: 2983-2986 

10)        Mitchell M, Gillis A, Futahashi M, Fujiwara H, Skordalakes E (2010) 

Structural basis for telomerase catalytic subunit TERT binding to RNA template and telomeric DNA. 

Nature Structural & Molecular Biology 17: 513–518 

9)        International Silkworm Genome Consortium (including Osanai-Futahashi M.) (2008) 

The genome of a lepidopteran model insect, the silkworm Bombyx mori. 

Insect Biochemistry and Molecular Biology 38: 1036-1045 

8)    Osanai-Futahashi M, Suetsugu Y, Mita K, Fujiwara H (2008) 

Genome-wide screening and characterization of transposable elements and their distribution analysis in the silkworm, Bombyx mori. 

Insect Biochemistry and Molecular Biology 38: 1046-1057. 

7)    Tribolium Genome Sequencing Consortium (including Osanai M.) (2008) 

The genome of the model beetle and pest Tribolium castaneum. 

Nature 452: 949-955. 

6)    Maita N, Aoyagi H, Osanai M, Shirakawa M, Fujiwara H (2007) 

Characterization of the sequence specificity of the R1Bm endonuclease domain by structural and biochemical studies. 

Nucleic Acids Research 35: 3918-3927. 

5)    Kawashima T, Osanai M, Futahashi R, Kojima T, Fujiwara H (2007) 

A novel target-specific gene delivery system combining baculovirus and sequence-specific long interspersed nuclear elements. 

Virus Research 127: 49-60.

4)    Osanai M, Kojima KK, Futahashi R, Yaguchi S, Fujiwara H (2006) 

Identification and characterization of the telomerase reverse transcriptase of Bombyx mori (silkworm) and Tribolium castaneum (flour beetle). 

Gene 376: 281-289. 

3)    Matsumoto T, Hamada M, Osanai M, Fujiwara H (2006) 

Essential domains for ribonucleoprotein complex formation required for retrotransposition of telomere-specific non-long terminal repeat retrotransposon SART1. 

Molecular and Cellular Biology 26: 5168-5179. 

2)    Anzai T, Osanai M, Hamada M, Fujiwara H (2005) 

Functional roles of 3'-terminal structures of template RNA during in vivo retrotransposition of non-LTR retrotransposon, R1Bm. 

Nucleic Acids Research 33: 1993-2002. 

1)    Osanai M, Takahashi H, Kojima KK, Hamada M, Fujiwara H (2004) 

Essential motifs in the 3' untranslated region required for retrotransposition and the precise start of reverse transcription in non-long-terminal-repeat retrotransposon SART1. 

Molecular and Cellular Biology 24: 7902-7913.