プレスリリース
(研究成果) カイコのシルク生産を担う絹糸腺における全遺伝子の発現量を解析、データを公開

農研機構は蚕糸業に貢献できる新たなカイコ系統の作成・育成のための試験研究を進めてきました。特に、2000年に開発したカイコの遺伝子組換え技術は、カイコが本来作らないタンパク質をシルクと一緒に生産させることを可能にし、カイコにシルク生産以外の産業価値を生み出しました。実際に、遺伝子組換えカイコを用いて有用タンパク質を作る技術はヒト体外診断薬や研究用試薬の製造に利用され、それらの製品はすでに市販されています。また、遺伝子組換えカイコの作出・タンパク質生産の受託サービスを提供する企業もあります。

今後、カイコの産業利用をさらに拡大させるには、有用物質の生産効率を高め、より低コスト化することが必須であり、シルクの生産量がより多いカイコの品種育成が望まれています。それには、カイコ体内におけるシルクの合成メカニズムの理解が必要ですが、まだ十分に明らかにはなっていません。

カイコのシルクは、フィブロインという繊維タンパク質が、セリシンという糊に相当するタンパク質で覆われている構造をしており、これらのシルクの"素"となるタンパク質はカイコの幼虫体内の絹糸腺という組織において作られます。まず幼虫の尾部に近い後部絹糸腺でフィブロインが合成されて中部絹糸腺に送られ、中部絹糸腺でセリシンが合成されフィブロインを覆ったのち、頭部に近い前部絹糸腺に送られ、頭部に存在する吐糸口(としこう)という部位からシルクが吐き出されます(図1)。シルクの合成に重要な遺伝子はいくつか知られていますが、絹糸腺のどの部分で、いつ、どのような遺伝子がどのくらい発現することでシルクが合成されるのか、その詳細は明らかになっていません。

近年、ゲノムの塩基配列を解析する装置であるDNAシーケンサーの技術革新により、膨大な塩基配列データを極めて低コストで得ることができるようになりました。これによって、RNA Sequencing(RNA-Seq)³⁾を大量に行い、高精度に各遺伝子の発現量データを取得することが可能になった結果、特定の組織において、カイコの全ての遺伝子1つ1つについて、いつ、どこで、どのくらい発現しているかを知ることができるようになりました。

そこで共同研究チームは、カイコ体内におけるシルクの合成メカニズムの理解に資することを目的として、シルクの合成が行われる時期の絹糸腺における、カイコの全遺伝子の発現量データを網羅的に解析しました。

• カイコ絹糸腺のサンプルの準備
  遺伝子組換えカイコの研究等でよく利用される「w1 pnd」というカイコ系統を用い、シルクが作られる中部絹糸腺、後部絹糸腺に着目して実験を行いました。同日に産卵されたカイコ集団が5齢0日目幼虫になってから8日間、毎日同時刻に幼虫から絹糸腺を取り出し、中部絹糸腺をさらに前部、中部、後部の3つの部位に分け(それぞれ、中部絹糸腺前部、中部絹糸腺中部、中部絹糸腺後部)、後部絹糸腺を加えた合計4種類の部位を遺伝子発現解析用のサンプルとして準備しました。(図1)。
• 網羅的遺伝子発現量データの取得、解析
  1.の方法で準備した絹糸腺サンプルからRNAを抽出し、RNA-Seqを行い、カイコの全遺伝子(約17,000種類)の網羅的な遺伝子発現量データを取得しました。主要なシルク遺伝子のうち、セリシンの合成に関わるセリシン1、2、3遺伝子について、部位毎に発現量の経時的変化を調べたところ、いずれの遺伝子も、絹糸腺部位毎に異なる発現パターンを示しました(図2)。この結果は先行研究と齟齬が無く、本研究で得られた遺伝子発現量データの信憑性が高いことを確認できました。
  

  

• 得られたデータおよび関連データの公開
  このように絹糸腺を細かな部位に分け、経時的かつ網羅的に全ての遺伝子発現量を解析したデータはこれまでありませんでした。今回取得した遺伝子発現量データ、およびこれらの関連データ(発現量データの元となったRNA-Seqのデータ、遺伝子発現量を求める際に行ったデータ解析の過程で得られた中間データを含む)は、全て公開しており、どなたでもダウンロードが可能です。カイコを中心とした昆虫研究を行う皆さまにご活用いただけます。
  URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.6978654
  

本研究で得られたカイコの中部絹糸腺および後部絹糸腺における遺伝子発現量データを元に、シルク生産の鍵となる遺伝子の同定を進める予定です。それらの遺伝子情報を活用することで、交配に適した親の組み合わせ決定や、交配で得られた個体の中からシルク生産量が多いと考えられる個体の選抜を迅速に行えるようになり、ニーズに合った新品種をより短期間で作出することが可能になります。

また、シルク生産の鍵となる遺伝子を改変して1頭当たりのシルク生産量を増やし、有用タンパク質分泌システムと組み合わせることで、有用タンパク質の生産量を向上させることも可能になると考えられます。それにより、医薬品原体などの有用タンパク質産出のコスト低減を目指します。

さらに、本成果で得られた発現量データを活用することで野蚕など、家畜化されたカイコ以外の昆虫におけるシルク合成メカニズムの解明が進み、昆虫シルクの産業利用への道が広がることが期待されます。

本研究で得られたデータは広く公開しており、シルク生産性や有用タンパク質生産に関する研究の加速を通じて、養蚕業の発展や新規のバイオ産業の創出に貢献します(図3)。