1.生殖隔離による種分化

生きものは新しい種にどうやって分化していくのか。チャールズ・R・ダーウィンの時代から続く、進化生物学上の大きな問いの一つである。種分化の研究には、まず「種」の定義が必要である。エルンスト・W・マイアー（註１）は、種とは「お互いに交配しているグループで、他のグループとは生殖的に隔離されているグループ」と定義した。ここから、種分化の研究は生殖隔離が進行していく機構を明らかにすることだと言える。

実は、生殖隔離は連続的に進むことが多く、交雑が起きている場合も少なくない。そこで実際には種分化は、生殖隔離の程度が弱い集団から、完全に生殖隔離が完成している種まで、広い幅を持った連続性のある一連の現象として捉えることになる。
 

2.種分化の研究モデルとしてのイトヨ

トゲウオ科（註２）に属するイトヨは、北半球の寒冷な地域の、淡水域から海水域にまで広く生息する体長3～8センチほどの魚である。この魚の興味深いところは、地域集団によって表現型が大きく異なり、地域ごとに程度の異なる生殖隔離が見られることである。例えば、カナダ西岸では湖底近くに住むイトヨと湖水面近くに住むイトヨが共存しているが、雑種は生態的適応度が低く、弱い生殖隔離が見られる。また、生涯を通じて河川の上流に住む小さいイトヨと、下流に住んで海に下る大きいイトヨの例では、中流域でこれらが接触しても、体の大きさが違うので交雑は稀にしかおきない。これらの集団は、いずれも人工授精では自由に交配でき、雑種が発生異常を示さないので、種分化のかなり初期段階にあると考えられる。

ところで、日本には日本海と太平洋のイトヨが生息しており、日本海イトヨは通常のイトヨ（G. aculeatus）とは遺伝的に大きく異なっている。そこで近年、G. nipponicusとして別種に区分された。約200万年前の氷河期に、日本海の地理的隔離が起き、そこから分化が始まったのだろう。また、北米の東海岸にも別種のイトヨ（G. wheatlandi）が生息しているが、通常のイトヨと交配しても稚魚は生存できず、完成された種分化の例といえる。このようにイトヨは、生殖隔離の弱い分化段階の集団から、隔離が完成された種までを含む種分化の連続体と捉えることができ、研究対象として興味深い。

3.生殖隔離の遺伝基盤

私たちはまず、行動隔離と雑種不妊に着目した。行動解析の結果、太平洋のメスは日本海のオスとはほとんど交配しないことがわかった。一つの要因は、日本海のオスが背中のトゲで強く求愛するため、太平洋のメスが逃げてしまうことにある（図２、動画1～3）。もう一つは、両種ともにメスは大きな体のオスを好むが、日本海のオスは太平洋のオスよりも体が小さいためである。一方、日本海のメスと太平洋のオスは交配するが、雑種のオスが不妊になることが明らかになった。

これらの遺伝基盤を解明するために、連鎖解析（註３）を行い、ゲノム上の原因遺伝子の位置を調べた（図３）。その結果、求愛行動の違い、および求愛行動に利用するトゲの長さの違いを引き起こす原因遺伝子座が、染色体9番に局在していることが明らかになった。また、体の大きさの違いを引き起こす原因遺伝子座は、染色体19番に局在していた。さらに、雑種不妊は、日本海イトヨの染色体19番が太平洋イトヨの遺伝的背景と相互作用することによって起こることも明らかになった。イトヨでは染色体19番が性染色体であることが知られているので、これらの結果は、性染色体が種分化に重要であるとする理論と合致する。一方、染色体9番については予想外の結果が得られた。

4.日本海イトヨのネオ染色体

染色体の構造を比べたところ、日本海イトヨのオスの染色体９番がY染色体と融合していた（これを、新しく出来た染色体という意味でネオY染色体と呼ぶ）。残った９番と１９番の相同染色体をそれぞれX₁とX_２染色体とすると、X₁X₂Y型の性決定機構となっているのである（図４）。太平洋イトヨでの常染色体である９番の染色体は、日本海イトヨの場合、メスとオスでは保持する数が異なることからX2染色体となる。そして、この領域に求愛行動の分化に関わる遺伝子座が局在していることが明らかになった。予想もしていなかった、生殖隔離の進化と性染色体の転換の関係が示唆されたのである。

この関係をゲノムレベルで検証するために、性染色体へと転換したネオY染色体に、常染色体とは異なる特徴があるか否かを調べた。全ゲノム配列を解読して種内で比較したところ、日本海イトヨのネオY染色体では、塩基配列レベルでX₂染色体との分化が始まっており（図５）、アミノ酸置換も多く生じていることが明らかになった。加えて、ネオYとX₂染色体の間で遺伝子発現量にも差があることが明らかになった。次に種間で、太平洋イトヨの常染色体（染色体９番）と日本海イトヨのX₂染色体を比較したところ、アミノ酸置換と発現量の異なる遺伝子が多いことがわかった（図６）。また、種内では固定しているが、種間では異なる一塩基多型（註４）の数も増えていることが明らかになった。

5.野生生物の種分化機構の解明に向けて

北海道東部に生息する日本海と太平洋のイトヨについて、その種分化機構を解明する研究を始めて約10年になる。開始当初は全く予測していなかった、ネオ性染色体が種分化に貢献しているのではないかという仮説に行き当たり、その検証を続けている。思いがけない仮説の発見は、自然が我々の予測を超える何かを持っていると感じる瞬間であり、野外生物を対象とする研究の醍醐味と言える。

ここで紹介した全ゲノム解読の結果と連鎖解析の結果は、ネオ染色体への転換が、生殖隔離の進化を促進したと考える根拠となる。しかし、それに加えて染色体融合による組換え率の抑制など他の機構の貢献も考えられ、今後は個々の機構の貢献度を明らかにしていく必要がある。また、ネオ染色体の形成が種分化に貢献する例の普遍性を見ていく必要もある。性染色体の転換には、常染色体と性染色体の融合以外にも、性決定遺伝子が転移する場合もある。このような場合にも、ネオ染色体が種分化に関与しているのかを調べることは、私たちの仮説の一般性を検証する上で重要なことである。

TALEN（註５）やCRISPR/Casシステム（註６）などのゲノム編集技術によって、イトヨでも個別の遺伝子を破壊することが可能となった。この技術を使って、まず種分化や性的二型の進化に関わる候補遺伝子を特定し、その遺伝子を操作することで機能を確認したい。その遺伝子の振る舞いを野外で集団遺伝学的に解析し、野外生物の種分化の機構を知ることが私たちの研究の目的である。