マークされた性染色体の差別的除去により、単一株系での非遺伝子組換え雄蚊の生産が可能に

感染症学 バイオエンジニアリング 遺伝学 生命科学 医学
蚊の制御 性別分離 同型性染色体 劣性致死 不妊昆虫技術

研究背景

ネッタイシマカ（*Aedes aegypti*）はデング熱やジカウイルスなどの媒介ウイルスの主要な伝播者である。現在、非吸血オス蚊の放出に基づく遺伝子制御戦略（不妊昆虫技術SITやボルバキア不適合技術IITなど）は核心的な課題に直面している：如何に効率的かつ低コストで、吸血メス蚊を含まない数百万匹のオス個体を分離するか。従来の方法は形態学的選別や遺伝子組み換えマーカーに依存しているが、効率の低さやコスト高、規制上の障壁などの問題がある。本研究はこの難題に対し、ネッタイシマカの同形性染色体（homomorphic sex chromosomes）の特性を利用し、「差異的除去マーカー性染色体」（DEMARK）という革新的な技術体系を開発した。

ネッタイシマカの性決定は1番染色体上のM/m座によって制御される：M染色体は雄性決定遺伝子（*nix*や*myo-sex*など）を保持するが、m染色体と形態的に極めて類似している。事前研究により、M/m染色体周辺には約100 Mbの低組換え領域（recombination desert）が存在し、これが性連鎖劣性致死対立遺伝子（recessive lethal alleles, RLAs）に基づく性分離戦略の理論的基盤を提供した。

論文ソース

本論文はVirginia TechのZhijian Tuチームが主導し、University of California, Riversideなどの機関と共同で完成させ、2025年5月8日に《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences）誌に掲載された。タイトルは《Differential elimination of marked sex chromosomes enables production of nontransgenic male mosquitoes in a single strain》。

研究プロセスと結果

1. 性染色体の組換え率精密測定

実験設計：
- 3つの遺伝子組み換えマーカー系統を使用（C1-dsRed：167.945 Mb；P14-GFP：180.261 Mb；P10-GFP：224.678 Mb）
- 大規模な子孫スクリーニング（>10,000匹の幼虫）によりマーカーとM座の遺伝的距離を計算

主要発見：
- C1とM座の組換え率は僅か0.043%（16 Mbの物理距離に対し0.043 cM）
- P14とM座の組換え率は0.079%（28 Mbに対し0.079 cM）
- この領域に極端な組換え抑制現象が存在することを確認（ショウジョウバエ比1000分の1）

技術的ハイライト：
オックスフォード・ナノポアシーケンシング（Oxford Nanopore sequencing）を用いて遺伝子組み換え挿入部位を精密に同定（Dataset S2）、高解像度遺伝地図構築法を開発。

2. 天然の性連鎖劣性致死対立遺伝子（RLAs）の発見と検証

実験プロセス：
1. C1マーカー系統の自然組換えにより組換え染色体を取得：
- mᶜ¹ᵃ（C1マーカーと致死対立遺伝子*l*を獲得）
- m¹（*l*を失ったm染色体）
2. 相補実験により致死効果を検証：
- mᶜ¹ᵃ/mᶜ¹ᵃの雌性胚は致死
- mᶜ¹ᵃ/Mの雄性胚は致死（m¹により救済可能）

データサポート：
- 交雑実験で雌雄比が1:1から有意に逸脱（SI付録Table S5）
- デジタルドロップPCR（ddPCR）で*l*の劣性致死特性を確認

3. DEMARK技術体系の開発

(1) 二重マーカー染色体の差異的除去（DE2mark）

システム設計：
- 同一の*l*を持つが異なる蛍光マーカーを有する染色体を使用（mᶜ¹ᵃ-dsRedとmᴾ¹⁴ᵈ-GFP）
- 自己維持サイクル：
mᴾ¹⁴ᵈ雌 × mᶜ¹ᵃ雄 → 非遺伝子組み換えオス（m¹/m） + マーカー付き雌/雄
- 二重マーカー雌（mᶜ¹ᵃ/mᴾ¹⁴ᵈ）は*l*のホモ接合により致死

実験結果：
- 13,186個体中、二重陽性組換え雌は僅か1例（SI付録Table S7）
- 非遺伝子組み換えオスの生産効率34.5%（4,544⁄13,186）

(2) 単一マーカー染色体の差異的除去（DE1mark）

人工的RLAsの開発：
- CRISPR/Cas9により必須だがハプロ十分な遺伝子をノックアウト：
- *amon*（神経内分泌転換酵素遺伝子、M座から Mb）
- *bag*（ホメオボックス遺伝子、P14マーカーから260 kb）

システム性能：
- DE1mark_bag：非遺伝子組み換えオス（m/mᵇᵃᵍ⁻）と遺伝子組み換えメス（mᴾ¹⁴ᵈ/mᵇᵃᵍ⁻）のみを生産
- 交尾競争力実験でDE1markオスは野生型と有意差なし（GLMM解析p=0.493）

研究結論と価値

  1. 科学的価値：

    • 同形性染色体の特性を利用した自己維持型性分離システムを初めて実現
    • ネッタイシマカ性染色体進化の新たなメカニズムを提示（proto-Y/X仮説）

  2. 応用価値：

    • 単一系統で非遺伝子組み換えオス蚊の量産が可能（コスト50%以上削減）
    • 既存SIT/IIT技術体系と互換性があり、GMO規制障壁を回避

  3. 技術的拡張性：

    • ハマダラカ（*Anopheles*）の異形性染色体向けDEMARK改良案を提案（図6b）
    • 条件致死システム統合による無選別生産が可能

研究ハイライト

  • 手法の革新性：「バランサー染色体」概念を媒介生物制御に応用
  • 技術的ブレークスルー：0.001%レベルの性分離純度を達成
  • 種横断的潜在力：他の害虫遺伝子防除に向けた汎用フレームワークを提供