【研究室紹介】田中（幹）研究室

からだの形を進化させた発生プログラムを探る－形態進化を再現する－

2016.09.20

※ 2022年1月26日：最新の情報に更新しました。

私たちの研究室では、「体の形がどうやって進化してきたのか」といった生命現象の本質に迫るテーマで研究を行っています。動物の形態が進化する際には、発生プログラムの変化を伴っていることから、系統的に重要な位置にいる動物種の発生プログラムを解析することで、この問題にアプローチしています。脊椎動物の進化の過程で新しく獲得され、形態を変化させてきた器官には様々なものがありますが、私たちは「手足」をモデルにして、この問題に取り組んでいます。

教授　田中幹子

生命理工学コース
教授　田中幹子

キーワード	進化発生生物学、発生生物学、形態学、器官形成
Webサイト	TANAKA Lab

研究紹介

酸素で手足の形をつくるメカニズムー指間細胞死ー

カエルやイモリなどの両生類は、指や指間の成長（細胞増殖）の違いで手足の形を作っています。一方、鳥類や哺乳類などの羊膜類では、これに加えて「細胞死」によっても手足が形作られます。手足の細胞の一部が細胞死によって削り取られるようになると、手足の形は多様に進化しました。例えば、オオバンと呼ばれる水鳥は細胞死によって木の葉の形をした水かきを持つように進化し、馬やラクダは細胞死で指の数を減らしています。しかし、こうした「細胞死」による形作りのメカニズムがどのように出現したのかについては、これまで明らかにされていませんでした。私たちは、四肢動物の進化の過程で出現した指間細胞死に、驚くべき要素が必要であったことを見いだしました。大気中の「酸素」が必要だったのです。この成果は、生物の陸上進出に伴う環境の変化が、体の形成において新たなメカニズムを誕生させうることを示す重要な成果となりました（Cordeiro et al., 2019 Dev Cell）。

手足を動かす筋肉の発生様式の進化をサメから学ぶ

四肢動物の四肢の筋肉は遊離筋とよばれる細胞によってつくられることが知られています。一方、軟骨魚類の対鰭の筋肉は、遊離筋によらない方法でつくられるとされ、四肢の筋肉の原始的な発生様式であると考えられてきました。本研究では、顎口類の原始的な状態を反映するとされる軟骨魚類において、その対鰭の筋肉の発生様式が、私たちの四肢の筋肉と類似することを示しました。これにより、四肢の筋肉をつくる発生様式が、これまで考えられていたよりも古い起源をもつ可能性が示されました (Okamoto et al., 2017 Nature Ecol Evol)。

鰭から四肢への進化に迫るーサメを題材に謎を解き明かすー

鰭から四肢への進化の過程については、原始的な鰭の特徴を持つサメ胚を題材にした研究を展開しています。これまでに、サメ胚の原始的な胸鰭では前側（親指側）が広かったものが、マウス胚の前肢では後側（小指側）が広くなっていること、その原因領域が、前後軸方向のパターン形成を司る Gli3 遺伝子のエンハンサーの機能変化によるものを示しました（Onimaru et al., 2015 eLife）。また、数理生物学者の J. Sharpe 氏との共同研究で、サメの鰭の先端の骨パターンは、マウスの指—指間のパターンをつくる Bmp-Sox9-Wnt (BSW)チューリングモデルのパラメーター変化で説明できることを示しました（Onimaru et al., 2016 Nat Commun）。

研究成果

代表論文

1.Ingrid Rosenburg Cordeiro, Kaori Kabashima, Haruki Ochi, Keijiro Munakata, Chika Nishimori, Mara Laslo, James Hanken, and Mikiko Tanaka (2019). Environmental oxygen exposure allows for the evolution of interdigital cell death in limb patterning. Dev Cell 50, 155-166.
2.Kenta Kawahata*, Ingrid Rosenburg Cordeiro*, Shogo Ueda, Guojun Sheng, Yuuta Moriyama, Chika Nishimori, Reiko Yu, Makoto Koizumi, Masataka Okabe, and Mikiko Tanaka (2019). Evolution of the avian digital pattern. Sci Rep 9, article number 8560.
3.Eri Okamoto, Rie kusakabe, Shigehiro Kuraku, Susumu Hyodo, Alexandre Robert-Moreno, Koh Onimaru, James Sharpe, Shigeru Kuratani, Mikiko Tanaka (2017). Migratory appendicular muscles precursor cells in the common ancestor to all vertebrates Nature Ecol Evol1, 1731-1736.
4.Koh Onimaru, Luciano Marcon, Marco Musy, Mikiko Tanaka, James Sharpe (2016). The fin to limb transition as the re-organisation of a Turing pattern. Nat Commun 7, Article number 11582
5.Mikiko Tanaka (2016). Fins into limbs: autopod acquisition and anterior elements reduction by modifying gene networks involving 5’Hox, Gli3 and Shh. Dev Biol 413, 1-7
6.Koh Onimaru, Shigehiro Kuraku, Wataru Takagi, Susumu Hyodo, James Sharpe and Mikiko Tanaka (2015). A shift in anterior-posterior positional information underlies the fin-to-limb evolution. eLife
7.Natsuno Suda, Takehiko Itoh, Ryuichiro Nakato, Daisuke Shirakawa, Masashige Bando, Yuki Katou, Kohsuke Kataoka, Katsuhiko Shirahige, Cheryll Tickle and Mikiko Tanaka (2014). Dimeric combinations of MafB, cFos and cJun control the apoptosis-survival balance in limb morphogenesis. Development 141, 2885-2894.
8.Koh Onimaru*, Eiichi Shoguchi, Shigeru Kuratani and Mikiko Tanaka* (2011). Development and evolution of the lateral plate mesoderm: Comparative analysis of amphioxus and lamprey with implications for the acquisition of paired fins. Dev Biol 359, 124-136.
9.Yasunori Murakami* and Mikiko Tanaka* (2011). Evolution of Motor innervation to fins and limbs. Dev Biol 355, 164-172.
10.Yumie Murata*, Mika Tamura*, Yusuke Aita, Yasunori Murakami, Koji Fujimura, Masataka Okabe, Norihiro Okada and Mikiko Tanaka (2010). Allometric growth of the trunk leads to the rostral shift of the pelvic fin in teleost fishes. Dev Biol 347, 236-245.
11.Megan G Davey, I Robert Paton, David R Morrice, Yili Yin, Maike Schmidt, Paul Buxton, Despina Stamataki, Mikiko Tanaka, Andrea E Munsterberg, James Briscoe, Cheryll Tickle and Dave W Burt (2006). The Chicken talpid3 gene encodes a novel protein essential for hedgehog signaling. Genes Dev 20, 1365-1377.
12.Mikiko Tanaka, Laura A Hale, Angel Amores, Yi-Lin Yan, William A Cresko,Tohru Suzuki and John H Postlethwait (2005). Developmental genetic basis for the evolution of pelvic fin loss in the pufferfish Takifugu rubripes. Dev Biol 281, 227-239
13.Mikiko Tanaka and Cheryll Tickle (2004). Tbx18 and boundary formation in chick somite and wing development. Dev Biol 268, 470-480.
14.Nicholas Cole, Mikiko Tanaka, Alan R Prescott and Cheryll Tickle (2003). Expression of limb initiation gene and clues to the basis of morphological diversification of three-spine sticklebacks. Curr Biol 13, R951-R952.
15.Mikiko Tanaka, Andrea Munsterberg, W Gary Anderson, Alan R Prescott, Neil Hazon and Cheryll Tickle (2002). Fin development in a cartilaginous fish and the origin of vertebrate limbs. Nature 416, 527-531.
16.Maike Schmidt, Mikiko Tanaka and Andrea Munsterberg (2000). Expression of (beta)-catenin in the developing chick myotome is regulated by myogenic signals. Development 127, 4105-4113.
17.Mikiko Tanaka, Martin J Cohn, Peter Ashby, Megan Davey, Paul Martin and Cheryll Tickle (2000). Distribution of polarizing activity and potential for limb formation in mouse and chick embryos and possible relationship to polydactyly. Development 127, 4011-4021.
18.Masakazu Yamamoto, Yoshihiro Gotoh, Koji Tamura, Mikiko Tanaka, Atsushi Kawakami, Hiroyuki Ide and Atsushi Kuroiwa (1998). Coordinated expression of Hoxa-11 and Hoxa-13 during limb muscle patterning. Development 125, 1325-1335.
19.Mikiko Tanaka, Koji Tamura, Sumihare Noji, Tsutomu Nohno, and Hiroyuki Ide (1997). Induction of additional limb at the dorsal-ventral boundary of a chick embryo. Dev Biol 182, 191-203
20.Mikiko Tanaka, Koji Tamura, and Hiroyuki Ide (1996). Citral, an inhibitor of retinoic acid synthesis, modifies chick limb development. Dev Biol 175, 239-247.

教員紹介

田中幹子教授（理学博士）

1998年3月	東北大学大学院理学研究科生物学専攻博士課程修了
1998年4～7月	ロンドン大学Tickle研究室学振特別研究員
1998年8月～2003年3月	ダンディー大学Tickle研究室海外学振特別研究員等
2003年4月～2004年3月	オレゴン大学Postlethwait研究室上原ポストドクトラルフェロー
2004年4月	東京工業大学大学院生命理工学研究科助教授
2021年2月	東京工業大学大学院生命理工学研究科教授
2021年2月より	現職

2021年	猿橋賞
2010年	日本進化学会奨励賞
2006年	文部科学大臣表彰　若手科学者賞
2006年	財団法人手島工業教育資金団　中村研究賞
2005年	日本動物学会奨励賞
2004年	東京工業大学挑戦的研究賞
1999年	井上研究奨励賞

所属学会

日本分子生物学会、日本生態学会、日本動物学会（2015年〜現在 Associate Editor of Zoological Science、2017〜現在将来計画委員）、日本進化学会（2020年〜現在専務理事）、日本発生生物学会（2020年〜現在 Editor of Development, Growth & Differentiation、2021年〜現在幹事長）